参考skyking-pia的概率论与数理统计复习与浙大概统教材整理。

注意:

  • 笔记内容和浙大教材略有出入,比如 α\alpha 分位数的概念浙大版没怎么提,定义置信区间时用的符号略有差别。
  • 最后一章(假设检验)内容没有整理,见于概统公式表
  • 文中公式均可复制,复制内容是对应的 LaTeX\LaTeX 公式。

概率论的基本概念

加法公式

P(A1∪A2)=P(A1)+P(A2)−P(A1A2)P(A1∪A2∪A3)=P(A1)+P(A2)+P(A3)−P(A1A2)−P(A1A3)−P(A2A3)+P(A1A2A3)P(⋃i=1nAi)=∑i=1nP(Ai)−∑i<jP(AiAj)+∑i<j<kP(AiAjAk)+⋯+(−1)n−1P(A1A2⋯An)\begin{aligned} &P(A_1 \cup A_2)&=&P(A_1)+P(A_2)-P(A_1 A_2) \\ &P(A_1 \cup A_2 \cup A_3)&=&P(A_1)+P(A_2)+P(A_3)-P(A_1 A_2)-P(A_1 A_3)-P(A_2 A_3)+P(A_1 A_2 A_3) \\ &P(\bigcup_{i=1}^n A_i)&=&\sum_{i=1}^n P(A_i)-\sum_{i < j} P(A_i A_j)+\sum_{i<j<k} P(A_i A_j A_k)+\cdots+(-1)^{n-1} P(A_1 A_2 \cdots A_n) \\ \end{aligned}

条件概率

P(B∣A)=P(AB)P(A)P(AB)=P(B)P(A∣B)=P(A)P(B∣A)P(A1A2⋯An)=P(A1)P(A1∣A2)P(A3∣A1A2)⋯P(An∣A1A2⋯An−1)\begin{aligned} &P(B \mid A)&=&\frac{P(A B)}{P(A)} \\ &P(A B)&=&P(B) P(A \mid B)\\ &&=&P(A) P(B \mid A) \\ &P(A_1 A_2 \cdots A_n)&=&P(A_1) P(A_1 \mid A_2) P(A_3 \mid A_1 A_2) \cdots P(A_n \mid A_1 A_2 \cdots A_{n-1}) \\ \end{aligned}

全概率公式

P(A)=P(AB)+P(AB‾)=P(B)P(A∣B)+P(B‾)P(A∣B‾)P(A)=∑j=1nP(Bj)P(A∣Bj)\begin{aligned} &P(A)&=& P(A B)+P(A \overline{B}) \\ &&=&P(B) P(A \mid B)+P(\overline{B}) P(A \mid \overline{B}) \\ &P(A)&=& \sum_{j=1}^n P(B_j) P(A \mid B_j) \\ \end{aligned}

贝叶斯公式

P(B∣A)=P(AB)P(A)=P(B)P(A∣B)P(B)P(A∣B)+P(B‾)P(A∣B‾)P(Bi∣A)=P(ABi)P(A)=P(Bi)P(ABi)∑j=1nP(Bj)P(A∣Bj)\begin{aligned} &P(B \mid A)&=&\frac{P(AB)}{P(A)} \\ &&=&\frac{P(B) P(A \mid B)}{P(B) P(A \mid B)+P(\overline{B}) P(A \mid \overline{B})}\\ &P(B_i \mid A)&=&\frac{P(A B_i)}{P(A)} \\ &&=&\frac{P(B_i) P(A B_i)}{\sum_{j=1}^n P(B_j) P(A \mid B_j)} \end{aligned}

事件运算

A(B∪C)=AB∪AA∪BC=(A∪B)(A∪C)A∪B‾=A‾∩B‾A∩B‾=A‾∪B‾A−B=AB‾\begin{aligned} &A(B \cup C) &=& A B \cup A \\ &A \cup B C &=& (A \cup B)(A \cup C)\\ &\overline{A \cup B} &=& \overline{A} \cap \overline{B}\\ &\overline{A \cap B} &=& \overline{A} \cup \overline{B}\\ &A-B &=& A \overline{B} \\ \end{aligned}

随机变量及其概率分布

概率密度

F(x)=∫−∞xf(t)dtF(x)=\int_{-\infty}^x f(t) d t

1=∫−∞+∞f(x)dx1=\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) d x

有对数集 AA, 使得

P(x∈A)=∫Af(x)dxP(x \in A)=\int_A f(x) d x

常见离散随机变量的分布、期望与方差

(0−1)(0-1) 分布

X∼0−1(p)X \sim 0-1(p)

P(X=k)=pk(1−p)n−kP(X=k)=p^k(1-p)^{n-k}

E(X)=pD(X)=p(1−p)E(X)=p \\ D(X)=p(1-p)

二项分布

X∼B(n,p)X \sim B(n, p)

P(X=k)=Cnk⋅pk⋅(1−p)n−kP(X=k)=C_n^k \cdot p^k \cdot(1-p)^{n-k}

E(X)=npD(X)=np(1−p)E(X)=n p \\ D(X)=n p(1-p)

泊松分布

X∼P(λ)X \sim P(\lambda)

P(X=k)=λke−λk!k=0,1,2,⋯P(X=k)=\frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k !} \hspace{2em} k=0,1,2, \cdots

E(X)=λD(X)=λE(X)=\lambda \\ D(X)=\lambda

超几何分布

X∼H(N,M,n)X \sim H(N, M, n)

P(X=k)=CULkCN−Mn−kCNN−MP(X=k)=\frac{C_{U L}^k C_{N-M}^{n-k}}{C_N^{N-M}}

E(X)=nMND(X)=nM(N−M)(N−n)N2(N−1)E(X)=n \frac{M}{N} \\ D(X)=n \frac{M(N-M)(N-n)}{N^2(N-1)}

