随机变量与分布函数.ppt
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1、第三章第三章 随机变量与分布函数随机变量与分布函数随机变量及其分布随机变量及其分布一、随机变量的定义一、随机变量的定义 (1)掷一颗骰子,出现的点数 1,2,6.(2)n个产品中的不合格品个数0,1,2,n (3)某商场一天内来的顾客数0,1,2,(4)某种型号电视机的寿命:0,+)(1)掷一颗骰子,出现的点数 1,2,6.(2)n个产品中的不合格品个数0,1,2,n (3)某商场一天内来的顾客数0,1,2,(4)某种型号电视机的寿命:0,+)随机变量的定义随机变量的定义定义 设 =为某随机现象的样本空间,是定义于概率空间(,F,P)上的单值实函数,如果对直线上任何一个博雷尔点集B,有 F则称
2、 为随机变量,而 称为随机变量 的概率分布。.注 意 点(1)随机变量 是样本点的函数,其定义域为,其值域为R=(,)(2)若 为随机变量,则 均为随机事件.即若随机变量 可能取值的个数为有限个或 可列个,则称 为离散型随机变量.若随机变量 的可能取值充满某个区间 a,b,则称 为连续型随机变量.前例中的 ,为离散型随机变量;而 为连续型随机变量.两类随机变量定义 设 为一个随机变量,对任意实数 x,称 F(x)=P x 为 的分布函数.(distribution function)记为 随机变量的分布函数二、分布函数的性质二、分布函数的性质定理3.1.1 分布函数F(x)具有下列基本性质:(
3、1)F(x)单调不降;(2)有界:0F(x)1,F()=0,F(+)=1;(3)左连续:F(x-0)=F(x).注 意 点注意以下一些表达式:三、离散型随机变量三、离散型随机变量设离散随机变量 的可能取值为:x1,x2,xn,称 pi=P(=xi),i=1,2,为 的分布列.分布列也可用表格形式表示:x1 x2 xn P p1 p2 pn 分布列的基本性质 (1)pi 0,(2)(正则性)(非负性)注 意 点 对离散随机变量的分布函数应注意:(1)F(x)是递增的阶梯函数;(2)其间断点均为左连续的;(3)其间断点即为的可能取值点;(4)其间断点的跳跃高度是对应的概率值.x1x2xkPp1p2
4、pk一般,设离散型一般,设离散型.的分布律为:的分布律为:则则X的分布函数的分布函数 F(x)=P m+n|m)=P(n)几何分布巴斯卡分布(负二项分布)巴斯卡分布与几何分布的关系:为独立重复的伯努里试验中,“第 r 次成功”时的试验次数.为从第 i-1 次成功后算起,“首次成功”时的试验次数.四、连续型随机变量四、连续型随机变量连续随机变量的可能取值充满某个区间(a,b).因为对连续随机变量,有P(=x)=0,所以无法仿离散随机变量用 P(=x)来描述连续随机变量的分布.注意离散随机变量与连续随机变量的差别.定义设随机变量的分布函数为F(x),则称 为连续随机变量,若存在非负可积函数 p(x
5、),满足:称 p(x)为分布密度函数,(density function).密度函数的基本性质满足(1)(2)的函数都可以看成某个连续随机变量的分布密度函数.(非负性)(正则性)注意点(1)(2)F(x)是(,+)上的连续函数;(3)P(=x)=F(x+0)F(x)=0;注意点(1)(2)F(x)是(,+)上的连续函数;(3)P(=x)=F(x+0)F(x)=0;(4)Pab=Pa b =Pa b =Pa b =F(b)F(a).(5)当F(x)在x点可导时,f(x)=所以,概率为零的事件不一定是不可能事件!连续型1.密度函数 f(x)(不唯一)2.4.P(=a)=0离散型1.分布列:pn=P
6、(=xn)(唯一)2.F(x)=3.F(a+0)=F(a);P(a b)=F(b)F(a).4.点点计较5.F(x)为阶梯函数。5.F(x)为连续函数。F(a+0)=F(a).F(a+0)F(a).例设 求(1)常数 k.(2)F(x).常见连续性随机变量常见连续性随机变量1、均匀分布2、正态分布3、指数分布4、埃尔兰分布5、分布(一)均匀分布(一)均匀分布 U(a,b)实际背景实际背景:随机变量随机变量 X 仅在一个有限区间(仅在一个有限区间(a,ba,b)上取值;)上取值;随机变量随机变量 X在其内取值具有在其内取值具有“等可能等可能”性,则性,则 U(a,bU(a,b)。“等可能等可能”
