• 【概率论基础进阶】多维随机变量及其分布-二维均匀分布和二维正态分布


    二维均匀分布

    定义:如果二维连续型随机变量 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)的概率密度为
    f ( x , y ) = { 1 A ( x , y ) ∈ G 0 其他 f(x,y)=\left\{

    1A(x,y)G0" role="presentation">1A(x,y)G0
    \right. f(x,y)= A10(x,y)G其他
    其中 A A A是平面有界区域 G G G的面积,则称 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)服从区域 G G G上的均匀分布

    ( X , Y ) (X,Y) (X,Y) G G G上服从均匀分布, D D D G G G中的一个部分区域,记它们的面积分别为 S D S_{D} SD S G S_{G} SG,则 P { ( X , Y ) ∈ D } = S D S G

    P{(X,Y)D}=SDSG" role="presentation" style="position: relative;">P{(X,Y)D}=SDSG
    P{(X,Y)D}=SGSD

    例1:设二维连续型随机变量 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)在区域 D D D上服从均匀分布,其中
    D = { ( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ 1 } D=\left\{(x,y)|x^{2}+y^{2} \leq 1\right\} D={(x,y)x2+y21}

    • X X X的边缘密度 f X ( x ) f_{X}(x) fX(x)
    • 条件概率密度 f Y ∣ X ( y ∣ x ) f_{Y|X}(y|x) fYX(yx)

    区域 D D D是半径为 1 1 1的单位圆,其面积应为 π \pi π,因此 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)的联合密度
    f ( x , y ) = { 1 π x 2 + y 2 ≤ 1 0 其他 f(x,y)=\left\{

    1πx2+y210" role="presentation" style="position: relative;">1πx2+y210
    \right. f(x,y)= π10x2+y21其他

    f X ( x ) = ∫ − ∞ + ∞ f ( x , y ) d y = { ∫ − 1 − x 2 1 − x 2 1 π = 2 π 1 − x 2 − 1 ≤ x ≤ 1 0 其他 f_{X}(x)=\int_{-\infty}^{+\infty}f(x,y)dy=\left\{
    1x21x21π=2π1x21x10" role="presentation" style="position: relative;">1x21x21π=2π1x21x10
    \right.
    fX(x)=+f(x,y)dy= 1x2 1x2 π1=π21x2 01x1其他

    注意这里 − 1 ≤ x ≤ 1 -1\leq x \leq 1 1x1的范围是根据 x 2 + y 2 ≤ 1 x^{2}+y^{2}\leq 1 x2+y21得到的,因此必须有等号

    − 1 < x < 1 -11<x<1
    f Y ∣ X ( y ∣ x ) = { 1 2 1 − x 2 − 1 − x 2 ≤ y ≤ 1 − x 2 0 其他 f_{Y|X}(y|x)=\left\{

    121x21x2y1x20" role="presentation" style="position: relative;">121x21x2y1x20
    \right. fYX(yx)= 21x2 101x2 y1x2其他

    而这里 − 1 < x < 1 -11<x<1,是由于条件概率的分母边缘概率,即 f X ( x ) > 0 f_{X}(x)>0 fX(x)>0,得到的,因此必须没有等号,有等号的时候可以代入边缘概率 f X ( 1 ) = f X ( − 1 ) = 0 f_{X}(1)=f_{X}(-1)=0 fX(1)=fX(1)=0

    二维正态分布

    定义:如果二维连续型随机变量 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)的概率密度为
    f ( x , y ) = 1 2 π σ 1 σ 2 1 − ρ 2 exp ⁡ ( − 1 2 ( 1 − ρ 2 ) [ ( x − μ 1 ) 2 σ 1 2 − 2 ρ ( x − μ 1 ) ( y − μ 2 ) σ 1 σ 2 + ( y − μ 2 ) 2 σ 2 2 ] ) − ∞ < x < + ∞ , − ∞ < y < + ∞

    f(x,y)=12πσ1σ21ρ2exp(12(1ρ2)[(xμ1)2σ122ρ(xμ1)(yμ2)σ1σ2+(yμ2)2σ22])<x<+,<y<+" role="presentation" style="position: relative;">f(x,y)=12πσ1σ21ρ2exp(12(1ρ2)[(xμ1)2σ122ρ(xμ1)(yμ2)σ1σ2+(yμ2)2σ22])<x<+,<y<+
    f(x,y)=2πσ1σ21ρ2 1exp(2(1ρ2)1[σ12(xμ1)2σ1σ22ρ(xμ1)(yμ2)+σ22(yμ2)2])<x<+,<y<+
    其中 μ 1 , μ 2 , σ 1 > 0 , σ 2 > 0 , − 1 < ρ < 1 \mu_{1},\mu_{2},\sigma_{1}>0,\sigma_{2}>0,-1<\rho<1 μ1,μ2,σ1>0,σ2>0,1<ρ<1,均为常数, exp ⁡ ( x ) \exp(x) exp(x)表示 e x e^{x} ex,则称 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)服从参数为 μ 1 , μ 2 , σ 1 , σ 2 , ρ \mu_{1},\mu_{2},\sigma_{1},\sigma_{2},\rho μ1,μ2,σ1,σ2,ρ的二维正态分布,记作 ( X , Y ) ∼ N ( μ 1 ; μ 2 ; σ 1 ; σ 2 ; ρ ) (X,Y)\sim N(\mu_{1};\mu_{2};\sigma_{1};\sigma_{2};\rho) (X,Y)N(μ1;μ2;σ1;σ2;ρ)