几何分布

X∼G(p)X \sim G(p)

P(X=k)=(1−p)k−1pP(X=k)=(1-p)^{k-1} p

E(X)=1pD(X)=1−pp2E(X)=\frac{1}{p} \\ D(X)=\frac{1-p}{p^2}

连续随机变量的分布、期望与方差

正态分布

X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2)

f(x)=12πσe−(x−μ)22σ2f(x)=\frac{1}{\sqrt{2 \pi} \sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2 \sigma^2}}

E(X)=μD(X)=σ2E(X)=\mu \\ D(X)=\sigma^2

化为标准正态分布:

Y=X−μσ∼N(0,1)Y=\frac{X-\mu}{\sigma} \sim N(0,1)

指数分布

X∼E(λ)X \sim E(\lambda)

f(x)=λe−λxx⩾0f(x)=\lambda e^{-\lambda x} \hspace{2em} x \geqslant 0

F(x)=1−e−λxx⩾0F(x)=1-e^{-\lambda x} \hspace{2em} x \geqslant 0

E(X)=1μD(X)=1λ2E(X)=\frac{1}{\mu} \\ D(X)=\frac{1}{\lambda^2}

威布尔分布

X∼W(X)X \sim W(X)

f(x)=λαxα−1e−λxαx>0f(x)=\lambda \alpha x^{\alpha-1} e^{-\lambda x^{\alpha}} \hspace{2em} x>0

F(x)=1−e−λxαx>0F(x)=1-e^{-\lambda x^{\alpha}} \hspace{2em} x>0

均匀分布

X∼U(a,b)X \sim U(a, b)

f(x)=1b−aa⩽x<bf(x)=\frac{1}{b-a} \hspace{2em} a \leqslant x<b

F(x)={0,x⩽a(x−a)(b−a),a<x<b1,x⩾bF(x)=\begin{cases}0 &, x \leqslant a \\ \frac{(x-a)}{(b-a)} &, a<x<b \\ 1&, x \geqslant b\end{cases}

E(X)=a+b2D(X)=(b−a)212E(X)=\frac{a+b}{2} \\ D(X)=\frac{(b-a)^2}{12}

伽马分布

Γ(α)=∫0∞xα−1e−x dxα>0\Gamma(\alpha)=\int_0^{\infty} x^{\alpha-1} e^{-x} ~d x \hspace{2em} \alpha>0

X∼Γ(α,β)X \sim \Gamma(\alpha, \beta)

f(x)=βαΓ(α)xα−1e−βxx⩾0f(x)=\frac{\beta^{\alpha}}{\Gamma(\alpha)} x^{\alpha-1} e^{-\beta x} \hspace{2em} x \geqslant 0

E(X)=αβD(X)=αβ2E(X)=\frac{\alpha}{\beta} \\ D(X)=\frac{\alpha}{\beta^2}

对数正态分布

ln⁡X∼N(μ,σ)\ln X \sim N(\mu, \sigma)

f(x)=1xσ2πe−(ln⁡x−μ)22σ2f(x)=\frac{1}{x \sigma \sqrt{2 \pi}} e^{-\frac{(\ln x-\mu)^2}{2 \sigma^2}}

E(X)=eμ+σ22D(X)=(eσ2−1)e2μ+σ2E(X)=e^{\mu+\frac{\sigma^2}{2}} \\ D(X)=(e^{\sigma^2}-1) e^{2 \mu+\sigma^2}

随机变量函数的概率密度

若有 Y=g(x)Y=g(x), 使 g′(x)>0g^{\prime}(x)>0 或 g′(x)<0g^{\prime}(x)<0

则有

fY(y)=fX(h(y))⋅∣h′(y)∣f_Y(y)=f_X(h(y)) \cdot|h^{\prime}(y)|

α<y<β\alpha<y<\beta

其中 h(y)h(y) 是 g(x)g(x) 的反函数, 即 h(y)=g−1(x)h(y)=g^{-1}(x)

随机向量及其概率分布

分布函数

联合分布函数

对于随机向量 (X,Y)(X, Y), 称 F(x,y)=P(X⩽x,Y⩽y)F(x, y)=P(X \leqslant x, Y \leqslant y) 为 (X,Y)(X, Y) 的联合分布函数

联合分布函数是 xx, yy 的单调不减函数

边缘分布函数

当 F(x,y)F(x, y) 是 (X,Y)(X, Y) 的联合分布函数时, 由于 {Y⩽∞},{X⩽∞}\{Y \leqslant \infty\},\{X \leqslant \infty\} 是必然事件, 所以对于 X,YX, Y 来说, 有概率分布

FX(x)=P(X⩽x,Y⩽∞)=F(x,∞)F_X(x)=P(X \leqslant x, Y \leqslant \infty)=F(x, \infty)

FY(y)=P(X⩽∞,Y⩽y)=F(∞,y)F_Y(y)=P(X \leqslant \infty, Y \leqslant y)=F(\infty, y)

此时称 FX(x),FY(y)F_X(x), F_Y(y) 为 (X,Y)(X, Y) 的边缘分布函数

独立性

X,YX, Y 相互独立的充要条件是对任何 x,yx,y 都有 F(x,y)=FX(x)FY(y)F(x, y)=F_X(x) F_Y(y) , 该定理可推广至任意多个随机变量

当 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 相互独立时, 有以下定理成立

  1. Y1=g1(X1),Y2=g2(X2),⋯ ,Yn=gn(Xn)Y_1=g_1(X_1), Y_2=g_2(X_2), \cdots, Y_n=g_n(X_n) 相互独立
  2. 对于 k 元函数 g(x1,x2,⋯ ,xk)g(x_1, x_2, \cdots, x_k) ,定义 Zk=g(X1,X2,⋯ ,Xk)Z_k=g(X_1, X_2, \cdots, X_k) ,则 Zk,Xk+1,⋯ ,XnZ_k, X_{k+1}, \cdots, X_n 相互独立

