随机变量的特征和性质

基本特征

XY 是两个连续随机变量,联合概率密度函数(joint PDF)为 fX,Y(x,y),满足

yxfX,Y(x,y)dxdy=1

X 的边际概率密度函数(marginal PDF)为

fX(x)f(x,y)dy

X 的期望(expectation)为

E(X)xxfX(x)dx

X 的方差(variance)为

Var(X)E[(XE(X))2]=E(X2)E(X)2

YX 的协方差(covariance)为

Cov(Y,X)E{[YE(Y)][XE(X)]}=E(XY)E(X)(Y)

条件特征

给定 X=x 时,Y 的条件概率密度函数(conditional PDF)为

fYX(yx)f(x,y)fX(x)

根据这个定义可以得到贝叶斯定理(Bayes' theorem)

f(x,y)=fYX(yx)fX(x)=fXY(xy)fY(y)

Y 的条件期望(conditional expectation)为

E[YX=x]=yyfYX(yx)dy

Y 给定 X 的条件方差(conditional variance)为

Var[YX]=E{[YE(YX)]2X}=E(Y2X)[E(YX)]2

数学性质

条件期望

对于随机变量 X 的任意函数 g(X)

E[g(X)X]=g(X)

对于随机变量 X 的任意函数 a(X)b(X)

E[a(X)Y+b(X)X]=a(X)E[YX]+b(X)

如果随机变量 XY 相互独立,

E[YX]=E[Y]

条件方差

对于随机变量 X 的任意函数 a(X)b(X)

Var[a(X)Y+b(X)X]=[a(X)]2Var(YX)

如果随机变量 XY 相互独立,

Var[YX]=Var[Y]

方差分解定理:

Var(Y)=E[Var(YX)]+Var[E(YX)]

证明:

Var(Y)=E(Y2)E(Y)2=E[E(Y2X)]E[E(YX)]2=E[E(Y2X)]E[E(YX)2]+E[E(YX)2]E[E(YX)]2=E[E(Y2X)E(YX)2]+{E[E(YX)2]E[E(YX)]2}=E[Var(YX)]+Var[E(YX)]