随机事件和概率
基本概念
- 随机试验 E;样本点 ω;样本空间 Ω={ω}
- 随机事件 A,B,C,…,且 A⊆Ω
- 必然事件 Ω;不可能事件 ∅
事件关系与运算
- 积/交:A∩B、AB;相容:AB=∅;互斥:AB=∅
- 和/并:A∪B;差:A−B;对立:Aˉ
- A−B=A−AB=ABˉ
- B=Aˉ⟺AB=∅ 且 A∪B=Ω
完备事件组
i⋃Ai=Ω 且 AiAj=∅ (i=j),则 {Ai} 为完备事件组。
运算律
- 吸收:A⊂B⇒A∪B=B, AB=A
- 交换、结合、分配律
- 对偶(德摩根):A∪B=Aˉ∩Bˉ,A∩B=Aˉ∪Bˉ
概率公理与古典概型
公理化定义
① P(A)≥0 ② P(Ω)=1 ③ AiAj=∅⇒P(⋃Ai)=∑P(Ai)
古典概型
ω 有限且等可能:P(A)=nk.
排列组合
Pnm=(n−m)!n!,Cnm=m!Pnm=(n−m)!m!n!
简单随机抽样:Ω={w1,…,wn},各点抽到概率相同。
几何概型
Ω 为有界区域,点等可能;P(A)=SΩSA(ω 无限,区别于古典概型)。
概率的性质
- 0≤P(A)≤1,P(∅)=0,P(Ω)=1
- A⊂B⇒P(B−A)=P(B)−P(A),P(B)≥P(A)
- P(Aˉ)=1−P(A)
- P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(AB)
- P(A−B)=P(A)−P(AB)=P(ABˉ)
易错点
- P(A)=1⇒A=Ω(如 Ω=[0,1],A=(0,1],Ω比P=1大)
- P(A−B)=0⇒A=B
- P(AB)=0:可互斥,也可相交但交的概率为 0
常用恒等式
P(ABˉ)=P(A)−P(AB),P(A∪Bˉ)=1−P(B)+P(AB),P(AB)−P(A)P(B)≤41
条件概率 · 全概率 · 贝叶斯
P(B∣A)=P(A)P(AB),P(AB)=P(A)P(B∣A)
P(A1A2⋯An)=P(A1)P(A2∣A1)⋯P(An∣A1⋯An−1)
全概率: ⋃Ai=Ω, AiAj=∅⇒P(B)=∑P(Ai)P(B∣Ai)
贝叶斯(由结果 B 求原因 Aj的概率):
P(Aj∣B)=∑iP(Ai)P(B∣Ai)P(Aj)P(B∣Aj)
独立性
- 独立:P(AB)=P(A)P(B)
- 两两独立:两两满足上式
- 相互独立:两两独立且 P(ABC)=P(A)P(B)P(C)(推广到更多事件)
- A,B 独立 ⇔A,Bˉ 独立 ⇔Aˉ,B 独立 ⇔Aˉ,Bˉ 独立
- P(A)=0 或 1⇒A 与任意 B 独立
独立试验序列(n 重伯努利)
每次试验只有 A 发生与否,P(A)=p 不变;则 n 次中恰发生 k 次:
P=Cnkpk(1−p)n−k
随机变量及其概率分布
分布函数
随机变量:一维实值函数 X(ω)。X∼F(x),F(x)=P{X≤x}.
F(x) 充要条件: ① 单调不减;② 右连续(F(a)=F(a+));③ F(−∞)=0,F(+∞)=1.
用 F 算概率
| 事件 | 概率 |
|---|
| X≤a | F(a) |
| X<a | F(a−0) |
| X=a | F(a)−F(a−0) |
| a<X<b | F(b−0)−F(a) |
| a≤X<b | F(b−0)−F(a−0) |
| a≤X≤b | F(b)−F(a−0) |
| a<X≤b | F(b)−F(a) |
离散型
P{X=xi}=pi:pi>0,∑pi=1。记 X∼(x1p1x2p2⋯⋯).