密度函数

联合密度函数

设 (X,Y)(X, Y) 是随机向量, 如果有 R2\mathbb{R}^2 上的非负函数 f(x,y)f(x, y) 使得 R2\mathbb{R}^2 的任何长方形子集

D={(x,y)∣a<x⩽b,c<y}D=\{(x, y) \mid a<x \leqslant b, c<y\}

有

P((X,Y)∈D)=∬Df(x,y)dx dyP((X, Y) \in D)=\iint_D f(x, y) d x ~d y

则称, (X,Y)(X, Y) 是连续型随机变量, 并称 f(x,y)f(x, y) 是 (X,Y)(X, Y) 的联合概率密度或联合密度(joint density)

边缘密度函数

如果 f(x,y)f(x, y) 是随机向量 (X,Y)(X, Y) 的联合密度, 则称 X,YX, Y 各自的概率密度为 f(x,y)f(x, y) 或 (X,Y)(X, Y) 的边缘密度(marginal density)

由定义与随机向量中变量关系可得:

fX(x)=∫−∞∞f(x,y)dyf_X(x)=\int_{-\infty}^{\infty} f(x, y) d y

fY(y)=∫−∞∞f(x,y)dxf_Y(y)=\int_{-\infty}^{\infty} f(x, y) d x

独立性

设 X,YX, Y 分别有概率密度 fX(x),fY(y)f_X(x), f_Y(y) , 则 X,YX,Y 独立的充分必要条件是随机向量 (X,Y)(X,Y) 有联合密度

f(x,y)=fX(x)fY(y)f(x, y)=f_X(x) f_Y(y)

若已知 X,YX,Y 独立, 则已知 X=xX = x 时, YY 的取值范围与 xx 无关

若连续型随机向量 (X1,X2,⋯ ,Xn)(X_1, X_2, \cdots, X_n) 的概率密度函数 f(x1,⋯ ,xn)f(x_1, \cdots, x_n) 可表示 nn 个函数 (g1,⋯ ,gn)(g_1, \cdots, g_n) 之积, 其中 gig_i 只依赖于 xix_i , 即

f(x1,⋯ ,xn)=g1(x1)⋯gn(xn)f(x_1, \cdots, x_n)=g_1(x_1) \cdots g_n(x_n)

则 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 互相独立, 且 XiX_i 的边缘密度函数 fi(xi)f_i(x_i) 与 gi(xi)g_i(x_i) 只相差一个常数因子

随机向量函数的分布函数与概率密度函数

离散型随机向量的函数

泊松分布具有可加性: 如果 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 相互独立, Xi∼P(λi)X_i \sim P(\lambda_i) , 则

Zn=X1+X2+⋯+Xn∼P(λ1+λ2+⋯+λn)Z_n=X_1+X_2+\cdots+X_n \sim P(\lambda_1+\lambda_2+\cdots+\lambda_n)

二项分布具有可加性: 如果 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 相互独立, Xi∼B(mi,p)X_i \sim B(m_i, p) , 则

Zn=X1+X2+⋯+Xn∼P(m1+m2+⋯+mn,p)Z_n=X_1+X_2+\cdots+X_n \sim P(m_1+m_2+\cdots+m_n, p)

正态分布具有可加性: 如果 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 相互独立, Xi∼N(μi,σi)X_i \sim N(\mu_i, \sigma_i) , 则

Zn=c0±c1X1±c2X2±⋯±cnXn∼N(c0±c1μ1±⋯±cnμn,c12σ12+c22σ22+⋯+cn2σn2)Z_n=c_0 \pm c_1 X_1 \pm c_2 X_2 \pm \cdots \pm c_n X_n \\ \sim N(c_0 \pm c_1 \mu_1 \pm \cdots \pm c_n \mu_n, c_1^2 \sigma_1^2+c_2^2 \sigma_2^2+\cdots+c_n^2 \sigma_n^2)

连续性随机向量的函数

加法

设 (X,Y)(X,Y) 有联合密度 f(x,y)f(x,y) , 则 U=X+YU = X + Y 有概率密度

fU(u)=∫−∞∞f(x,u−x)dx=∫−∞∞f(u−y,y)dyf_U(u)=\int_{-\infty}^{\infty} f(x, u-x) d x=\int_{-\infty}^{\infty} f(u-y, y) d y

当 X,YX,Y 独立时

fU(u)=∫−∞∞fX(x)fY(u−x)dx=∫−∞∞fX(u−y)fY(y)dyf_U(u)=\int_{-\infty}^{\infty} f_X(x) f_Y(u-x) d x=\int_{-\infty}^{\infty} f_X(u-y) f_Y(y) d y

减法

设 (X,Y)(X,Y) 有联合密度 f(x,y)f(x,y) , 则 V=X−YV = X - Y 有概率密度

fV(v)=∫−∞∞f(x,x−v)dx=∫−∞∞f(v+y,y)dyf_V(v)=\int_{-\infty}^{\infty} f(x, x-v) d x=\int_{-\infty}^{\infty} f(v+y, y) d y

当 X,YX,Y 独立时

fV(v)=∫−∞∞fX(x)fY(x−v)dx=∫−∞∞fX(v+y)fY(y)dyf_V(v)=\int_{-\infty}^{\infty} f_X(x) f_Y(x-v) d x=\int_{-\infty}^{\infty} f_X(v+y) f_Y(y) d y

最值

最大值: 设 (X,Y)(X,Y) 有联合密度 f(x,y)f(x,y) , 则 Z=max(X,Y)Z = max(X,Y) 有概率密度

fmax⁡(z)=fX(z)fY(z)f_{\max }(z)=f_X(z) f_Y(z)

