本附录介绍特征函数。特征函数本质上是概率测度的 Fourier 变换,因此可以用
Fourier 分析的方法研究概率测度、随机变量和分布函数,并建立它们之间的一一对应关系。
F.1 一般性质
回忆:若
而且
定义 F.1
- 设
是 上的概率测度。定义 的特征函数
(characteristic function,简称 ch.f.)为
- 设
是 上的分布函数。定义 的特征函数为
- 设
是随机变量。定义 的特征函数为
也就是说,概率测度、随机变量和分布函数的特征函数是同一个对象的三种等价写法。
命题 F.2
1.
是连续复值函数。
2.
- 若
是一列特征函数, ,且
则
也是特征函数。
- 若
是特征函数,则
也是特征函数。因此,有限多个特征函数的乘积仍是特征函数。
- 若
是特征函数,则
也是特征函数。若
- 若
是特征函数,则
也是特征函数。
例 F.3
- 若
则其特征函数为
- 若
服从 Cauchy 分布,密度为
则其特征函数为
- 若
在 上服从均匀分布,则其特征函数为
- 若
服从参数为 的 Poisson 分布,其分布函数为
则其特征函数为
因为特征函数就是概率测度的 Fourier 变换,所以可以利用 Fourier 反演研究分布。下面说明特征函数具有唯一确定分布的能力。
F.2 唯一性与反演
特征函数把概率测度映到函数。反演公式说明,这个映射是一一对应的:可以从特征函数恢复原概率测度。
定理 F.4 设
若 $x_1
这就是特征函数的反演公式。
定理 F.5
- 若
则
- 对任意
,
推论 F.6 若
则
也就是说,特征函数唯一确定概率测度。