    性质

    ( X , Y ) ∼ N ( μ 1 ; μ 2 ; σ 1 2 ; σ 2 2 ; ρ ) (X,Y)\sim N(\mu_{1};\mu_{2};\sigma_{1}^{2};\sigma_{2}^{2};\rho) (X,Y)N(μ1;μ2;σ12;σ22;ρ),则

    • X ∼ N ( μ 1 , σ 1 2 ) , Y ∼ N ( μ 2 , σ 2 2 ) X \sim N(\mu_{1},\sigma_{1}^{2}),Y \sim N(\mu_{2},\sigma_{2}^{2}) XN(μ1,σ12),YN(μ2,σ22)
    • X X X Y Y Y相互独立的充分必要条件是 ρ = 0 \rho=0 ρ=0

    如果 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)二维正态分布可保证 X X X Y Y Y均正态,反之则不能成立,即已知 X X X Y Y Y均正态,并不能保证 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)正态

    • a X + b Y ∼ N ( a μ 1 + b μ 2 , a 2 σ 1 2 + 2 a b σ 1 σ 2 ρ + b 2 σ 2 2 ) aX+bY \sim N(a \mu_{1}+b \mu_{2},a^{2}\sigma^{2}_{1}+2ab \sigma_{1}\sigma_{2}\rho+b^{2}\sigma_{2}^{2}) aX+bYN(aμ1+bμ2,a2σ12+2abσ1σ2ρ+b2σ22)
    • ∣ a b c d ∣ ≠ 0
      |abcd|" role="presentation" style="position: relative;">|abcd|
      \ne 0
      acbd =0
      时, ( a X + b Y , c X + d Y ) (aX+bY,cX+dY) (aX+bY,cX+dY)也一定为二维正态

    在今后的数理统计中,常有
    随机变量 X 1 , X 2 , ⋯   , X n X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n} X1,X2,,Xn相互独立,且 X i ∼ N ( μ , σ 2 ) ( i = 1 , 2 , ⋯   , n ) X_{i} \sim N(\mu,\sigma^{2})(i=1,2,\cdots ,n) XiN(μ,σ2)(i=1,2,,n),则有
    ∑ i = 1 n c i X i ∼ N ( ∑ i = 1 n c i μ , ∑ j = 1 n c j 2 σ 2 ) \sum\limits_{i=1}^{n}c_{i}X_{i}\sim N(\sum\limits_{i=1}^{n}c_{i}\mu,\sum\limits_{j=1}^{n}c_{j}^{2}\sigma^{2}) i=1nciXiN(i=1nciμ,j=1ncj2σ2)
    随机变量 X 1 , X 2 , ⋯   , X n X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n} X1,X2,,Xn相互独立,且 X i ∼ N ( μ i , σ i 2 ) ( i = 1 , 2 , ⋯   , n ) X_{i} \sim N(\mu_{i},\sigma_{i}^{2})(i=1,2,\cdots ,n) XiN(μi,σi2)(i=1,2,,n),则有
    ∑ i = 1 n c i X i ∼ N ( ∑ i = 1 n c i μ i , ∑ j = 1 n c j 2 σ j 2 ) \sum\limits_{i=1}^{n}c_{i}X_{i}\sim N(\sum\limits_{i=1}^{n}c_{i}\mu_{i},\sum\limits_{j=1}^{n}c_{j}^{2}\sigma_{j}^{2}) i=1nciXiN(i=1nciμi,j=1ncj2σj2)