最小值: 设 (X,Y)(X,Y) 有联合密度 f(x,y)f(x,y) , 则 Z=min(X,Y)Z = min(X,Y) 有概率密度

fmin⁡(z)=1−(1−fX(z))(1−fY(z))f_{\min }(z)=1-(1-f_X(z))(1-f_Y(z))

随机向量函数的联合概率密度

如果 x=x(u,v),y=y(u,v)x=x(u, v), y=y(u, v) , 在平面的开集D中有连续的偏导数, 且雅克比行列式为

J=∂(x,y)∂(u,v)=∣∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∣≠0J=\frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)}=\begin{vmatrix}\frac{\partial x}{\partial u} & \frac{\partial x}{\partial v} \\ \frac{\partial y}{\partial u} & \frac{\partial y}{\partial v}\end{vmatrix} \neq 0

则有

dx dy=∣∂(x,y)∂(u,v)∣du dv=∣J∣du dvd x ~d y=|\frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)}| d u ~d v=|J| d u ~d v

u,v∈Du, v \in D

其中 ∣J∣|J| 是 JJ 的绝对值

然后利用

g(u,v)=f(x(u,v),y(u,v))∣J∣g(u, v)=f(x(u, v), y(u, v))|J|

得到随机向量 (X,Y)(X,Y) 的联合密度

条件概率密度

fX∣Y(x∣y)=f(x,y)fY(y)f_{X \mid Y}(x \mid y)=\frac{f(x, y)}{f_Y(y)}

因此, X,YX,Y 独立的充要条件是 fX∣Y(x∣y)=fX(x)f_{X \mid Y}(x \mid y)=f_X(x)

随机变量的数字特征

期望

定义

离散型:

E(X)=∑k=1+∞xk⋅pkE(X)=\sum_{k=1}^{+\infty} x_k \cdot p_k

连续型:

E(X)=∫−∞+∞x⋅f(x)dxE(X)=\int_{-\infty}^{+\infty} x \cdot f(x) d x

Y=g(X)Y = g(X)

离散型:

E(Y)=E[g(X)]=∑k=1∞g(xk)⋅pkE(Y)=E[g(X)]=\sum_{k=1}^{\infty} g(x_k) \cdot p_k

连续型:

E(Y)=E[g(X)]=∫−∞+∞g(x)f(x)dxE(Y)=E[g(X)]=\int_{-\infty}^{+\infty} g(x) f(x) d x

Z=h(X,Y)Z = h(X,Y)

离散型:

E(Z)=E[h(X,Y)]=∑i=1∞∑j=1∞h(xi,yj)⋅pijE(Z)=E[h(X, Y)]=\sum_{i=1}^{\infty} \sum_{j=1}^{\infty} h(x_i, y_j) \cdot p_{i j}

连续型:

E(Z)=E[h(X,Y)]=∫−∞+∞∫−∞+∞h(x,y)f(x,y)dx dyE(Z)=E[h(X, Y)]=\int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} h(x, y) f(x, y) d x ~d y

性质

  1. 线性组合 Y=c0+c1X1+c2X2+⋯+cnXnY=c_0+c_1 X_1+c_2 X_2+\cdots+c_n X_n 的期望存在, 且 E(c0+c1X1+c2X2+⋯+cnXn)=c0+c1E(X1)+c2E(c_0+c_1 X_1+c_2 X_2+\cdots+c_n X_n)=c_0+c_1 E(X_1)+c_2
  2. 若 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 相互独立, 那么乘积 Z=X1X2⋯XnZ=X_1 X_2 \cdots X_n 的期望存在, 且 E(X1X2⋯Xn)=E(X1)E(X2)⋯E(Xn)E(X_1 X_2 \cdots X_n)=E(X_1) E(X_2) \cdots E(X_n)
  3. E(X‾)=μE(\overline{X})=\mu

方差

定义

  1. 基本:

    D(X)=E((X−μ)2)=E(X2)−μ2=E(X2)−(E(X))2D(X)=E((X-\mu)^2)=E(X^2)-\mu^2=E(X^2)-(E(X))^2

  2. 离散型:

    D(X)=∑i=1+∞[xi−E(X)]2piD(X)=\sum_{i=1}^{+\infty}[x_i-E(X)]^2 p_i

  3. 连续型:

    D(X)=∫−∞+∞[x−E(X)]2f(x)dxD(X)=\int_{-\infty}^{+\infty}[x-E(X)]^2f(x)dx

性质

  1. Var(X)=EX2−(EX)2⩾0⇒Var(X)⩽EX2Var(X)=E_X^2-(E_X)^2 \geqslant 0 \Rightarrow Var(X) \leqslant E_X^2

  2. Var(cX)=c2Var(X)Var(c X)=c^2 Var(X)

  3. Var(X)⩽E(X−c)2Var(X) \leqslant E(X-c)^2, 当且仅当 c=EXc=E_X 时等号成立

  4. Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)+2⋅Cov(X,Y)Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)+2 \cdot Cov(X, Y)

  5. Var(X−Y)=Var(X)+Var(Y)−2⋅Cov(X,Y)Var(X-Y)=Var(X)+Var(Y)-2 \cdot Cov(X, Y)

  6. 若 X,YX, Y 相互独立, a,ba, b 为常数, 那么有

    Var(aX+bY)=a2Var(X)+b2Var(Y)Var(a X+b Y)=a^2 Var(X)+b^2 Var(Y)