F(x)=xi≤x∑P{X=xi}
常见离散分布
| 分布 | 分布律 | 记号 |
|---|
| 0-1 | P{X=k}=pk(1−p)1−k, k=0,1 | B(1,p) |
| 二项 | P{X=k}=Cnkpk(1−p)n−k | B(n,p) |
| 泊松 | P{X=k}=k!λke−λ | P(λ) |
| 几何 | P{X=k}=(1−p)k−1p, k=1,2,… | G(p) |
| 超几何 | P{X=k}=CNnCMkCN−Mn−k | H(N,M,n) |
超几何含义:N 件中 M 件次品,抽 n 件,次品数 X。当 n≪N 时可近似二项。
泊松逼近二项: X∼B(n,p),n 很大、p 很小,λ=np,则 P{X=k}≈k!λke−λ(经验:n≥20,p≤0.05 或 n≥100,np≤10)。
连续型
F(x)=∫−∞xf(t)dt,f≥0 可积;密度充要:f≥0 且 ∫−∞∞f=1.
- P{X=c}=0
- P{X∈B}=∫Bf(x)dx
- P{a<X<b}=P{a≤X≤b}=∫abf=F(b)−F(a)
常见连续分布
均匀 U(a,b):
f(x)=b−a1 (a<x<b),F(x)=⎩⎨⎧0,b−ax−a,1,x<aa≤x<bx≥b
指数 E(λ):
f(x)=λe−λx (x>0),F(x)=1−e−λx (x≥0)
正态 N(μ,σ2):
f(x)=2πσ1exp{−2σ2(x−μ)2}
标准正态 N(0,1):φ(x)=2π1e−x2/2,Φ(x)=∫−∞xφ.
- Φ(0)=21,Φ(−x)=1−Φ(x)
- X∼N(μ,σ2)⇒σX−μ∼N(0,1)
- F(x)=Φ(σx−μ),P{a≤X≤b}=Φ(σb−μ)−Φ(σa−μ)
一维随机变量的函数 Y=g(X)
离散: Y∼(g(x1)p1g(x2)p2⋯⋯)(同值合并概率)。
连续 — 分布函数法:
FY(y)=P{g(X)≤y}=∫g(x)≤yfX(x)dx,fY=FY′
连续 — 公式法(y=g(x) 单调可导,x=h(y)):
- g′>0:fY(y)=fX(h(y))h′(y)
- g′<0:fY(y)=−fX(h(y))h′(y)
概率积分变换: FX 严格增 ⇒Y=FX(X)∼U(0,1).
可加性(X,Y 独立)
| 分布 | 结论 |
|---|
| B(n,p), B(m,p) | X+Y∼B(n+m,p) |
| P(λ1), P(λ2) | X+Y∼P(λ1+λ2) |
| N(μ1,σ12), N(μ2,σ22) | X+Y∼N(μ1+μ2,σ12+σ22);且 X−Y∼N(μ1−μ2,σ12+σ22) |
| χ2(n), χ2(m) | X+Y∼χ2(n+m) |
多维随机变量及其分布
联合分布函数
F(x,y)=P{X≤x,Y≤y}.
性质:① 对每个变元单调不减;② 右连续;③ F(−∞,y)=F(x,−∞)=0,F(+∞,+∞)=1;④
P{x1<X≤x2, y1<Y≤y2}=F(x2,y2)−F(x2,y1)−F(x1,y2)+F(x1,y1)≥0
边缘:FX(x)=F(x,+∞),FY(y)=F(+∞,y).
二维离散型
pij=P{X=xi,Y=yj}:pij≥0,∑i∑jpij=1.
F(x,y)=xi≤x∑yj≤y∑pij
边缘:pi⋅=∑jpij,p⋅j=∑ipij.
条件:P{X=xi∣Y=yj}=p⋅jpij.
二维连续型
F(x,y)=∫−∞y∫−∞xf(u,v)dudv;密度充要:f≥0 且双重积分 =1.
边缘:fX(x)=∫−∞∞f(x,y)dy,fY(y)=∫−∞∞f(x,y)dx.
条件:fY∣X(y∣x)=fX(x)f(x,y);乘法公式
f(x,y)=fX(x)fY∣X(y∣x)=fY(y)fX∣Y(x∣y)
三维:fZ∣X,Y(z∣x,y)=f(x,y)f(x,y,z).
