连续型随机变量及其概率密度函数

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
§2.4 连续型随机变量及其概率密度函数
一、连续型随机变量的概念 定义2.8 设随机变量 的分布函数为 F (x ) ,若存在非负可 设随机变量X的分布函数为 定义 积函数 f (x ),使得对于任意实数 x ,都有 x (2—15) ) F ( x ) = ∫ f ( x )dx

则称X为连续型随机变量, 则称 为连续型随机变量, 称 f (x )为X的概率密度函数 的 (Probability Density Function),简称概率密度或密度 ),简称概率密度或密度. ),简称概率密度或密度 由定义可知,连续型随机变量X的分布函数 由定义可知,连续型随机变量 的分布函数 F (x)在x点的函 点的函 上的积分. 数值等于其概率密度函数 f (x )在区间( ∞, x] 上的积分. 类似于离散型随机变量, 类似于离散型随机变量,连续型随机变量 f (x )的概率密度 函数具有如下基本性质: 函数具有如下基本性质:

σ x+
1 2π σ
( x )2

2
e

x ∞
1 2π
e
t2 2
dt
(令 σ = t ) 令
x
所以 X * ~ N (0, 1).
这样我们便有如下定理: 这样我们便有如下定理: 2 定理2.2 若 X ~ N ( , σ ),其分布函数为F ( x ) ,则对任意 定理 实数 ,有 x (2—29) ) F (x) = Φ ( )
; ; ;
P{ X < 3σ } = 2Φ(3) 1 = 0.9974
可见, 的随机变量X, 可见 服从正态分布N ( , σ 2 )的随机变量 ,虽然理论上可以 取任意实数值, 取任意实数值,但实际上它的取值落在区间( σ , + σ )内的概 率约为68.26 %;落在区间( 2σ , + 2σ )内的概率约为 内的概率约为95.44 %,落 率约为 落在区间 落 2 ( 内的概率99.74%.因此 服从正态分布 N ( , σ ) 因此,服从正态分布 在区间 3σ , + 3σ )内的概率 因此 的随机变量X落在区间 之外的概率约0.26%,还不到 的随机变量 落在区间 ( 3σ , + 3σ ) 之外的概率约 还不到 千分之三,这是一个小概率事件, 千分之三,这是一个小概率事件,在实际中认为它几乎不可 能发生,这就是著名的“ 准则. 能发生,这就是著名的“ σ ”准则.它在实际中常用来作为 3 质 量控制的依据. 量控制的依据. 在自然现象和社会现象中, 在自然现象和社会现象中 大量的随机变量都服从或近似 服从正态分布, 测量误差、炮弹落点距目标的偏差、 服从正态分布,如,测量误差、炮弹落点距目标的偏差、海 洋波浪的高度、一个地区的男性成年人的身高及体重、考试 洋波浪的高度、一个地区的男性成年人的身高及体重、 的成绩等. 的成绩等.正是由于生活中大量的随机变量服从或近似服从 正态分布,因此, 正态分布,因此,正态分布在理论与实践中都占据着特别重 要的地位. 要的地位.
P{X ∈(x0 , x0 + l)}= P{x0 < X < x0 + l }= ∫
x0 +l
x0
f (x)dx = ∫
x0 +l
x0
1 l dx = ba ba
(2)若X~U (a,b ) ,则X的分布函数为 ) ~ 的分布函数为
x≤a 0, x a F ( x) = , a< x<b b a x≥b 1 , (3) f (x) 和 F (x )的图形分别为 )
(2-20) - )
图2.3
(λ >0) ) (2—21) ) 则称X服从参数为 指数分布(Exponential Distribution),记 则称 服从参数为λ 的指数分布 记 为X ~ E (λ ) ,其分布函数为
2. 指数分布 定义2.10 若X的概率密度函数为 定义 的概率密度函数为 λ e λ x , x>0 f ( x) = x≤0 0,
( x) =
1 e 2π
x
x2 2
x∈R
(2—25) )
x2 2
它的分布函数特记为Φ (x),即
Φ ( x) = ∫ ( x )dx =