  7. Var(X‾)=σ2nVar(\overline{X})=\frac{\sigma^2}{n}

  8. Var(XY)=Var(X)Var(Y)+Var(X)(EY)2+Var(Y)(EX)2Var(X Y)=Var(X) Var(Y)+Var(X)(E_Y)^2+Var(Y)(E_X)^2

标准化

我们称

X∗=X−EXVar(X)X^*=\frac{X-E_X}{\sqrt{Var(X)}}

为 XX 的标注化随机变量, 易得 EX∗=0,Var(X∗)=1E_X^*=0, Var(X^*)=1

矩

定义

设 XX 为随机变量, cc 为常数, rr 为正整数, 则 E[(X−c)2]E[(X-c)^2] 称为 XX 关于 cc 点的 rr 阶矩

原点矩与中心距

c=0c=0 , 此时 αk=EXr\alpha_k=E_X^r 称为 XX 的 rr 阶原点矩

c=EXc=E_X , 此时 μk=E[(X−EX)r]\mu_k=E[(X-E_X)^r] 称为 XX 的 rr 阶中心矩

协方差与相关性

协方差定义

Cov(X,Y)=E{[X−E(X)][Y−E(Y)]}Cov(X, Y)=E\{[X-E(X)][Y-E(Y)]\}

称为 X,YX, Y 的协方差, 其中 CovCov 是英文单词 Covariance 的缩写

协方差性质

  1. Cov(X,Y)=Cov(Y,X)Cov(X, Y)=Cov(Y, X)
  2. Cov(X,X)=Var(X)Cov(X, X)=Var(X)
  3. Cov(X,Y)=E(XY)−E(X)E(Y)Cov(X, Y)=E(X Y)-E(X) E(Y), 所以当 X,YX, Y 相互独立时, 协方差为 0
  4. Cov(X1+X2,Y)=Cov(X1,Y)+Cov(X2,Y)Cov(X_1+X_2, Y)=Cov(X_1, Y)+Cov(X_2, Y)
  5. Cov(aX,bY)=ab⋅Cov(X,Y)Cov(a X, b Y)=a b \cdot Cov(X, Y)

相关系数定义

设 X,YX, Y 是随机变量, 则称

ρXY=Cov(X,Y)Var(X)Var(Y)\rho_{X Y}=\frac{Cov(X, Y)}{\sqrt{Var(X) Var(Y)}}

为 X,YX,Y 的相关系数

相关系数性质

  • 当 ρXY=0\rho_{X Y}=0 时, 称 X,YX, Y 不(线性)相关
  • ρXY=Cov(X∗,Y∗)\rho_{X Y}=Cov(X^*, Y^*) , 因此可以将相关系数视为标准尺度下的协方差
  • ∣ρXY∣⩽1|\rho_{X Y}| \leqslant 1 , 等号成立当且仅当 X,YX, Y 之间存在严格的线性关系, 即
    • ρXY=1\rho_{X Y}=1 , 则存在 a>0,b∈Ra>0, b \in \mathbb{R} 使得 X=aY+bX=a Y+b (正相关)
    • ρXY=−1\rho_{X Y}=-1 , 则存在 a<0,b∈Ra<0, b \in \mathbb{R} 使得 X=aY+bX=a Y+b (负相关)

不相关与独立

不相关:

  • ρXY=0\rho_{X Y}=0

独立:

  • P(X=xi,Y=yj)=P(X=xi)P(Y=yj)P(X=x_i, Y=y_j)=P(X=x_i) P(Y=y_j)
  • f(x,y)=fX(x)fY(y)f(x, y)=f_X(x) f_Y(y)

因此对随机变量 X,Y , 如果 X,Y 相互独立, 那么他们一定不相关, 但如果他们不相关却未必相互独立.

大数定律与中心极限定理

切比雪夫不等式

∀ε>0,P{∣X−μ∣⩾ε}<σ2ε2\forall \varepsilon>0, P\{|X-\mu| \geqslant \varepsilon\}<\frac{\sigma^2}{\varepsilon^2}

伯努利大数定律

lim⁡n→+∞P{∣nAn−p∣⩾ε}=0\lim _{n \to+\infty} P\{|\frac{n_A}{n}-p| \geqslant \varepsilon\}=0

独立同分布的中心极限定理

设 X1,X2,⋯ ,Xn,⋯X_1, X_2, \cdots, X_n, \cdots 相互独立且同分布, E(Xi)=μ,D(Xi)=σ2,i=1,2,⋯E(X_i)=\mu, D(X_i)=\sigma^2, i=1,2, \cdots , 则对于充分大的 nn 有

∑i=1nXi→dN(nμ,nσ2)\sum_{i=1}^n X_i \to^d N(n \mu, n \sigma^2)

X1+⋯+Xn−nμnσ→dN(0,1)\frac{X_1+\cdots+X_n-n \mu}{\sqrt{n} \sigma} \to^d N(0,1)

lim⁡n→∞P(X1+⋯+Xn−nμnσ⩽x)=Φ(x)\lim _{n \to \infty} P(\frac{X_1+\cdots+X_n-n \mu}{\sqrt{n} \sigma} \leqslant x)=\Phi(x)

德莫弗-拉普拉斯定理

即二项分布可以用正态分布逼近:

nA→dN(np,np(1−p))n_A \to^d N(n p, n p(1-p))

X1+⋯+Xn−npnp(1−p)→dN(0,1)\frac{X_1+\cdots+X_n-n p}{\sqrt{n p(1-p)}} \to^d N(0,1)

lim⁡n→∞P(X1+⋯+Xn−npnp(1−p)⩽x)=Φ(x)\lim _{n \to \infty} P(\frac{X_1+\cdots+X_n-n p}{\sqrt{n p(1-p)}} \leqslant x)=\Phi(x)

统计分布与序分布

卡方分布

定义

设 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 是来自标准正态总体 N(0,1)N(0,1) 的一个样本, 令

