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多维变量函数的分布

Z=g(X,Y)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)(X, Y)Z=g(X,Y)Z = g(X, Y) 的分布列为:

P(Z=z)=(x,y):g(x,y)=zP(X=x,Y=y)P(Z = z) = \sum_{(x, y): g(x, y) = z} P(X = x, Y = y)

直接合并所有映射到相同 zz 值的 (x,y)(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)dxdyF_Z(z) = P(g(X, Y) \leq z) = \iint_{g(x, y) \leq z} f(x, y)\,dx\,dy

求导得密度:fZ(z)=FZ(z)f_Z(z) = F_Z'(z)

卷积公式(Z=X+YZ = X + Y

XXYY 独立时:

fZ(z)=fX(x)fY(zx)dx=fX(zy)fY(y)dyf_Z(z) = \int_{-\infty}^{\infty} f_X(x) \, f_Y(z - x)\,dx = \int_{-\infty}^{\infty} f_X(z - y) \, f_Y(y)\,dy

直观理解:固定 xxY=zxY = z - x,遍历所有可能的 xx 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)N(\mu_1, \sigma_1^2) + N(\mu_2, \sigma_2^2) = N(\mu_1+\mu_2, \sigma_1^2+\sigma_2^2)
  • 两个独立泊松变量之和仍为泊松:P(λ1)+P(λ2)=P(λ1+λ2)P(\lambda_1) + P(\lambda_2) = P(\lambda_1+\lambda_2)
  • 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)\Gamma(\alpha_1, \lambda) + \Gamma(\alpha_2, \lambda) = \Gamma(\alpha_1+\alpha_2, \lambda)

积与商的分布

X,YX, Y 独立:

Z=XYZ = XY(乘积):

fZ(z)=1xfX(x)fY ⁣(zx)dxf_Z(z) = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{1}{|x|} f_X(x) \, f_Y\!\left(\frac{z}{x}\right) dx

Z=X/YZ = X / Y(商):

fZ(z)=yfX(zy)fY(y)dyf_Z(z) = \int_{-\infty}^{\infty} |y| \, f_X(zy) \, f_Y(y)\,dy

变量变换法(雅可比行列式)

设变换 (X,Y)(U,V)(X, Y) \to (U, V),其中 U=g1(X,Y),V=g2(X,Y)U = g_1(X, Y), V = g_2(X, Y) 是一一变换。反解出 X=h1(U,V),Y=h2(U,V)X = h_1(U, V), Y = h_2(U, V),则 (U,V)(U, V) 的联合密度为:

fUV(u,v)=fXY(h1(u,v),h2(u,v))Jf_{UV}(u, v) = f_{XY}(h_1(u, v), h_2(u, v)) \cdot |J|

其中 雅可比行列式

J=det ⁣(xuxvyuyv)J = \det\!\begin{pmatrix} \frac{\partial x}{\partial u} & \frac{\partial x}{\partial v} \\[2pt] \frac{\partial y}{\partial u} & \frac{\partial y}{\partial v} \end{pmatrix}

记忆:新密度 = 旧密度 ×\times 雅可比行列式的绝对值。

举例:极坐标变换

X=RcosΘ,Y=RsinΘX = R\cos\Theta, Y = R\sin\Theta,雅可比行列式 J=rJ = r(反变换的 J=1/r|J| = 1/r):

fRΘ(r,θ)=fXY(rcosθ,rsinθ)rf_{R\Theta}(r, \theta) = f_{XY}(r\cos\theta, r\sin\theta) \cdot r

X,YX, Y 独立标准正态,则 R=X2+Y2R = \sqrt{X^2 + Y^2} 服从瑞利分布。

最大值与最小值的分布

X1,,XnX_1, \ldots, X_n 独立同分布,分布函数为 FF

最大值

Fmax(z)=P(maxz)=P(X1z,,Xnz)=[F(z)]nF_{\max}(z) = P(\max \leq z) = P(X_1 \leq z, \ldots, X_n \leq z) = [F(z)]^n

fmax(z)=n[F(z)]n1f(z)f_{\max}(z) = n [F(z)]^{n-1} f(z)

最小值

Fmin(z)=P(minz)=1P(min>z)=1[1F(z)]nF_{\min}(z) = P(\min \leq z) = 1 - P(\min > z) = 1 - [1 - F(z)]^n

fmin(z)=n[1F(z)]n1f(z)f_{\min}(z) = n [1 - F(z)]^{n-1} f(z)

次序统计量

kk 个次序统计量 X(k)X_{(k)} 的密度:

fX(k)(x)=n!(k1)!(nk)![F(x)]k1[1F(x)]nkf(x)f_{X_{(k)}}(x) = \frac{n!}{(k-1)!(n-k)!} [F(x)]^{k-1} [1-F(x)]^{n-k} f(x)