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随机变量及其概率分布

一、离散型随机变量分布列#

离散型随机变量的分布列是指随机变量取各个可能值的概率列表。设离散型随机变量 XX 的可能取值为 x1,x2,,xnx_1, x_2, \ldots, x_n,则其分布列为:

P(X=xi)=pi,i=1,2,,nP(X = x_i) = p_i, \quad i = 1, 2, \ldots, n

其中 pi0p_i \geq 0i=1npi=1\sum_{i=1}^n p_i = 1


1. 0-1 分布(伯努利分布)#

0-1 分布是描述只有两种可能结果的单次试验的分布。设随机变量 XX 表示试验结果,X=1X = 1 表示“成功”,X=0X = 0 表示“失败”,则其分布列为:

P(X=k)=pk(1p)1k,k=0,1P(X = k) = p^k (1-p)^{1-k}, \quad k = 0, 1

其中 pp 是“成功”的概率,0<p<10 < p < 1


2. 二项分布#

二项分布描述在 nn 重伯努利试验中“成功”次数的分布。设随机变量 XX 表示在 nn 次独立试验中“成功”的次数,则 XX 服从参数为 nnpp 的二项分布,记作:

XB(n,p)X \sim B(n, p)

其分布列为:

P(X=k)=Cnkpk(1p)nk,k=0,1,,nP(X = k) = C_n^k p^k (1-p)^{n-k}, \quad k = 0, 1, \ldots, n

其中:

  • pp 是每次试验“成功”的概率,0<p<10 < p < 1

3. 超几何分布#

超几何分布描述在不放回抽样的情况下,具有特定属性的个体数量的分布。设总体中有 NN 个个体,其中 aa 个具有特定属性,随机抽取 nn 个个体,XX 表示其中具有特定属性的个体数量,则 XX 服从超几何分布,记作:

XH(n,a,N)X \sim H(n, a, N)

其分布列为:

P(X=k)=CakCNankCNn,k=max{0,n(Na)},,min{a,n}P(X = k) = \frac{C_a^k C_{N-a}^{n-k}}{C_N^n}, \quad k = \max\{0, n - (N - a)\}, \ldots, \min\{a, n\}

其中:

  • CakC_a^k 表示从 aa 个具有特定属性的个体中选出 kk 个的组合数;
  • CNankC_{N-a}^{n-k} 表示从 NaN - a 个不具有特定属性的个体中选出 nkn - k 个的组合数;
  • CNnC_N^n 表示从总体 NN 个个体中选出 nn 个的组合数。

4. 几何分布#

几何分布描述在伯努利试验中首次“成功”所需的试验次数的分布。设随机变量 XX 表示首次“成功”发生的试验次数,则 XX 服从参数为 pp 的几何分布,记作:

XGeom(p)X \sim \text{Geom}(p)

其分布列为:

P(X=k)=(1p)k1p,k=1,2,P(X = k) = (1-p)^{k-1} p, \quad k = 1, 2, \ldots

其中 pp 是每次试验“成功”的概率,0<p<10 < p < 1


5. 负二项分布(帕斯卡分布)#

负二项分布描述在伯努利试验中达到指定次数“成功”所需的试验次数的分布。设随机变量 XX 表示第 rr 次“成功”发生时的试验次数,则 XX 服从参数为 rrpp 的负二项分布,记作:

XNB(r,p)X \sim \text{NB}(r, p)

其分布列为:

P(X=k)=Ck1r1pr(1p)kr,k=r,r+1,P(X = k) = C_{k-1}^{r-1} p^r (1-p)^{k-r}, \quad k = r, r+1, \ldots

其中:

  • pp 是每次试验“成功”的概率,0<p<10 < p < 1

6. 泊松分布#

泊松分布描述在单位时间或单位空间内某事件发生次数的分布。设随机变量 XX 表示在单位时间或单位空间内事件发生的次数,则 XX 服从参数为 λ\lambda(事件发生的平均速率)的泊松分布,记作:

XP(λ)X \sim \text{P}(\lambda)

其分布列为:

P(X=k)=λkeλk!,k=0,1,2,P(X = k) = \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!}, \quad k = 0, 1, 2, \ldots

其中:

  • λ>0\lambda > 0 是单位时间或单位空间内事件发生的平均次数;
  • ee 是自然对数的底数(约等于 2.71828)。

二、 连续型随机变量概率密度函数#

XX 是一个连续型随机变量,其概率密度函数(PDF)为 f(x)f(x),满足:

