随机变量的概率特征

无条件特征

假设连续型随机变量 (X,Y) 的联合概率密度函数(joint probability density function)为 p(x,y)

X 的边缘概率密度函数(marginal probability density function)为

pX(x)≡∫−∞∞p(x,y)dy

X 的期望(expectation)为

E(X)≡∫xx⋅pX(x)dx

X 的方差(variation)为

Var(X)≡E[(X−E(X))2]=E(X2)−E(X)2

Y 和 X 的协方差(covariation)为

Cov(Y,X)≡E{[Y−E(Y)][X−E(X)]}=E(XY)−E(X)(Y)

条件特征

Y 给定 X 的条件概率密度函数(conditional probability density function)为

pY∣X(x,y)≡p(x,y)pX(x,y)

根据这个定义可以得到贝叶斯定理(Bayes' theorem)

p(x,y)=pY∣X(x,y)⋅pX(x)=pX∣Y(x,y)⋅pY(y)

Y 给定 X 的条件期望(conditional expectation)为

E[Y∣X=x]=∫yy⋅pY∣X(x,y)dy
Tip

对于任意一个实数 x 都仅存在一个实数 E[Y∣X=x] 与之对应,因此也可以称之为条件期望函数(conditional expectation function);若写为 E[Y∣X] 则表示随机变量到随机变量的映射。

Y 给定 X 的条件方差(conditional variation)为

Var[Y∣X]=E{[Y−E(Y∣X)]2∣X}=E(Y2∣X)−[E(Y∣X)]2

特征性质

条件方差

性质 1

Var[a(X)Y+b(X)∣X]=[a(X)]2Var(Y∣X)

性质 2

Var(Y)=E[Var(Y∣X)]+Var[E(Y∣X)]

证明 2

Var(Y)=E(Y2)−E(Y)2=E[E(Y2∣X)]−E[E(Y∣X)]2=E[E(Y2∣X)]−E[E(Y∣X)2]+E[E(Y∣X)2]−E[E(Y∣X)]2=E[E(Y2∣X)−E(Y∣X)2]+{E[E(Y∣X)2]−E[E(Y∣X)]2}=E[Var(Y∣X)]+Var[E(Y∣X)]