    例2:设二维随机变量 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)的概率密度为
    f ( x , y ) = 1 + sin ⁡ x sin ⁡ y 2 π e − 1 2 ( x 2 + y 2 ) , − ∞ < x < + ∞ , − ∞ < y < + ∞ f(x,y)=\frac{1+\sin x \sin y}{2\pi}e^{- \frac{1}{2}(x^{2}+y^{2})},-\inftyf(x,y)=2π1+sinxsinye21(x2+y2),<x<+,<y<+
    则关于 X X X的边缘概率密度 f X ( x ) = ( ) f_{X}(x)=() fX(x)=()

    f X ( x ) = ∫ − ∞ + ∞ 1 + sin ⁡ x sin ⁡ y 2 π e − 1 2 ( x 2 + y 2 ) d y = 1 2 π e − 1 2 x 2 ( ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 y 2 d y + ∫ − ∞ + ∞ sin ⁡ x sin ⁡ y e − 1 2 y 2 d y ) = 1 2 π e − 1 2 x 2 ( ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 y 2 d y + 0 ) 注意 e x 2 常用两种积分积不出来 , 这里单独讨论

    fX(x)=+1+sinxsiny2πe12(x2+y2)dy=12πe12x2(+e12y2dy++sinxsinye12y2dy)=12πe12x2(+e12y2dy+0)ex2," role="presentation" style="position: relative;">fX(x)=+1+sinxsiny2πe12(x2+y2)dy=12πe12x2(+e12y2dy++sinxsinye12y2dy)=12πe12x2(+e12y2dy+0)ex2,
    fX(x)=+2π1+sinxsinye21(x2+y2)dy=2π1e21x2(+e21y2dy++sinxsinye21y2dy)=2π1e21x2(+e21y2dy+0)注意ex2常用两种积分积不出来,这里单独讨论
    对于 I = ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 y 2 d y
    I=+e12y2dy" role="presentation" style="position: relative;">I=+e12y2dy
    I=+e21y2dy
    ,有
    I 2 = ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 y 2 d y ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 x 2 d x D = { ( x , y ) ∣ x ∈ R , y ∈ R } = ∬ D e − 1 2 ( x 2 + y 2 ) d x d y D = { ( r , θ ) ∣ 0 ≤ r < + ∞ , 0 ≤ θ ≤ 2 π } = ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 + ∞ e − 1 2 r 2 r d r = − ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 + ∞ e − 1 2 r 2 d ( − 1 2 r 2 ) = − ∫ 0 2 π d θ ⋅ ( − 1 ) = 2 π
    I2=+e12y2dy+e12x2dxD={(x,y)|xR,yR}=De12(x2+y2)dxdyD={(r,θ)|0r<+,0θ2π}=02πdθ0+e12r2rdr=02πdθ0+e12r2d(12r2)=02πdθ(1)=2π" role="presentation" style="position: relative;">I2=+e12y2dy+e12x2dxD={(x,y)|xR,yR}=De12(x2+y2)dxdyD={(r,θ)|0r<+,0θ2π}=02πdθ0+e12r2rdr=02πdθ0+e12r2d(12r2)=02πdθ(1)=2π
    I2=+e21y2dy+e21x2dxD={(x,y)xR,yR}=De21(x2+y2)dxdyD={(r,θ)∣0r<+,0θ2π}=02πdθ0+e21r2rdr=02πdθ0+e21r2d(21r2)=02πdθ(1)=2π

    因此有 I = 2 π
    I=2π" role="presentation" style="position: relative;">I=2π
    I=2π
    ,带回原式
    f X ( x ) = 1 2 π e − x 2 2 f_{X}(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{\frac{-x^{2}}{2}} fX(x)=2π 1e2x2

    对于本题,显然 X ∼ N ( 0 , 1 ) , Y ∼ N ( 0 , 1 ) X \sim N(0,1),Y \sim N(0,1) XN(0,1),YN(0,1),即 X X X Y Y Y都服从标准正态,但 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)不是二维正态分布

    延伸两个公式
    ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = π 2

    0+ex2dx=π2" role="presentation" style="position: relative;">0+ex2dx=π2
    0+ex2dx=2π
    证明:
    I 2 = ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x ⋅ ∫ 0 + ∞ e − y 2 d y D = { ( x , y ) ∣ x ≥ 0 , y ≥ 0 } = ∬ D e − ( x 2 + y 2 ) d x d y D = { ( r , θ ) ∣ 0 ≤ e < + ∞ , 0 ≤ θ ≤ π 2 } = ∫ 0 π 2 d θ ∫ 0 + ∞ r e − r 2 d r = π 4 I = π 2
    I2=0+ex2dx0+ey2dyD={(x,y)|x0,y0}=De(x2+y2)dxdyD={(r,θ)|0e<+,0θπ2}=0π2dθ0+rer2dr=π4I=π2" role="presentation" style="position: relative;">I2=0+ex2dx0+ey2dyD={(x,y)|x0,y0}=De(x2+y2)dxdyD={(r,θ)|0e<+,0θπ2}=0π2dθ0+rer2dr=π4I=π2
    I2I=0+ex2dx0+ey2dyD={(x,y)x0,y0}=De(x2+y2)dxdyD={(r,θ)∣0e<+,0θ2π}=02πdθ0+rer2dr=4π=2π