wk.baidu.com
1 2π

x ∞
e
dx
x∈R
(2—26 ) 标准正态分布的概率密度函数和分布函数的图形分别如图2.6 标准正态分布的概率密度函数和分布函数的图形分别如图 所示: 所示:
2
2
1
1
因为连续型随机变量取任一确定值是可能的,所以 因为连续型随机变量取任一确定值是可能的,所以,
(1)概率为零的事件未必是不可能事件;概率为 的事件 )概率为零的事件未必是不可能事件;概率为1的事件 也不一定是必然事件; 也不一定是必然事件; 落在某一区间的概率时, (2)在计算连续型随机变量 落在某一区间的概率时,可 )在计算连续型随机变量X落在某一区间的概率时 不必区分是开区间、闭区间还是半开半闭区间, 不必区分是开区间、闭区间还是半开半闭区间, 即对任意的 实数 x1 , x2 (x1 < x2 ) ,有 P{x1 < X ≤ x2 } P{x1 ≤ X ≤ x2 }= {x1 ≤ X < x2} P = x P{x1 < X < x2 }= ∫ x f ( x )dx (2—17) = 这样, 除可数个点外导数处处连续, 这样,如果 F (x ) 除可数个点外导数处处连续,那么在F (x )的 而在其它点处f(x) f(x)的值可任意补充 导数连续点处 f (x) = F ′ (x ),而在其它点处f(x)的值可任意补充 定义,不妨取为0,于是可得到X 0,于是可得到 定义,不妨取为0,于是可得到X的一个概率密度函数
x
σ
σ
2 证明 因为 X ~ N ( , σ ) ,
F(x) = P{X ≤ x} = P{
X
所以

x
σ
} = P{X ≤
x
σ
} = Φ(
x . )
σ
推论 若 X ~ N ( , σ 2 ) ,则对于任意实数x1 < x2 ,有 (2-30) - ) 利用( ),可将一般正态分布的概率计算转化为标 利用(2—30),可将一般正态分布的概率计算转化为标 ), 准正态分布的概率计算, 准正态分布的概率计算,而标准正态分布的分布函数值可由 附表2获得 这样一般正态分布的概率计算就可解决. 获得, 附表 获得,这样一般正态分布的概率计算就可解决.
特别地, 特别地,如果 X
~ N , σ 2
(
) ,则对任意 k > 0,有
X P{ X < k σ } = P < k = 2Φ (k ) 1 σ
, 当k = 1、2、3时,分别有 、 时 P{ X < 1σ } = 2Φ(1) 1 = 0.6826
P{ X < 2 σ } = 2Φ(2) 1 = 0.9544
是概率密度函数, 由于 (x)是概率密度函数,因此 有
+∞ ∞
+∞ 0

+∞ ∞
1 2π
e
x2
2
从而, dx = 1, x ∈ R . 从而


e
e
x2
2
dx = 2π
π
(2—27) )
(2—28) ) 2 上述两个式子请熟练掌握,它在以后的计算中经常用到. 上述两个式子请熟练掌握,它在以后的计算中经常用到.
易知:若 易知 若 X ~ N ( , σ ) ,则 X = σ ~ N (0, 1) . 则 * 事实上,对于任意实数 事实上 对于任意实数 x , X 的分布函数
2
*
X
图片2.5 图片
F (x) = P{X * ≤ x} = P{
=
X u
σ
≤ x} = P{X ≤ σ x + }
dx =
∫ = Φ( x )
图2—6 另外, 还有几个经常用到的公式: 另外 还有几个经常用到的公式: 若X~ N (0, 1),则对于任 意实数x, x1 , x2 ,( x1 < x2 ),有 , (1) P{x1 < X ≤ x2 } = Φ( x2 ) Φ( x1 ) ; ) (2) P{ X ≤ x} = Φ( x) Φ( x) = 2Φ( x) 1 ; ) (3) P{ X ≥ x} = 2[1 Φ( x)] . )
f ( x) = 1 2π σ e
( x )2 2σ 2
x∈R
1 F ( x) = 2π σ