X=∑i=1nXi2X=\sum_{i=1}^n X_i^2

则称 XX 是自由度为 nn 的 χ2\chi^2 变量, 其分布称为自由度为 nn 的 χ2\chi^2 分布, 记为 X∼χn2X \sim \chi_n^2

概率密度

fn(x)={12n2Γ(n2)yn2−1e−π2,x>00,x⩽0.f_n(x)=\begin{cases}\frac{1}{2^{\frac{n}{2}} \Gamma(\frac{n}{2})} y^{\frac{n}{2}-1} e^{-\frac{\pi}{2}} &, x>0 \\ 0 &, x \leqslant 0.\end{cases}

可以观察到自由度为 nn 的 χ2\chi^2 分布与 GammaGamma 分布的关系为:

X=∑i=1nXi2∼Γ(n2,12)X=\sum_{i=1}^n X_i^2 \sim \Gamma(\frac{n}{2}, \frac{1}{2})

性质

  1. 期望: E(χn2)=nE(\chi_n^2)=n
  2. 方差: Var(χn2)=2nVar(\chi_n^2)=2 n
  3. 可加性: 若 X∼χn12,Y∼χn22X \sim \chi_{n_1}^2, Y \sim \chi_{n_2}^2 , 且 X,YX, Y 相互独立, 那么有 X+Y∼χ2(n1+n2)X+Y \sim \chi^2(n_1+n_2)

上侧α分位数

若 X∼χn2X \sim \chi_n^2 , 记 P(X>c)=αP(X>c)=\alpha , 则 c=χn2(α)c=\chi_n^2(\alpha) 称为 χn2\chi_n^2 分布的上侧 α\alpha 分位数

t分布

定义

设随机变量 X∼N(0,1),Y∼χn2X \sim N(0,1), Y \sim \chi_n^2 , 且 X,YX, Y 独立, 则称

T=XYnT=\frac{X}{\sqrt{\frac{Y}{n}}}

为自由度为 nn 的 tt 变量, 其分布称为自由度为 nn 的 tt 分布, 记作 T∼tnT \sim t_n

概率密度

tn(x)=Γ(n+12)Γ(n2)nπ(1+x2n)−n+12,(x∈R)t_n(x)=\frac{\Gamma(\frac{n+1}{2})}{\Gamma(\frac{n}{2}) \sqrt{n \pi}}(1+\frac{x^2}{n})^{-\frac{n+1}{2}},(x \in \mathbb{R})

易得 t 分布于正态分布的关系

lim⁡n→∞tn(x)=φ(x)\lim _{n \to \infty} t_n(x)=\varphi(x)

性质

期望: 当 n>=2n>=2 时, E(T)=0E(T) = 0

方差: 当 n>=3n>=3 时, Var(T)=nn−2Var(T)=\frac{n}{n-2}

双侧α分位数

若 T∼tnT \sim t_n , 记 P(∣T∣>c)=αP(|T|>c)=\alpha , 则 c=tn(α2)c=t_n(\frac{\alpha}{2}) 为自由度为 nn 的 tt 分布的双侧 α\alpha 分位数

F分布

定义

设随机变量 X∼χ2(m),Y∼χ2(n)X \sim \chi^2(m), Y \sim \chi^2(n) , 且 X,YX, Y 独立, 则称

F=XmYnF=\frac{\frac{X}{m}}{\frac{Y}{n}}

为自由度分别是 m,nm, n 的 FF 变量, 其分布称为自由度为 m,nm, n 的 FF 分布, 记作 F∼F(m,n)F \sim F(m, n)

概率密度

fm,n(x)=Γ(m+n2)Γ(n2)Γ(m2)mm2nn2xm2−1(n+mx)−m+n2,(x>0)f_{m, n}(x)=\frac{\Gamma(\frac{m+n}{2})}{\Gamma(\frac{n}{2}) \Gamma(\frac{m}{2})} m^{\frac{m}{2}} n^{\frac{n}{2}} x^{\frac{m}{2}-1}(n+m x)^{-\frac{m+n}{2}},(x>0)

性质

若 Z∼F(m,n)Z \sim F(m, n) , 则 1Z∼F(n,m)\frac{1}{Z} \sim F(n, m)

若 T∼tnT \sim t_n , 则 T2∼F(1,n)T^2 \sim F(1, n)

F1−α(m,n)=1Fα(n,m)F_{1-\alpha}(m, n)=\frac{1}{F_{\alpha}(n, m)} , 注意自由度对换

上侧α分位数

若 F∼F(m,n)F \sim F(m, n) , 记 P(F>c)=αP(F>c)=\alpha , 则 c=Fα(m,n)c=F_{\alpha}(m, n) 为 FF 分布的上侧 α\alpha 分位数

正态总体的样本均值与样本方差的分布

一般总体的样本均值与样本方差

设总体 XX 分布未知, 但已知 E(X)=μE(X)=\mu, D(X)=σ2D(X)=\sigma^2, X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 是来自总体 X 的样本

X‾=1n∑i=1nXi\overline{X}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n X_i

S2=1n−1∑i=1n(Xi−X‾)2S^2=\frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^n(X_i-\overline{X})^2

分别为样本均值与样本方差, 则有

E(X‾)=μD(X‾)=σ2nE(\overline{X})=\mu \\ D(\overline{X})=\frac{\sigma^2}{n}

E(S2)=D(X‾)=σ2E(S^2)=D(\overline{X})=\sigma^2

正态变量样本均值与样本方差的性质

设 X1,X2,⋯ ,Xn∼N(μ,σ2)X_1, X_2, \cdots, X_n \sim N(\mu, \sigma^2), X‾,S2\overline{X}, S^2 分别为样本均值与样本方差, 则有

X‾∼N(μ,σ2n)\overline{X} \sim N(\mu, \frac{\sigma^2}{n})

