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\{
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
设
(
X
,
Y
)
(X,Y)
(X,Y)在
G
G
G上服从均匀分布,
D
D
D是
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和
S
G
S_{G}
SG,则
P
{
(
X
,
Y
)
∈
D
}
=
S
D
S
G
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+y2≤1}
求
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\{
有
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\{
注意这里 − 1 ≤ x ≤ 1 -1\leq x \leq 1 −1≤x≤1的范围是根据 x 2 + y 2 ≤ 1 x^{2}+y^{2}\leq 1 x2+y2≤1得到的,因此必须有等号
当
−
1
<
x
<
1
-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\{
而这里 − 1 < x < 1 -1
−1<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
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
<
+
∞
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)
设 ( 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
如果 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)二维正态分布可保证 X X X与 Y Y Y均正态,反之则不能成立,即已知 X X X与 Y Y Y均正态,并不能保证 ( X , Y ) (X,Y) (X,Y)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) Xi∼N(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=1∑nciXi∼N(i=1∑nciμ,j=1∑ncj2σ2)
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) Xi∼N(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=1∑nciXi∼N(i=1∑nciμi,j=1∑ncj2σj2)
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})},-\infty
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
对于
I
=
∫
−
∞
+
∞
e
−
1
2
y
2
d
y
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
因此有
I
=
2
π
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)=2π1e2−x2
对于本题,显然 X ∼ N ( 0 , 1 ) , Y ∼ N ( 0 , 1 ) X \sim N(0,1),Y \sim N(0,1) X∼N(0,1),Y∼N(0,1),即 X X X与 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+∞e−x2dx=2π" role="presentation" style="position: relative;"> ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = π 2
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 2I2I=∫0+∞e−x2dx⋅∫0+∞e−y2dyD={(x,y)∣x≥0,y≥0}=D∬e−(x2+y2)dxdyD={(r,θ)∣0≤e<+∞,0≤θ≤2π}=∫02πdθ∫0+∞re−r2dr=4π=2π" role="presentation" style="position: relative;"> 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 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
∫−∞+∞e−21y2dy,也可以套该式" role="presentation" style="position: relative;"> ∫ − ∞ + ∞ e − 1 2 y 2 d y
∫ − ∞ + ∞ 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∫−∞+∞e−21y2dy=2∫0+∞e−(2y)2dy=22∫0+∞e−(2y)2d(2y)=22⋅2π=2π" role="presentation" style="position: relative;"> ∫ − ∞ + ∞ 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
还有一个公式
∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! \int_{0}^{+\infty}x^{n}e^{-x}dx=n! ∫0+∞xne−xdx=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∫xne−xdx=−xne−x+n∫xn−1e−xdx=−xne−x−nxn−1e−x+n(n−1)∫xn−2e−xdx将分部积分步骤重复n次=−xne−x−nxn−1e−x−n(n−1)(n−2)e−x−⋯−n(n−1)(n−2)⋯2xe−x+n!∫e−xdx=−xne−x−nxn−1e−x−n(n−1)(n−2)e−x−⋯−n(n−1)(n−2)⋯2xe−x−n!e−x+C设f(x)=xn=−e−x[f(x)+f′(x)+⋯+f(n)(x)]+C" role="presentation" style="position: relative;"> ∫ 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
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+∞xne−xdx=u→+∞limxne−xdx=u→+∞lim[−e−x(xn+nxn−1+n(n−1)xn−2+⋯+n!x+n!)]∣ ∣0u=u→+∞lim−e−u(un+nun−1+n(n−1)un−2+⋯+n!u+n!)+n!" role="presentation" style="position: relative;"> ∫ 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 !
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 ∀n∈Nx→+∞limxne−x=0,故
∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! \int_{0}^{+\infty}x^{n}e^{-x}dx=n! ∫0+∞xne−xdx=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