常见二维分布
- 二维均匀: f(x,y)=SD1 ((x,y)∈D)
- 二维正态: ρ=DX⋅DYCov(X,Y),
f(x,y)=2πσ1σ21−ρ21exp{−2(1−ρ2)1[(σ1x−μ1)2−2ρσ1σ2(x−μ1)(y−μ2)+(σ2y−μ2)2]}
- (X,Y)∼N(μ1,μ2;σ12,σ22;ρ)⇒ 边缘 X∼N(μ1,σ12),Y∼N(μ2,σ22)
- 三张牌分清楚(易错核心):
- 联合正态 ⇒ 边缘正态(反之不成立)
- 各自正态 且独立 ⇒ 联合正态(此时 ρ=0)
- 各自正态 且 ρ=0(仅不相关)⇏ 联合正态,也 ⇏ 独立
- 口诀:独立推得出联合正态;不相关什么都推不出
联合正态常用结论
- (X,Y) 联合正态 ⇒ 线性组合仍正态
- 联合多维正态:两两独立 ⇔ 全部独立
- 易错:仅”边缘正态”、或”边缘正态 + 不相关”,都推不出联合正态(+独立才可以)
独立性
- F(x,y)=FX(x)FY(y)⇔X,Y 独立
- 离散:⇔P{X=xi,Y=yj}=P{X=xi}P{Y=yj}
- 连续:⇔f(x,y)=fX(x)fY(y)
- 独立 ⇒ 条件分布 = 边缘分布
- X1,…,Xn 独立 ⇒gi(Xi)(一元连续函数)仍独立
二维随机变量函数的分布
一般:FZ(z)=P{g(X,Y)≤z}=∬g≤zf(x,y)dxdy.
| Z | 密度(一般) | 独立时 |
|---|
| X+Y | ∫f(x,z−x)dx | ∫fX(x)fY(z−x)dx(卷积) |
| X−Y | ∫f(x,x−z)dx | ∫fX(x)fY(x−z)dx |
| XY | ∫∥x∥1f(x,xz)dx | 把 f 换成 fXfY |
| X/Y | ∫∥y∥f(yz,y)dy | ∫∥y∥fX(yz)fY(y)dy |
随机变量的数字特征
数学期望
- 离散:EX=∑xipi;E[g(X)]=∑g(xi)pi
- 连续:EX=∫xf(x)dx;E[g(X)]=∫g(x)f(x)dx
- 二维:EX=∬xfdxdy,EY=∬yfdxdy,E(XY)=∬xyfdxdy
- E[g(X,Y)]:离散 ∑∑g(xi,yj)pij;连续 ∬gfdxdy
性质:Ea=a;E(EX)=EX;E(aX+bY)=aEX+bEY;E(∑aiXi)=∑aiEXi;独立时 E(XY)=EX⋅EY.
方差
DX=E[(X−EX)2]=E(X2)−(EX)2=∫(x−μ)2f(x)dx
标准差 σ(X)=DX;标准化 X∗=DXX−EX:EX∗=0,DX∗=1.
性质:DX≥0;E(X2)≥(EX)2;Dc=0;DX=0⇔P{X=a}=1;D(aX+b)=a2DX;
D(X±Y)=DX+DY±2Cov(X,Y)
D(∑aiXi)=∑ai2DXi+2i<j∑aiajCov(Xi,Xj)
独立时 D(aX+bY)=a2DX+b2DY;
D(XY)=DXDY+DX(EY)2+DY(EX)2≥DXDY(独立时常用).
常见分布的 EX、DX
| 分布 | EX | DX |
|---|
| 0-1 分布(两点分布)B(1,p) | p | p(1−p) |
| 二项分布 B(n,p) | np | np(1−p) |
| 泊松分布 P(λ) | λ | λ |
| 几何分布 G(p) | 1/p | (1−p)/p2 |
| 正态分布 N(μ,σ2) | μ | σ2 |
| 均匀分布 U(a,b) | (a+b)/2 | (b−a)2/12 |
| 指数分布 E(λ) | 1/λ | 1/λ2 |
| 超几何分布 H(N,M,n) | nNM | nNM(1−NM)N−1N−n |
注意:E∣X−EX∣(平均绝对偏差)一般 =DX.