(n−1)S2σ2∼χn−12X‾,S2相互独立\frac{(n-1) S^2}{\sigma^2} \sim \chi_{n-1}^2 \hspace{2em} \overline{X}, S^2 \text{相互独立}

几个重要推论

  1. 设 X1,X2,⋯ ,XnX_1, X_2, \cdots, X_n 相互独立相同分布 ∼N(μ,σ2)\sim N(\mu, \sigma^2) , 则有

T=n(X‾−μ)S∼t(n−1)T=\frac{\sqrt{n}(\overline{X}-\mu)}{S} \sim t(n-1)

  1. 设 X1,X2,⋯ ,XmX_1, X_2, \cdots, X_m 相互独立相同分布 ∼N(μ1,σ12)\sim N(\mu_1, \sigma_1^2), Y1,Y2,⋯ ,YnY_1, Y_2, \cdots, Y_n 相互独立相同分布 ∼N(μ2,σ22)\sim N(\mu_2, \sigma_2^2), 且假定 σ12=σ22=σ2\sigma_1^2=\sigma_2^2=\sigma^2 , 样本 X1,X2,⋯ ,Xm,Y1,Y2,⋯ ,YnX_1, X_2, \cdots, X_m, Y_1, Y_2, \cdots, Y_n 独立, 则有

(X‾−Y‾)−(μ1−μ2)σ12n1+σ22m2∼N(0,1)\frac{(\overline{X}-\overline{Y})-(\mu_1-\mu_2)}{\sqrt{\frac{\sigma_1^2}{n_1}+\frac{\sigma_2^2}{m_2}}} \sim N(0,1)

T=(X‾−Y‾)−(μ1−μ2)Sw⋅mnn+m∼t(n+m−2)T=\frac{(\overline{X}-\overline{Y})-(\mu_1-\mu_2)}{S_w} \cdot \sqrt{\frac{m n}{n+m}} \sim t(n+m-2)

Sw=(m−1)S12+(n−1)S22n+m−2S_w=\frac{(m-1) S_1^2+(n-1) S_2^2}{n+m-2}

  1. 设 X1,X2,⋯ ,XmX_1, X_2, \cdots, X_m 相互独立相同分布 ∼N(μ1,σ12)\sim N(\mu_1, \sigma_1^2), Y1,Y2,⋯ ,YnY_1, Y_2, \cdots, Y_n 相互独立相同分布 ∼N(μ2,σ22)\sim N(\mu_2, \sigma_2^2) , 样本 X1,X2,⋯ ,Xm,Y1,Y2,⋯ ,YnX_1, X_2, \cdots, X_m, Y_1, Y_2, \cdots, Y_n 独立, 则有

F=S12S22⋅σ22σ12=S12σ12S22σ22∼F(m−1,n−1)F=\frac{S_1^2}{S_2^2} \cdot \frac{\sigma_2^2}{\sigma_1^2}=\frac{\frac{S_1^2}{\sigma_1^2}}{\frac{S_2^2}{\sigma_2^2}} \sim F(m-1, n-1)

参数估计

估计

估计的分类

假设 θ^\hat\theta 是 θ\theta 的估计, 那么有

  1. 若 Eθ^=θE_{\hat\theta}=\theta , 则称 θ^\hat\theta 是 θ\theta 的无偏估计
  2. 当样本量 n→∞n\to\infty , θ^\hat\theta 依概率收敛到 θ\theta ,则称 θ^\hat\theta 是 θ\theta 的相合估计
  3. 当样本量 n→∞n\to\infty , θ^\hat\theta 依概率1收敛到 θ\theta ,则称 θ^\hat\theta 是 θ\theta 的强相合估计

样本均值与样本方差的估计

  1. 样本均值 X‾n\overline{X}_n 是总体均值 μ\mu 的强相合无偏估计
  2. 样本方差 S2S^2 是总体方差 σ2\sigma^2 的强相合无偏估计
  3. 样本标准差 SS 是总体标准差 σ\sigma 的强相合估计, 但 ES<σE_S<\sigma

点估计

矩估计

定义

矩估计是最简单的估计方法, 基本思路是用样本矩估计总体矩. 由大数率, 若未知参数与总体的某个或某些矩有关系, 则自然想到构造样本矩去估计未知参数

样本矩

样本 kk 阶原点矩:

ak=1n∑i=1nXika_k=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^k

样本 kk 阶中心矩:

ak=1n∑i=1n(Xik−X‾)ka_k=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i^k-\overline{X})^k

由大数律保证了

ak→pαka_k \to^p \alpha_k

mk→pμkm_k \to^p \mu_k

常用矩估计

  1. 在泊松分布 P(λ)P(\lambda) 中

λ=EX=α1\lambda=E_X=\alpha_1

且 α1\alpha_1 的矩估计是 a1a_1, 因此

λ^=a1=1n∑i=1nXi\hat\lambda=a_1=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i

  1. 在指数分布 E(λ)E(\lambda) 中

μ=EX=1λ⇒λ=1EX=1α1\mu=E_X=\frac{1}{\lambda}\Rightarrow\lambda=\frac{1}{E_X}=\frac{1}{\alpha_1}

且 α1\alpha_1 的矩估计是 a1a_1, 因此

λ^=1a1=11n∑i=1nXi\hat\lambda=\frac{1}{a_1}=\frac{1}{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}X_i}

  1. 在正态总体N(μ,σ2)N(\mu,\sigma^2)中

μ=EX=α1σ2=EX2−(EX)2=α2−α12\mu=E_X=\alpha_1 \\ \sigma^2=E_X^2-(E_X)^2=\alpha_2-\alpha_1^2

