漫步数理统计十——连续随机变量(上)

本文介绍了连续随机变量的概念及其概率密度函数(pdf)的性质,并通过几个具体实例展示了如何求解连续随机变量的概率及变换后的随机变量的概率密度函数。

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上篇文章我们讨论了离散随机变量,在统计应用中还有一个非常重要的随机变量,那就是这里要讲的连续随机变量。

1对于某个随机变量,如果它的累加分布函数FX(x)对于所有的xR都是连续的,那么我们称其为连续随机变量。

回忆一下之前讲过的,对于任意的随机变量X,P(X=x)=FX(x)FX(x),因此对于一个连续随机变量X,不存在离散质量的点;即如果X是连续的,那么对于所有的xR,P(X=x)=0,大部分连续随机变量是绝对连续的,即存在某个函数fX(t),使得

FX(x)=xfX(t)dt

函数fX(t)称为X的概率密度函数,如果fX(x)也是连续的,那么根据微积分基本定理可得

ddxFX(x)=fX(x)

连续随机变量X的支撑由满足fX(x)>0的点x组成,与离散情况一样,我们常用S表示X的支撑。

如果X是一个连续随机变量,那么通过积分可以得到其概率,即

P(a<Xb)=FX(b)FX(a)=bafX(t)dt

另外对于连续随机变量,P(a<Xb)=P(aXb)=P(aX<b)=P(a<X<b),因为fX(x)X的支撑上是连续的且FX()=1,所以pdf满足两个性质:

(i):fX(x)0;(ii):fX(t)dt=1

在高等概率论教程中,如果一个函数满足上面的两个性质,那么它就是一个连续随机变量的pdf。

考虑在区间(0,1)中随机选一个数的例子,所选的数字X 就是一个连续随机变量的例子,对于x(0,1)X的cdf是FX(x)=x,因此X的pdf为

fX(x)={10x(0,1)elsewhere

任何连续或离散随机变量X,如果它的pdf或pmf在X的支撑上是常数,那么我们说其满足均匀分布。

1假设我们在半径为1的单位圆上随机选一个点,令X表示原点与该点的距离,那么试验的样本空间是C={(w,y):w2+y2<1},因为点是随机选择的,似乎C的子集C等价于面积,因此所选点位于的集合C正比于C的面积;即

P(C)=Cπ

对于0<x<1,事件{Xx}等价于半径为x的圆中的点。根据概率法则可得P(Xx)=πx2/π=x2,因此X的cdf为

FX(x)=0x21x<00x<11x

X的pdf为

fX(x)={2x00x<1elsewhere

为了说明,所选点位于半径为1/4,1/2环中的概率为

P(14<X12)=12142wdw=[w2]|1214=316

2令随机变量表示繁忙阶段打进电话的时间间隔(单位为秒),假设X随机变量模型的pdf为

fX(x)={14ex/400<x<elsewhere

注意fX满足pdf的两个性质,即(i)f(x)0(ii)

014ex/4dx=[ex/4]|0=1

为了说明,连续两次电话的时间超过4秒的概率为

P(X>4)=014ex/4dx=e1=0.3679

上面考虑的pdf与概率如图1所示。


这里写图片描述
图1

X是连续随机变量,pdfX是已知的。与离散情况一样,我们经常对随机变量Y感兴趣,而随机变量是X的某个变换,Y=g(X),我们一般通过得到Y的cdf后即可求出pdf,接下来举例说明。

3X是例1中的随机变量,表示单位圆中随机选的点距原点的距离。假设我们对距离的平方感兴趣;即Y=X2Y的支撑与X是一样的即SY=(0,1)Y的cdf是什么呢?我们知道X的cdf是

FX(x)=0x21x<00x<11x

y位于Y的支撑中;例如0<y<1,那么利用上式以及X的支撑只包含正值,那么Y的cdf是

FY(y)=P(Yy)=P(X2y)=P(Xy)=FX(y)=y2=y

紧接着Y的pdf是

fY(y)={100<y<1elsewhere

4fX(x)=12,1<x<1,其余地方为0,是随机变量X的pdf,随机变量YY=X2,我们希望找出Y的pdf。如果y0,概率P(Yy)等价于

P(X2y)=P(yXy)

Y的cdf,FY(y)=P(Yy)

FY(y)=0yy12dx=y1y<00y<11y

因此Y的pdf为

fY(y)={12y00<y<1elsewhere

这些例子说明了累加分布函数方法。第一个例子中的变换是一对一的,这时候我们用X的pdf得到Ypdf的简单形式,如下篇文章的定理所述。

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