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概率论与数理统计

第4章 随机变量的数字特征 4.1数学期望 一、离散型随机变量的数学期望

定义1设离散型随机变量X的概率分布为 P{X=xi}=pi,i=1,2,…,如果级数在这里插入图片描述绝对收敛,则定义X的数学期望(又称均值)为 在这里插入图片描述

二、连续型随机变量的数学期望

定义2设X是连续型随机变量,其密度函数为f(x).如果f-∞+∞xf(x)dx 绝对收敛,则定义X的数学期望为 E(X)=f-∞+∞xf(x)dx

三、随机变量函数的数学期望 定理1:设X是一个随机变量,Y=g(X),且E(Y)存在,于是 (1)若X为离散型随机变量,其概率分布为 P{X=xi}=pi,i=1,2,…, 则Y的数学期望为 在这里插入图片描述 (2)若X为连续型随机变量,其概率密度为f(x),则Y的数学期望为 E(Y)=E[g(X)]=f-∞+∞g(x)f(x)dx. (1.4)定理2:设(X,Y)是二维随机变量,Z=g(X,Y),且E(Z)存在,于是 (1)若(X,Y)为离散型随机变量,其概率分布为 P{X=xi,Y=yi}=pij(i,j=1,2,…), 则Z的数学期望为 在这里插入图片描述 (2)若(X,Y)为连续型随机变量,其概率密度为f(x,y),则Z的数学期望为 E(Z)=E[g(X,Y)]=f-∞+∞f-∞+∞g(x,y)f(x,y)dxdy. (1.6) 四、数学期望的性质

性质1若C是常数,则E( C)=C. 性质2若C是常数,则E(CX)=CE(X), 性质3E(X1+X2)=E(X1)+E(X2) 在这里插入图片描述

性质4设X,Y相互独立,则E(XY)=E(X)E(Y): X和Y相互独立,f(x,y)=fX(x)·fY(y), ** 在这里插入图片描述

4.2方差 一、方差的定义 定义1设X是一个随机变量,若E[X-E(X)]2存在,则称它为X的方差,记为 D(X)=E[X-E(X)]2. 注:符号D(X)有时简写为DX.同样,对于连续型随机变量也是这样规定方差的算术平方根√D(X)称为标准差或均方差.它与X具有相同的度量单位. 注:方差刻画了随机变量X的取值与数学期望的偏离程度,它的大小可以衡量随机变量取值的稳定性从方差的定义易见: (1)若X的取值比较集中,则方差较小; (2)若X的取值比较分散,则方差较大; (3)若方差D(X)=0,则随机变量X以概率1取常数值,此时,X也就不是随机变量了. 二、方差的计算

若X是离散型随机变量,且其概率分布为 在这里插入图片描述 若X是连续型随机变量,且其概率密度为∫(x),则 在这里插入图片描述 由数学期望的性质,易得计算方差的一个简化公式: **D(X)=E(X2)-[E(X)]2

0-1分布 在这里插入图片描述泊松分布 在这里插入图片描述在这里插入图片描述均匀分布 在这里插入图片描述二项分布 在这里插入图片描述正态分布 在这里插入图片描述标准正态分布 在这里插入图片描述 三、方差的性质

性质1:设C为常数,则D©=0. D(X+C)=D(X) 性质2:设X是随机变量,若C为常数,则 D(CX)=C2 D(X) 性质3:若X,Y相互独立,则 D(X±Y)=D(X)+D(Y)

4.3 协方差与相关系数 *八、n维正态分布的几个重要性质

(2)n维随机变量(Xi,X2,…,Xn)服从n维正态分布的充分必要条件是X1,X2,…,Xn的任意线性组合C1X1+C2X2+…+CnXn均服从一维正态分布(其中C1,C2,…,Cm不全为零) (3)若(X1,X2,…,Xn)服从n维正态分布,设Y1,Y2,…,Yk是Xj(j=1,2,…,n)的线性函数,则(Y1,Y2,…,Yk)服从k维正态分布.

4.4大数定律与中心极限定理

一般的大数定律讨论个随机变量的平均值的稳定性

一、切比雪夫(Chebyshev)不等式

定理1设随机变量X的期望E(X)=μ,方差D(X)=σ2,则对于任意给定的正数ε,有 在这里插入图片描述 这个不等式称为切比雪夫不等式

在这里插入图片描述 切比雪夫不等式也可以写成 在这里插入图片描述 切比雪夫不等式表明:随机变量X的方差越小,则事件{|X-μ|0,有 在这里插入图片描述 证明 在这里插入图片描述 由切比雪夫不等式,得 在这里插入图片描述 令n→oo,再注意到概率不可能大于1,由夹逼定理可得结论。

三、中心极限定理

在实际问题中,许多随机现象是由大量相互独立的随机因素综合影响形成的,其中每一个因素在总的影响中所起的作用是微小的.这类随机变量一般都服从或近似服从正态分布.

定理3:(独立同分布的中心极限定理):设随机变量X1,X2,…,Xn,…相互独立,服从同一分布,且E(Xi)=μ,D(Xi)=σ2(i=1,2,…),则 在这里插入图片描述 左边的分布函数近似右边标准正态分布

正态分布, 在这里插入图片描述N(μ,nσ2), 其标准正态分布在这里插入图片描述

正态分布, 在这里插入图片描述, 其标准正态分布在这里插入图片描述

例2一盒同型号螺丝钉共有100个,已知该型号的螺丝钉的重量是一个随机变量,期望值是100g,标准差是10g,求一盒螺丝钉的重量超过10.2kg的概率. 解:设Xi,为第i个螺丝钉的重量,i=1,2,…,100,且它们之间独立同分布,于是,一盒螺丝钉的重量为在这里插入图片描述,而且 μ=E(Xi)=100,σ=√D(Xi)=10,n=100. 由中心极限定理有 在这里插入图片描述 即一盒螺丝钉的重量超过10.2kg的概率为0.0228.

例5某市保险公司开办一年人身保险业务,被保险人每年需交付保险费160元,若一年内发生重大人身事故,其本人或家属可获2万元赔偿金.己知该市人员一年内发生重大人身事故的概率为0.005,现有5000人参加此项保险,问保险公司一年内从此项业务中所得到的总收益在20万元到40万元之间的概率是多少? 解记在这里插入图片描述 于是,X:均服从参数为p=0.005的两点分布,P{Xi=1}=0.005,np=25在这里插入图片描述是5000个被保险人中一年内发生重大人身事故的人数,保险公司一年内从此项业务中所得到的总收益为 在这里插入图片描述万元.所以 在这里插入图片描述

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