且 α1\alpha_1 的矩估计是 a1a_1, α2\alpha_2 的矩估计是 a2a_2, 因此

分别用

μ^=a1=1n∑i=1nXiσ^2=a2−a12=1n∑i=1nXi2−(1n∑i=1nXi2)2\hat\mu=a_1=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i \\ \hat\sigma^2=a2-a_1^2=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^2-(\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^2)^2

来估计参数 μ\mu 与 σ2\sigma^2

  1. 在均匀总体 U(a,b)U(a,b) 中

α1=EX=a+b2α2−α12=D(X)=(b−a)212\alpha_1=E_X=\frac{a+b}{2} \\ \alpha_2-\alpha_1^2=D(X)=\frac{(b-a)^2}{12}

解出方程组得到

a=α1−3(α2−α12)b=α1+3(α2−α12)a=\alpha_1-\sqrt{3(\alpha_2-\alpha_1^2)} \\ b=\alpha_1+\sqrt{3(\alpha_2-\alpha_1^2)}

分别用

a^=a1−3(a2−a12)b^=a1+3(a2−a12)\hat a=a_1-\sqrt{3(a_2-a_1^2)} \\ \hat b=a_1+\sqrt{3(a_2-a_1^2)}

来估计参数 a,ba, b

极大似然估计

定义

设 X=(X1,⋯ ,Xn)X=(X_1, \cdots, X_n) 为从总体中抽出的样本, 该总体具有概率函数 ff , θ\theta 为未知参数或未知参数向量, x=(x1,⋯ ,xn)x=(x_1, \cdots, x_n) 为样本的观察值

若在给定 xx 时, 值 θ^=θ^(x)\hat\theta=\hat\theta(x) 满足下式

L(θ^)=max⁡θ∈ΘL(x;θ)L(\hat\theta)=\max_{\theta \in \Theta} L(x;\theta)

则称 θ^\hat\theta 为参数 θ\theta 的极大似然估计, 而 θ^(X)\hat\theta(X) 称为 θ\theta 的极大似然估计量, L(x;θ)L(x;\theta) 称为极大似然函数

若待估参数是 θ\theta 的函数 g(θ)g(\theta) , 那么它的极大似然估计就是 g(θ^)g(\hat\theta) , 由于ln⁡L(θ)\ln L(\theta) 与 L(θ)L(\theta) 有相同的最大值点, 因此也可以用 l(θ)=ln⁡L(θ)l(\theta)=\ln L(\theta) 进行极大似然估计, 通常称 l(θ)l(\theta) 为对数似然函数

操作方法

求极大似然估计相当于求似然函数的最大值, 在简单样本的情况下

L(x;θ)=∏i=1nf(x;θ)L(x;\theta)=\prod_{i=1}^{n}f(x;\theta)

当似然函数对变量 θ\theta 单调时, 直接利用单调性得到最大值点

当似然函数非单调, 且对变量 θ\theta 可微分时, 我们可以求其驻点

令

dL(θ)dθ=0或者dl(θ)dθ=0\frac{d L(\theta)}{d \theta}=0 \hspace{1em}\text{或者}\hspace{1em} \frac{d l(\theta)}{d \theta}=0

当 θ\theta 为多维时, 令

∂L(θ)∂θi=0或者∂l(θ)∂θi=0\frac{\partial L(\theta)}{\partial \theta_i}=0 \hspace{1em}\text{或者}\hspace{1em} \frac{\partial l(\theta)}{\partial \theta_i}=0

然后判断此驻点是否是最大值

区间估计

定义

设总体分布 F(x,θ)F(x,\theta) 含有一个或多个未知参数 θ\theta , θ∈Θ\theta\in\Theta
对给定的值 αt(0<α<1)\alpha_t(0<\alpha<1) ,若由样本 X1,⋯ ,XnX_1, \cdots, X_n 确定的两个统计量 θ^L=θ^L(X1,⋯ ,Xn)\hat\theta_L=\hat\theta_L(X_1, \cdots, X_n) 和 θ^U=θ^U(X1,⋯ ,Xn)\hat\theta_U=\hat\theta_U(X_1, \cdots, X_n) 有

Pθ(θ^L<θ<θ^U)=1−αθ^L<θ^UP_\theta(\hat\theta_L<\theta<\hat\theta_U)=1-\alpha \hspace{2em} \hat\theta_L<\hat\theta_U

则称 (θ^L,θ^U)(\hat\theta_L, \hat\theta_U) 是参数 θ\theta 的置信水平为 1−α1-\alpha 的置信区间

枢轴量法

设待估参数为 g(θ)g(\theta)

  1. 找一个与待估参数 g(θ)g(\theta) 有关的统计量 TT , 一般是个良好的点估计 (往往通过极大似然估计构造)

  2. 设法找出 TT 与 g(θ)g(\theta) 的某个函数 S(T,g(θ))S(T, g(\theta)) 的分布,其分布 FF 要与参数 θ\theta 无关 (S即为枢轴变量)

  3. 对任何常数 a<ba<b , 不等式 a⩽S(T,g(θ))⩽ba\leqslant S(T, g(\theta))\leqslant b 要能表示成等价的形式 A⩽g(θ)⩽BA\leqslant g(\theta)\leqslant B ,其中 A,BA, B 只与 T,a,bT, a, b 有关, 而与参数无关

  4. 取分布 FF 的上 α/2\alpha/2 分位数 ωα/2\omega_{\alpha/2} 和下 1−α/21-\alpha/2 分位数 ω1−α/2\omega_{1-\alpha/2} ,有 F(ω1−α/2)−F(ωα/2)=1−αF(\omega_{1-\alpha/2})-F(\omega_{\alpha/2})=1-\alpha , 因此

    Pθ(ωα/2⩽S(T,g(θ))⩽ω1−α/2)=1−αP_\theta(\omega_{\alpha/2}\leqslant S(T, g(\theta))\leqslant \omega_{1-\alpha/2})=1-\alpha