协方差与相关系数
Cov(X,Y)=E[(X−EX)(Y−EY)]=E(XY)−EX⋅EY
ρXY=DXDYCov(X,Y)
ρ=0 称不相关,否则相关。Y=aX+b:a>0⇒ρ=1;a<0⇒ρ=−1.
协方差性质
- Cov(X,Y)=Cov(Y,X);Cov(aX,bY)=abCov(X,Y)
- Cov(X1+X2,Y)=Cov(X1,Y)+Cov(X2,Y)
- Cov(∑iXi,∑jYj)=∑i∑jCov(Xi,Yj)
ρ 与独立性
- ∣ρ∣≤1;ρ=±1⇔ 几乎必然线性关系(斜率为正/负)
- 不相关 ⇔ρ=0⇔Cov=0⇔E(XY)=EXEY⇔D(X±Y)=DX+DY
- 独立 ⇒ 不相关;相关 ⇒ 不独立
- 联合正态:独立 ⇔ 不相关(边缘正态不够,要联合正态)
计算流程:先算 Cov=E(XY)−EXEY;=0⇒ 相关 ⇒ 不独立;=0⇒ 不相关,是否独立还需看分布(如 f=fXfY)。
矩
- k 阶原点矩 E(Xk);k 阶中心矩 E[(X−EX)k]
- k+l 阶混合原点矩 E(XkYl);混合中心矩 E[(X−EX)k(Y−EY)l]
- EX:一阶原点矩;DX:二阶中心矩;Cov:二阶混合中心矩
大数定律和中心极限定理
依概率收敛
对任意 ε>0,limP{∣Xn−X∣≥ε}=0(或 P{∣Xn−X∣<ε}→1),记 XnPX.
性质:XnPX, YnPY⇒g(Xn,Yn)Pg(X,Y).
切比雪夫不等式
P{∣X−EX∣≥ε}≤ε2DX,P{∣X−EX∣<ε}≥1−ε2DX
大数定律
切比雪夫: {Xn} 独立,DXi 存在且一致有上界 ⇒n1∑XiPn1∑EXi.
伯努利: n 次独立试验中 A 出现次数 μn,P(A)=p⇒nμnPp.
辛钦: {Xn} 独立同分布,EXi=μ(期望存在)⇒n1∑XiPμ.
(注:教材辛钦通常不要求方差存在;方差有界对应切比雪夫型。)
中心极限定理
列维–林德伯格: i.i.d.(独立同分布),EXi=μ,DXi=σ2,
n→∞limP{nσ∑i=1nXi−nμ≤x}=Φ(x)
即 ∑Xi 近似 N(nμ,nσ2);
P{a<∑Xi<b}≈Φ(nσb−nμ)−Φ(nσa−nμ).
棣莫弗–拉普拉斯: Yn∼B(n,p),
limP{np(1−p)Yn−np≤x}=Φ(x)
(Yn=∑Xi,Xi∼B(1,p) 独立。)
二项分布近似选用
- n 不大:精确 Cnkpk(1−p)n−k
- n 大、p 小(如 n>10,p<0.1):泊松近似,λ=np
- n 大、p 不太小(如 p>0.1 且 np≥10):CLT 正态近似
数理统计的基本概念
总体与样本
- 总体 X;简单随机样本:来自总体的 i.i.d. (X1,…,Xn)
- 观测值(样本值):(x1,…,xn)
- 样本分布:F(x1,…,xn)=∏i=1nF(xi)
- 统计量: g(X1,…,Xn) 中不含未知参数
常用统计量
- 样本均值 Xˉ=n1∑Xi
- 样本方差 S2=n−11∑(Xi−Xˉ)2,标准差 S
- 样本 k 阶原点矩 Ak=n1∑Xik
- 样本 k 阶中心矩 Bk=n1∑(Xi−Xˉ)k
顺序统计量
X(1)≤⋯≤X(n);X(1)=min,X(n)=max.
F(n)(x)=[F(x)]n,f(n)(x)=n[F(x)]n−1f(x)
F(1)(x)=1−[1−F(x)]n,f(1)(x)=n[1−F(x)]n−1f(x)
样本数字特征性质
设 EX=μ,DX=σ2,样本 (X1,…,Xn):
- EXˉ=μ,DXˉ=nσ2
- E(S2)=σ2
- 正态总体时:D(S2)=n−12σ4
三大抽样分布
χ2 分布
Xi∼iidN(0,1)⇒X=∑i=1nXi2∼χ2(n).
