概率论与数理统计基础(三):常用连续分布

概率论与数理统计基础(三):常用连续分布

注:本文针对常用的连续分布:正态分布、均匀分布、指数分布、伽马分布、卡方分布与贝塔分布作了大致的介绍,需要记住它们的参数、数学期望与方差、以及密度函数,一个分布就是一个概率模型。

目录

各种分布之间的关系

1 正态分布

密度函数、分布函数、背景、参数 、参数

标准正态分布、标准化变换、由正态分布计算概率值、正态分布的3 原则

2 均匀分布

背景、密度函数、分布函数、均匀分布的密度函数与分布函数图

期望与方差、标准均匀分布

3 指数分布

背景、密度函数、指数分布密度函数图、分布函数

数学期望与方差、指数分布的无记忆性

4 伽马分布 ​

伽马函数 ​、背景、密度函数、数学期望与方差、与指数分布​ 的关系

5 卡方分布 ​ (Chi square)

与伽马分布的关系、密度函数、期望与方差

6 贝塔分布 ​

背景、贝塔函数 ​ 、密度函数、数学期望与方差、与均匀分布的关系

【7】 对数正态分布 ​

【8 】韦布尔分布 【9】 t分布 【 10 】F 分布

7 常用连续分布表

常用连续分布

各种分布之间的关系

伽马分布与指数分布:负二项分布与几何分布【离散分布】:伽马分布与卡方分布:正态分布与卡方分布:若 ,则贝塔分布与均匀分布:

【1 】正态分布

密度函数

正态分布的密度函数曲线又称“钟形曲线”

分布函数

或写成用分号隔开参数和随机变量的形式

其中参数 ,

背景:

测量误差常被认为服从正态分布/【高斯分布】,因为它是由大量微小的、独立的随机因素叠加的结果。

参数

是正态分布的数学期望,即 ,称 为正态分布的位置参数/对称中心,以 为对称轴,正态分布左右两边的密度函数曲线 与x 轴所围的面积各为0.5 , 也是正态分布的中位数 。标准差 相同,而 不同时,相当于把密度函数曲线沿着x轴作水平位移,如下图所示

(图的右上角备注了不同颜色的曲线对应的参数)

若 ,则 X在离 越近取值的可能性越大;离 越远取值的可能性越小。

参数

是正态分布的方差,即 , 是正态分布的标准差, 越小,正态分布越集中,密度曲线越“高瘦”, 越大,正态分布越分散,密度曲线越“矮胖”, 又称为正态分布的尺度参数。若 ,则 其密度函数 在 处有两个拐点。设 ,则

标准正态分布

称 的正态分布 为标准正态分布,记U为标准正态变量, 标准正态分布的密度函数和分布函数 满足如下关系:

;对于 的值可直接查正态分布表。

标准化变换

正态分布的性质:正态变量的线性变换仍为正态变量,即

若 ,则当 时,有 .

若 ,则 ,其中 称为 X的标准化变换。

由正态分布计算概率值

涉及正态分布的概率计算,一般是先转化为标准正态,再查标准正态的分布函数表,即可求得概率值。

若 ,则 对任意的实数a 与b,有

正态分布的3原则

设 ,则

管理学中的六西格玛原则就是与均值 的标准偏差不小于 6,也就是这种差异的绝对值不小于3,表示当产品质量控制在这个范围内时,此时的产品无缺陷的概率高达99.73%,这个原则可用来降低产品与服务的缺陷次数。参考:六西格玛

后期再讲中心极限定理时,还会再次用到正态分布,它可以说是最基础最重要的连续分布了。

参考 正态分布(高斯分布) - hhaowang的博客

【2 】均匀分布

背景

向区间 内随机投点,使点落在任意相等长度的小区间内的可能性相等,则落点坐标服从均匀分布 .

密度函数

分布函数

均匀分布的密度函数与分布函数图

期望与方差

;

标准均匀分布

称区间(0,1)上的均匀分布为标准均匀分布,它是导出其它均匀分布随机数的桥梁。

【3】 指数分布

背景

很多产品的寿命 可认为(近似)服从指数分布;一个元器件/设备/系统 遇到外来冲击即告失效,则首次冲击来到的时间X(寿命)服从指数分布

密度函数

指数分布密度函数图

分布函数

数学期望与方差

指数分布的无记忆性

若 ,则对任意的 ,有

【4】 伽马分布

伽马函数

称 为伽马函数,其中参数 ,伽马函数具有如下性质:

,n为自然数;或写作

余元公式:对于 ,有

与贝塔函数 的关系 : 对于 ;伽马函数是严格凹函数。x足够大时,可以用Stirling 公式来计算Gamma 函数值:

背景:

若一个元器件能抵挡一些外来冲击,但遇到第k次冲击即告失效,则第k 次冲击来到的时间X(寿命)服从形状参数为k的伽马分布 .

密度函数:

为形状参数 , 为尺度参数 ;

密度函数图如下所示,

数学期望与方差

与指数分布 的关系

若形状参数为整数k,则伽马变量可以表示成k个独立同分布的指数变量之和。即,

若 ,则 ,其中 【独立同分布】

【 5】 卡方分布 (Chi square)

与伽马分布的关系

称 的伽马分布为自由度为n的卡方分布,即

密度函数

期望与方差

注:后期再讲数理统计中的t分布与F分布时,再重新细讲卡方分布。参考重要抽样分布:卡方分布(χ2分布)、t分布和F分布

【6】 贝塔分布

背景

很多比率,比如,产品的不合格率、机器的维修率、某商品的市场占有率、射击的命中率....都是在区间(0,1)上取值的随机变量,可用beta分布来描述这些随机变量

贝塔函数

称 为贝塔函数,其中参数 。贝塔函数的性质:

密度函数

当 时,为f(x);否则为0.

其中 都是形状参数。【下图中 a就是 ,b就是 】

贝塔分布是定义在(0,1)区间上的连续概率分布,是伯努利分布和二项式分布的共轭先验分布。

数学期望与方差

与均匀分布的关系

当 时的贝塔分布就是区间(0,1)上的均匀分布,即 .

【7】 对数正态分布

若X的密度函数为 如下 ,

则称X服从对数正态分布,记为 .其中 .

对数正态分布的密度函数图

对数正态分布的期望与方差

若 , 则 .

与正态分布的关系:

若 ,则

【8 】韦布尔分布

【9】 t分布

【 10 】F 分布

7 常用连续分布表

概率论与数理统计教程-茆诗松-第二版 ;习题与解答

贝塔、伽马分布 - CSDN博客

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