求 Z=g(X,Y) 的分布是多维随机变量的核心技能。对于和、积、商等常见形式有专门的卷积公式;一般情形可用分布函数法或变量变换法。
离散型
对离散型 (X,Y),Z=g(X,Y) 的分布列为:
P(Z=z)=∑(x,y):g(x,y)=zP(X=x,Y=y)
直接合并所有映射到相同 z 值的 (x,y) 的概率。
连续型:分布函数法
FZ(z)=P(g(X,Y)≤z)=∬g(x,y)≤zf(x,y)dxdy
求导得密度:fZ(z)=FZ′(z)。
卷积公式(Z=X+Y)
当 X 与 Y 独立时:
fZ(z)=∫−∞∞fX(x)fY(z−x)dx=∫−∞∞fX(z−y)fY(y)dy
直观理解:固定 x,Y=z−x,遍历所有可能的 x 并加权。
卷积的应用
- 两个独立正态变量之和仍为正态:N(μ1,σ12)+N(μ2,σ22)=N(μ1+μ2,σ12+σ22)
- 两个独立泊松变量之和仍为泊松:P(λ1)+P(λ2)=P(λ1+λ2)
- 两个独立伽马变量(同尺度参数)之和:Γ(α1,λ)+Γ(α2,λ)=Γ(α1+α2,λ)
积与商的分布
设 X,Y 独立:
Z=XY(乘积):
fZ(z)=∫−∞∞∣x∣1fX(x)fY(xz)dx
Z=X/Y(商):
fZ(z)=∫−∞∞∣y∣fX(zy)fY(y)dy
变量变换法(雅可比行列式)
设变换 (X,Y)→(U,V),其中 U=g1(X,Y),V=g2(X,Y) 是一一变换。反解出 X=h1(U,V),Y=h2(U,V),则 (U,V) 的联合密度为:
fUV(u,v)=fXY(h1(u,v),h2(u,v))⋅∣J∣
其中 雅可比行列式:
J=det(∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y)
记忆:新密度 = 旧密度 × 雅可比行列式的绝对值。
举例:极坐标变换
X=RcosΘ,Y=RsinΘ,雅可比行列式 J=r(反变换的 ∣J∣=1/r):
fRΘ(r,θ)=fXY(rcosθ,rsinθ)⋅r
如 X,Y 独立标准正态,则 R=X2+Y2 服从瑞利分布。
最大值与最小值的分布
设 X1,…,Xn 独立同分布,分布函数为 F。
最大值
Fmax(z)=P(max≤z)=P(X1≤z,…,Xn≤z)=[F(z)]n
fmax(z)=n[F(z)]n−1f(z)
最小值
Fmin(z)=P(min≤z)=1−P(min>z)=1−[1−F(z)]n
fmin(z)=n[1−F(z)]n−1f(z)
次序统计量
第 k 个次序统计量 X(k) 的密度:
fX(k)(x)=(k−1)!(n−k)!n![F(x)]k−1[1−F(x)]n−kf(x)