上 α 分位数:P{χ2>χα2(n)}=α.
性质:独立 χ2(n1)+χ2(n2)∼χ2(n1+n2);E=n,D=2n.
t 分布
X∼N(0,1),Y∼χ2(n) 独立 ⇒t=Y/nX∼t(n).
P{t>tα(n)}=α;关于 0 对称,Et=0;t1−α(n)=−tα(n).
F 分布
X∼χ2(n1),Y∼χ2(n2) 独立 ⇒F=Y/n2X/n1∼F(n1,n2).
性质:F1∼F(n2,n1);F1−α(n1,n2)=Fα(n2,n1)1;t∼t(n)⇒t2∼F(1,n).
正态总体常用结论
设 Xi∼iidN(μ,σ2):
- Xˉ∼N(μ,nσ2),σn(Xˉ−μ)∼N(0,1)
- σ21∑(Xi−μ)2∼χ2(n)
- σ2(n−1)S2∼χ2(n−1)
- Xˉ 与 S2 独立;Sn(Xˉ−μ)∼t(n−1);S2n(Xˉ−μ)2∼F(1,n−1)
参数统计
点估计
X∼F(x;θ),样本构造估计量 θ^(X1,…,Xn);代入观测值得估计值。
矩估计
用 n1∑Xik=E(Xk) 列方程;多参数用多个方程;优先低阶矩。
最大似然估计MLE
似然函数:
L={∏p(xi;θ)∏f(xi;θ)离散连续
使 L 最大;常解 dθdlnL=0.
不变性: θ^ 为 θ 的 MLE ⇒u(θ^) 为 u(θ) 的 MLE.
估计量评价
- 无偏: Eθ^=θ
- 有效: 同为无偏时,Dθ^ 更小者更有效(最有效即方差最小)
- 一致(相合): θ^Pθ,即对任意 ε>0,P{∣θ^−θ∣≥ε}→0
常用:切比雪夫不等式证明一致性;辛钦 ⇒XˉPEX.
置信区间
P{θ^1<θ<θ^2}=1−α:(θ^1,θ^2) 为置信水平 1−α 的置信区间;α 为显著水平。
正态总体 X∼N(μ,σ2)
μ 的区间
| 情形 | 区间 |
|---|
| σ2 已知 | Xˉ±nσzα/2,Φ(zα/2)=1−α/2 |
| σ2 未知 | Xˉ±nStα/2(n−1) |
σ2 的区间
| 情形 | 区间 |
|---|
| μ 已知 | (χα/22(n)∑(Xi−μ)2, χ1−α/22(n)∑(Xi−μ)2) |
| μ 未知 | (χα/22(n−1)(n−1)S2, χ1−α/22(n−1)(n−1)S2) |
假设检验
基本概念
- 原假设 H0;对立/备选假设 H1
- 小概率原理:小概率事件发生则拒绝 H0
- 显著性水平 α:概率 ≤α 视为小概率事件
两类错误
- 弃真(第一类): H0 真却拒绝;α=P{拒绝 H0∣H0 真}(检验水平)
- 取伪(第二类): H0 假却接受;β=P{接受 H0∣H0 假}
正态总体均值检验(拒绝域)
| 情形 | H0 | 拒绝域 |
|---|
| σ2 已知,双侧 | μ=μ0 | (−∞,μ0−nσzα/2]∪[μ0+nσzα/2,+∞) |
| σ2 未知,双侧 | μ=μ0 | (−∞,μ0−nStα/2(n−1)]∪[μ0+nStα/2(n−1),+∞) |
| σ2 已知,右侧 | μ≤μ0 | [μ0+nσzα,+∞) |
| σ2 已知,左侧 | μ≥μ0 | (−∞,μ0−nσzα] |
| σ2 未知,右侧 | μ≤μ0 | [μ0+nStα(n−1),+∞) |
| σ2 未知,左侧 | μ≥μ0 | (−∞,μ0−nStα(n−1)] |