7、表现在:表现在:若若acc+l b,则,则 Pc 3,则 P(A)=P(3)=2/3设 Y 表示三次独立观测中 A 出现的次数,则 Y B(3,2/3),所求概率为 P(Y2)=P(Y=2)+P(Y=3)=20/27例2记为 N(,2),其中 0,是任意实数.是位置参数.是尺度参数.(二)正态分布二)正态分布(normal distribution)yxO正态分布的性质(1)p(x)关于 是对称的.p(x)x0在 点 p(x)取得最大值.(2)若 固定,改变,(3)若 固定,改变,小大p(x)左右移动,形状保持不变.越大曲线越平坦;越小曲线越陡峭.p(x)x0 xx标准正态分布N(0,1)密度
8、函数记为(x),分布函数记为(x).(x)的计算(1)x 0 时,查标准正态分布函数表.(2)x 0时,用若 N(0,1),则 (1)P(a)=(a);(2)P(a)=1(a);(3)P(ab)=(b)(a);(4)若a 0,则 P(|a)=P(a1.96),P(|1.96)P(|1/2,所以 b 0,反查表得:(1.66)=0.9515,故 b而(a)=0.0495 1/2,所以 a 0,(a)=0.9505,反查表得:(1.65)=0.9505,故 a=例一般正态分布的标准化结论1 设 N(,2),则 N(0,1).结论2:若 N(,2),则若 N(,2),则 P(a)=设 N(10,4)
9、,求 P(1013),P(|10|2).解:P(1013)=(1.5)(0)=0.9332 P(|10|2)=P(8k=Pk,则 k=().3课堂练习(1)设 N(,42),N(,52),记 p1=P 4,p2=P+5,则()对任意的 ,都有 p1=p2 对任意的 ,都有 p1 p2课堂练习(2)设 N(,2),则随 的增大,概率 P|()单调增大 单调减少 保持不变 增减不定课堂练习(3)例例 假设在设计公共汽车车门的高度时,要假设在设计公共汽车车门的高度时,要求男子的碰头机会在求男子的碰头机会在1%1%以下,设男子的身以下,设男子的身高高(cm)服从正态分布,服从正态分布,N(170,36
10、),问,问车门高度至少应为多高车门高度至少应为多高?实际背景:实际背景:实际背景:实际背景:如果一个随机现象是由大量微小的相互独立的如果一个随机现象是由大量微小的相互独立的因素共同构成,那么描述这种随机现象的随机变量通常被因素共同构成,那么描述这种随机现象的随机变量通常被认为服从或近似服从正态分布认为服从或近似服从正态分布 在自然现象和社会现象中,大量随机变量都在自然现象和社会现象中,大量随机变量都在自然现象和社会现象中,大量随机变量都在自然现象和社会现象中,大量随机变量都服从服从服从服从或或或或近近近近似服从正态分布似服从正态分布似服从正态分布似服从正态分布。如如:测量误差;测量误差;在稳定
11、条件下产品的各种指标在稳定条件下产品的各种指标;某地区人的身高、体重;某地区人的身高、体重;大面积考试的分数等大面积考试的分数等思考:上述随机变量实际取值范围并不是(思考:上述随机变量实际取值范围并不是(思考:上述随机变量实际取值范围并不是(思考:上述随机变量实际取值范围并不是(-,+),但正态分布取值范围是),但正态分布取值范围是),但正态分布取值范围是),但正态分布取值范围是(-,+),),矛矛矛矛盾吗?盾吗?盾吗?盾吗?正态分布的 3 原则设 N(,2),则 P(|)=0.6828.P(|2)=0.9545.P(|0.指数分布具有指数分布具有无记忆性无记忆性:如果如果X X是某一元件的寿
12、命,已知元件已使用了是某一元件的寿命,已知元件已使用了 s s小时,它还能继续使用至少小时,它还能继续使用至少 t t小时的条件概率,与小时的条件概率,与从开始时算起至少能使用从开始时算起至少能使用 t t 小时的概率相等。小时的概率相等。即元件对它已使用过即元件对它已使用过s s小时无记忆。小时无记忆。例例1 1 机器里安装的某种元件,已知这种元件的使用寿命(年)服从参数为1/5的指数分布,1)计算一个元件使用8年后仍能正常工作的概率;2)一个元件已经使用了3年,求它还能再使用8年的概率。(四)埃尔兰分布(略)(四)埃尔兰分布(略)随机向量,随机变量的独立性定义 若1,2是两个定义在同一个样