    作者:熊骏、曾祥洲
    链接:反常积分∫∞0ex2dx的几种计算方法 - 道客巴巴 (doc88.com)

    上面算 ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 y 2 d y

    +e12y2dy" role="presentation" style="position: relative;">+e12y2dy
    +e21y2dy,也可以套该式
    ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 y 2 d y = 2 ∫ 0 + ∞ e − ( y 2 ) 2 d y = 2 2 ∫ 0 + ∞ e − ( y 2 ) 2 d ( y 2 ) = 2 2 ⋅ π 2 = 2 π
    +e12y2dy=20+e(y2)2dy=220+e(y2)2d(y2)=22π2=2π" role="presentation" style="position: relative;">+e12y2dy=20+e(y2)2dy=220+e(y2)2d(y2)=22π2=2π
    +e21y2dy=20+e(2 y)2dy=22 0+e(2 y)2d(2 y)=22 2π =2π

    还有一个公式
    ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! \int_{0}^{+\infty}x^{n}e^{-x}dx=n! 0+xnexdx=n!
    其实就是分布积分法,然后代入上下限就行
    ∫ x n e − x d x = − x n e − x + n ∫ x n − 1 e − x d x = − x n e − x − n x n − 1 e − x + n ( n − 1 ) ∫ x n − 2 e − x d x 将分部积分步骤重复 n 次 = − x n e − x − n x n − 1 e − x − n ( n − 1 ) ( n − 2 ) e − x − ⋯ − n ( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ 2 x e − x + n ! ∫ e − x d x = − x n e − x − n x n − 1 e − x − n ( n − 1 ) ( n − 2 ) e − x − ⋯ − n ( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ 2 x e − x − n ! e − x + C 设 f ( x ) = x n = − e − x [ f ( x ) + f ′ ( x ) + ⋯ + f ( n ) ( x ) ] + C
    xnexdx=xnex+nxn1exdx=xnexnxn1ex+n(n1)xn2exdxn=xnexnxn1exn(n1)(n2)exn(n1)(n2)2xex+n!exdx=xnexnxn1exn(n1)(n2)exn(n1)(n2)2xexn!ex+Cf(x)=xn=ex[f(x)+f(x)++f(n)(x)]+C" role="presentation" style="position: relative;">xnexdx=xnex+nxn1exdx=xnexnxn1ex+n(n1)xn2exdxn=xnexnxn1exn(n1)(n2)exn(n1)(n2)2xex+n!exdx=xnexnxn1exn(n1)(n2)exn(n1)(n2)2xexn!ex+Cf(x)=xn=ex[f(x)+f(x)++f(n)(x)]+C
    xnexdx=xnex+nxn1exdx=xnexnxn1ex+n(n1)xn2exdx将分部积分步骤重复n=xnexnxn1exn(n1)(n2)exn(n1)(n2)2xex+n!exdx=xnexnxn1exn(n1)(n2)exn(n1)(n2)2xexn!ex+Cf(x)=xn=ex[f(x)+f(x)++f(n)(x)]+C

    代入上下限
    ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = lim ⁡ u → + ∞ x n e − x d x = lim ⁡ u → + ∞ [ − e − x ( x n + n x n − 1 + n ( n − 1 ) x n − 2 + ⋯ + n ! x + n ! ) ] ∣ 0 u = lim ⁡ u → + ∞ − e − u ( u n + n u n − 1 + n ( n − 1 ) u n − 2 + ⋯ + n ! u + n ! ) + n !
    0+xnexdx=limu+xnexdx=limu+[ex(xn+nxn1+n(n1)xn2++n!x+n!)]|0u=limu+eu(un+nun1+n(n1)un2++n!u+n!)+n!" role="presentation" style="position: relative;">0+xnexdx=limu+xnexdx=limu+[ex(xn+nxn1+n(n1)xn2++n!x+n!)]|0u=limu+eu(un+nun1+n(n1)un2++n!u+n!)+n!
    0+xnexdx=u+limxnexdx=u+lim[ex(xn+nxn1+n(n1)xn2++n!x+n!)] 0u=u+limeu(un+nun1+n(n1)un2++n!u+n!)+n!

    由于 ∀ n ∈ N lim ⁡ x → + ∞ x n e − x = 0 \forall n \in N \lim\limits_{x \to +\infty}x^{n}e^{-x}=0 nNx+limxnex=0,故
    ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! \int_{0}^{+\infty}x^{n}e^{-x}dx=n! 0+xnexdx=n!
    作者:乌里扬诺夫丶
    链接:x(n)e(-x)和x(n)e(x)型积分公式 - 知乎 (zhihu.com)

    CSDN话题挑战赛第2期
    参赛话题:学习笔记

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