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第二章概率空间
2.1概率空间与随机变量
1、域
定义2-1
若是中一些字集组成的集类,且满足:
(1);
(2)若,则;
(3)若,则,
则称为上的一个域或代数。并称二元组为可测空间。
注:设是某一随机试验的基本事件空间或样本空间,中的元素就是描述该试验的基本事件,即试验的可能结果。样本空间的子集称为事件。
2、定理2-1
设是中一些子集组成的集类,则存在唯一的的代数,它包含而且被包含的任一代数所包含。称为由生成的代数,或包含的最小代数。
3、Borel集
设,则集类
是的子集类,式中的,。则域称为d维Borel域(代数),其元素称为Borel集。
3、概率空间
对于可测空间,在上定义一个非负集函数,以度量中事件发生可能性大小,它满足
非负性:,对于任何事件;
规范性:;
可列可加性:若,且两两不交,则
称为事件A的概率,称为概率空间。
4、随机变量
设是一可测空间,若函数使得对任意,有
则称函数是关于(或上)的可测函数。在概率空间上定义的可测函数称为随机变量。
5、分布函数
设是定义在上的一个随机变量,令
,
称为随机变量的分布函数。
6、定义2-2
设是概率空间上的一个随机变量,对Borel集B,定义
把称为的分布。
7、两个重要的离散型分布
(1)二项分布
设,若的分布为
称随机变量服从参数为的二项分布。
(2)泊松分布
设,若的分布为
称随机变量服从参数为的泊松分布。
8、三个重要的连续型分布
(1)均匀分布
如果连续型随机变量的分布密度为
则称在区间上服从均匀分布,记为。
(2)指数分布
如果连续型随机变量的分布密度为
则称服从参数为的指数分布。
注:指数分布具有无记忆性,即若服从指数分布,则对于任意,有
。反过来,如果一个非负连续型随机变量
的分布函数具有无记忆性,则它一定是指数分布。
(3)正态分布
如果连续型随机变量的分布密度为
式中,,则称服从参数为的正态分布或高斯分布,记为。
2.2随机变量的数字特征
1、离散型随机变量数字特征
设离散型随机变量的分布率为,则
称为随机变量数学期望或均值。
令
称为随机变量的方差。
令
称为随机变量的阶矩。
令
称为函数的数学期望。
2、连续型随机变量数字特征
设连续型随机变量的分布密度为,则
称为随机变量数学期望或均值。
令
称为随机变量的方差。
令
称为随机变量的阶矩。
令
称为函数的数学期望。
注:数学期望反映了随机变量取值的平均水平。方差和标准方差体现了随机变量与期望值得偏离程度。
3、Chebyshev不等式
设随机变量的均值为,方差为,则对于任意,不等式
称为切比雪夫(Chebyshev)不等式。
2.3随机向量及其联合分布
1、n维随机变量及其数学特征
设,如果其中每一个分量是一维的、取值为实数的随机变量,则称为n维随机向量。
定义2-2
设为n维随机向量,则的联合概率分布定义为
其中x。又简称为的分布函数。
设x为上非负可积函数,使得对任意,有
则称为连续型随机变量,为的联合概率密度。
设为随机变量的概率密度,那么其中任意分量组
都存在概率密度,把它们称为的边缘密度。
随机变量的协方差定义为
随机变量的相关系数定义为
随机变量的数学期望定义为
随机变量的协方差矩阵定义为
其中,
2、随机事件独立和相关的定义
定义2-4
随机变量称为是相互独立的,如果有
即事件与是互相独立的。
定义2-5
如果随机变量,对于任意
,满足
则称随机变量是相互独立的,即事件是相互独立的。
3、相互独立的随机变量的性质
定理2-3
如果相互独立且它们的数学期望存在,则对于任何实函数
,有
定理2-4
设为n维随机向量,设为其概率密度函数。现有n元函数,且存在唯一反函数
。如果有连续偏导数,则由分量
所给定的n维随机向量的概率密度函数为
其中,。而且J为坐标变换的雅可比矩阵
为坐标变换的雅可比行列式。
2.4条件数学期望
1、离散型随机变量的条件数学期望
设为离散型随机变量,对一切使成立的,给定时,随机变量的条件分布函数定义为
设随机变量可能的取值为,离散型条件数学期望定义为
2、连续型随机变量的条件数学期望
设为连续型随机变量,对一切使成立的,给定时,随机变量的条件概率密度定义为
给定时,随机变量的条件分布函数定义为
连续型条件数学期望定义为
2.5矩母函数和特征函数
1、矩母函数
定义2-6
设是上实随机变量,的矩母函数(概率母函数)定义为:对于任意,
2、特征函数
定义2-7
设是上实随机变量,的特征函数定义为:对于任意,
式中,i是虚数单位,
3、特征函数性质
(1),对任意;
(2)在上一致连续,即当时,有
(3),对任意;
(4),对任意;
(
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