x

e
( x )2 2σ 2
dx,
x ∈ R,
(2-24) - )
特别地, 标准正态分布, 特别地 当 = 0, σ = 1时,则称正态分布 N (0, 1)为标准正态分布 它的概率密度函数特记为 (x),即
f )(非负性 (1)(非负性) 对任意的实数 x , ( x )≥0; )(非负性) ; +∞ )(规范性 (2)(规范性) ∫ f ( x)dx = 1 )(规范性) (2—16) ) ∞ 反过来, 满足上述性质(1)和 则 反过来,若已知一个函数 f (x )满足上述性质 和(2),则 f (x ) 一定是某连续型随机变量X的概率密度函数 的概率密度函数. 一定是某连续型随机变量 的概率密度函数. 另外,对连续型随机变量X的分布 还具有如下性质: 的分布, 另外,对连续型随机变量 的分布,还具有如下性质: x1 , x2(x1 ≤ x2 ), P{x1 < X ≤ x2 } F ( x ) F ( x ) = ∫ x f ( x)dx ; 1.对于任意实数 对于任意实数 = x 2.连续型随机变量 的分布函数F (x ) 是连续的 但反之不真; 连续型随机变量X的分布函数 是连续的,但反之不真 但反之不真; 连续型随机变量 3.连续型随机变量 取任一确定值的概率为 ;即对于任意 连续型随机变量X取任一确定值的概率为 连续型随机变量 取任一确定值的概率为0; P 实数 x ,{X = x} = 0; ; 事实上, 的连续性即知: 事实上,由(2-12)和 F (x ) 的连续性即知 - ) P{X = x} = F ( x ) F ( x 0) = 0
(2—19) ) 则称X服从区间 服从区间(a, 内的均匀分布(Uniform Distribution),记 内的均匀分布 则称 服从区间 b)内的均匀分布 记 为 X ~U(a, b). . 均匀分布的特征: 均匀分布的特征: 则落在( ) (1) 若X~U(a, b), 则落在(a, b)内任意子区间内的概 ) ~ 率只依赖于子区间的长度,而与子区间的位置无关. 率只依赖于子区间的长度,而与子区间的位置无关. 事实上, 事实上,对于任意一个长度的子区间( x0 , x0 + l ) (a, b) ,
P { x1 < X ≤ x 2 } = Φ ( x2
σ
) Φ(
x1
σ
)
关于标准正态分布,一个重要的公式是: 关于标准正态分布,一个重要的公式是:对于任意实数 x . Φ ( x) + Φ ( x) = 1 (2-31) 的定义证明或由下图说明.这里就不做证明了. 这可用 Φ(x ) 的定义证明或由下图说明.这里就不做证明了
(2-22) - ) 指数分布的概率密度函数 f (x)和分布函数F (x ) 的图形分别为
1 e λ x , F ( x) = 0 ,
x>0 x≤0
图2.4
生活中,指数分布应用很广.像电子元件的使用寿命、 生活中,指数分布应用很广.像电子元件的使用寿命、电 话的通话时间、排队时所需的等待时间都可用指数分布描述. 话的通话时间、排队时所需的等待时间都可用指数分布描述. 因此,指数分布在生存分析、 因此,指数分布在生存分析、可靠性理论和排队论中有广泛的 应用. 应用. 3.正态分布 . (1)正态分布的概念 ) 定义2.11 若X的概率密度函数为 定义 的概率密度函数为 (2-23) - ) 和σ 为常数且σ > 0,则称 服从参数为 , σ 2的正态分布 则称X服从参数为 其中 X ~ N ( , σ 2 ),正态分布也叫高 ),记为 正态分布也叫高 (Normal Distribution),记为 ), 斯分布( 斯分布(Gauss), 其分布函数为 )
2 1
F ' ( x), f ( x) = 0,
在F ' ( x)的连续点处 在F ' ( x)的不连续点处
(2-18) -
二、常见的几种连续型分布 1.均匀分布 . 定义2.9 若X的概率密度函数为 定义 的概率密度函数为
1 b a f ( x) = 0 x ∈ ( a, b ) 其它
x2
2
dx =
(2)正态分布的特征 ) 2 具有如下特征: 若X ~ N(, σ ) ,则其概率密度函数 f (x)具有如下特征: 则其概率密度函数 (1) f (x) 的图像关于直线 x = 对称; 对称; P{ 由此便有 P{ X ≤ l} = P{ X ≥ + l} ; l < X ≤ } = P{ < X ≤ + l} ; 1 f ( ) = (2) f (x) 的最大值为 2π σ ; f (3) x离 愈远,(x) 值愈小 曲线y = f (x ) 以O x 轴为渐近线; 愈远, 值愈小,曲线 轴为渐近线; f (4) 对于确定的 , σ 越小,( ) 越大,X落在 附近的概率 越小, 越大, 落在 f σ 越大; 越大, 越小, 落在 附近的概率越小; 越大; 越大, ( )越小,X落在 附近的概率越小; (5) 曲线 y = f (x ) 的拐点是( σ , f ( σ ))和( + σ , f ( + σ ))
相关文档
最新文档