  1. f(x)0f(x) \geq 0 对所有 xx 成立;
  2. f(x)dx=1\int_{-\infty}^{\infty} f(x) \, dx = 1
  3. 对任意实数 aba \leq bXX 落在区间 [a,b][a, b] 内的概率为:
P(aXb)=abf(x)dxP(a \leq X \leq b) = \int_a^b f(x) \, \mathrm{d}x

其分布函数记作:

F(x)=xf(x)dxF(x)=\int^x_{-\infty}f(x)\mathrm{d}x

1. 均匀分布#

若连续型随机变量 XX 在区间 [a,b][a, b] 上服从均匀分布,记作 XU(a,b)X \sim U(a, b),其概率密度函数为:

f(x)={1ba,axb,0,其他.f(x) = \begin{cases} \dfrac{1}{b-a}, & a \leq x \leq b, \\ 0, & \text{其他}. \end{cases}

2. 正态分布#

若连续型随机变量 XX 服从参数为 μ\mu(均值)和 σ2\sigma^2(方差)的正态分布,记作 XN(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2),其概率密度函数为:

f(x)=12πσe(xμ)22σ2,<x<.f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}, \quad -\infty < x < \infty.

特别地,若 μ=0\mu = 0σ2=1\sigma^2 = 1,记作 XN(0,1)X \sim N(0, 1),概率密度函数为:

f(x)=12πex22,<x<.f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{x^2}{2}}, \quad -\infty < x < \infty.

则称连续型随机变量 XX 服从标准正态分布。


3. 指数分布#

若连续型随机变量 XX 服从参数为 λ\lambda(率参数)的指数分布,记作 XExp(λ)X \sim \text{Exp}(\lambda),其概率密度函数为:

f(x)={λeλx,x0,0,x<0.f(x) = \begin{cases} \lambda e^{-\lambda x}, & x \geq 0, \\ 0, & x < 0. \end{cases}

4. Gamma 分布#

若连续型随机变量 XX 服从参数为 α\alpha(形状参数)和 β\beta(率参数)的 Gamma 分布,记作 XΓ(α,β)X \sim \Gamma(\alpha, \beta),其概率密度函数为:

f(x)={βαΓ(α)xα1eβx=βeλx(βx)α1Γ(α),x0,0,x<0.f(x) = \begin{cases} \dfrac{\beta^\alpha}{\Gamma(\alpha)} x^{\alpha-1} e^{-\beta x}=\dfrac{\beta e^{-\lambda x}(\beta x)^{\alpha-1}}{\Gamma(\alpha)}, & x \geq 0, \\ 0, & x < 0. \end{cases}

其中 Γ(α)\Gamma(\alpha) 定义为:

Γ(α)=0tα1etdt\Gamma(\alpha) = \int_0^\infty t^{\alpha-1} e^{-t} \, \mathrm{d}t

5. 二参数威布尔分布#

若连续型随机变量 XX 服从参数为 λ\lambda(尺度参数)和 kk(形状参数)的威布尔分布,记作 XWeibull(λ,k)X \sim \text{Weibull}(\lambda, k),其概率密度函数为:

f(x)={kλ(xλ)k1e(x/λ)k,x0,0,x<0.f(x) = \begin{cases} \frac{k}{\lambda} \left(\frac{x}{\lambda}\right)^{k-1} e^{-(x/\lambda)^k}, & x \geq 0, \\ 0, & x < 0. \end{cases}

6. β 分布#

若连续型随机变量 XX 服从参数为 α\alphaβ\beta 的 β 分布,记作 Xβ(α,β)X \sim \beta(\alpha, \beta),其概率密度函数为:

f(x)={xα1(1x)β1B(α,β)=Γ(a+b)Γ(a)Γ(b)xα1(x1)β1,0x1,0,其他.f(x) = \begin{cases} \dfrac{x^{\alpha-1} (1-x)^{\beta-1}}{B(\alpha, \beta)}=\dfrac{\Gamma(a+b)}{\Gamma(a)\Gamma(b)}x^{\alpha-1}(x-1)^{\beta-1}, & 0 \leq x \leq 1, \\ 0, & \text{其他}. \end{cases}

其中 B(α,β)B(\alpha, \beta)β\beta函数,定义为:

B(α,β)=01tα1(1t)β1dtB(\alpha, \beta) = \int_0^1 t^{\alpha-1} (1-t)^{\beta-1} \, \mathrm{d}t
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随机变量及其概率分布
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作者
老官童鞋gogo
发布于
2025-01-31
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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