13、本空间上的 随机变量,则称(1,2)是两维随机变量.同理可定义 n 维随机变量(随机向量).一、随机向量及其分布 定义 联合分布函数F(x,y)=P(1 x,2 y)为(1,2)的联合分布函数.(以下仅讨论两维随机变量)任对实数 x 和 y,称注意:F(x,y)为(1,2)落在点(x,y)的左下区域的概率.1 1 2 2x1x2(x1,x2)联合分布函数的基本性质(1)F(x,y)关于 x 和 y 分别单调增.(2)0 F(x,y)1,且F(,y)=F(x,)=0,F(+,+)=1.(3)F(x,y)关于 x 和 y 分别左连续.(4)当ab,cd 时,有F(b,d)F(b,c)F(a,d)+
14、F(a,c)0.注意:上式左边=P(a 1 1b,c 2 2 d).(单调性)(有界性)(左连续性)(非负性)二维离散随机向量 联合分布列若(1,2)的可能取值为有限对、或可列对,则称(1,2)为二维离散随机变量.二维离散分布的联合分布列称pij=P(1=xi,2=yj),i,j=1,2,.,为(1,2)的联合分布列,其表格形式如下:21y1 y2 yj x1x2xi p11 p12 p1j p21 p22 p2j pi1 pi2 pi j 联合分布列的基本性质(1)pij 0,i,j=1,2,(2)pij =1.(非负性)(正则性)确定联合分布列的方法(1)确定随机变量(1,2)的所有取值数
15、对.(2)计算取每个数值对的概率.(3)列出表格.例 将一枚均匀的硬币抛掷4次,1表示正面向上的次数,2表示反面朝上次数。求(1,2)的联合分布列.1 20 41 3 2 2 3 14 0P(1=0,2=4)=P(1=2,2=2)=1/4=6/16 P(1=3,2=1)=1/4 P(1=4,2 4=1/16P(1=1,2=3)=4=1/16解:概率非零的(1,2)可能取值对为:其对应的概率分别为:1 012342 0 1 2 3 4列表为:0 0 0 0 1/16 0 0 0 1/4 0 0 0 6/16 0 0 0 1/4 0 0 01/16 0 0 0 0例 设随机变量 N(0,1),解:
16、(1,2)的可能取值数对及相应的概率如下:P(1=0,2=0)=P(|1,|2)=P(|2)=2P(1=0,2=1)=P(|1,|2)=P(1|2)=2(2)(1)P(1=1,2=0)=P(|1,|2)=0P(1=1,2=1)=P(|1,|2)=P(|1)求 的联合分布列.列表为:1 0 12 0 1课堂练习设随机变量 在 1,2,3,4 四个整数中等可能地取值,另一个随机变量 在 1到X 中等可能地取一整数值。试求(,)的联合分布列.设二维随机变量(,)的分布函数为 F(x,y),若存在非负可积函数 p(x,y),使得(联合)密度函数则称(,)为二维连续型随机变量。称p(x,y)为(联合)密
17、度函数。联合密度函数的基本性质(1)p(x,y)0.(非负性)(2)注意:(正则性)一、多项分布常用多维分布 若每次试验有r 种结果:A1,A2,Ar记 P(Ai)=pi,i=1,2,r记 i 为 n 次独立重复试验中 Ai 出现的次数.则(1,2,r)的联合分布列为:二、多元超几何分布从中任取 n 只,记 i 为取出的n 只球中,第i 种球的只数.口袋中有 N 只球,分成 r 类。第 i 种球有 Ni 只,N1+N2+Nr=N.则(1,2,r)的联合分布列为:三、二维均匀分布若二维连续随机变量(,)的联合密度为:则称(,)服从 D 上的均匀分布,记为(,)U(D).其中SD为D的面积.四、二
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- 随机变量 分布 函数
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