03-概率论


本讲讨论实值离散随机变量与连续随机变量。

离散随机变量 由概率质量函数

给出,其中有限定义域 称为样本空间,并满足

例如,

其他

这表示 以 的概率取值 ,以 的概率取值 。

连续随机变量 由概率密度函数

给出,并满足

本讲通常取 。例如,

其他

表示 在区间 上均匀分布。

对集合 ,

随机变量的期望(均值)定义为

随机变量的累积分布函数定义为

若对所有集合 ,均有

则称 相互独立。

随机变量 相互独立,是指对所有集合 ,

若任意 时 与 独立,则称它们两两独立。相互独立比两两独立更强。

若

则称 不相关。

1.1 正态分布与对数正态分布

定义 1.1
给定 与 ,均值为 、方差为 的正态分布(高斯分布)记为

其概率密度为

练习 1.2
通过计算验证该分布的均值为 。

在股票市场建模中,假设股票价格的变化率服从正态分布,通常比假设价格本身服从正态分布更合理。对数正态分布适合描述这种情形:若随机变量的自然对数服从正态分布,则该随机变量服从对数正态分布。若正态分布的累积分布函数为 ,则相应对数正态分布的累积分布函数为 。

定理 1.3(变量替换)
设实值随机变量 的密度分别为 ,累积分布函数分别为 。假设二者可微,并存在函数 使

则

其中 称为雅可比因子。为避免不必要的技术细节,本讲假设有关函数均可微。

定义 1.4
参数为 的对数正态分布,其密度为

练习 1.5

  1. 计算对数正态分布的期望和方差。提示:先计算 的情形,并利用上述 是概率密度这一事实简化计算。
  2. 证明两个相互独立的对数正态随机变量之积仍服从对数正态分布。

课程中还会多次出现泊松分布与指数分布。这些分布连同正态和对数正态分布,都是指数族的例子。指数族的密度可用向量参数 写成

其中 ,而 为实值函数。

例如,对数正态密度可写成

取 ,可以令

指数族具有许多良好的统计性质。

本讲将重点讨论随机变量的两类统计性质:

  1. 矩母函数。 随机变量的 阶矩为 。各阶矩包含重要的统计信息,矩母函数把它们编码进一个函数。
  2. 长期或大尺度行为。 研究同一随机变量被反复独立试验时的结果。

2. 矩母函数

定义 2.1
随机变量 的矩母函数定义为

并非所有随机变量都存在矩母函数,因为右侧的和或积分可能不收敛。例如,对数正态分布在 时 发散,因而没有在零点邻域内存在的矩母函数。

“矩母函数”这一名称来自

若矩母函数存在,则可形式化展开为

定理 2.2

  1. 若随机变量 的矩母函数相同,即对所有 有 ,则二者同分布。
  2. 设 的矩母函数为 ,累积分布函数 连续。若随机变量序列 满足

    对所有 成立,则 依分布收敛到 ,即对所有实数 ,

本讲不证明该定理,证明见参考文献 [1]。

应谨慎理解第 1 部分:它并不表示“各阶矩相同”的任意两个随机变量必然同分布,因为矩母函数可能不存在。

3. 大数定律

定理 3.1(弱大数定律)
设 为独立同分布随机变量,均值为 ,方差为 ,并令

则对任意 ,

证明

由期望的线性性,

故 。再计算方差:

由 相互独立,交叉项期望为零,因此

又因为

所以由切比雪夫不等式,

证毕。

上述定理是很弱的形式:

  1. 条件可以放宽,结论仍成立;
  2. 在同样假设下还能得到更强的结论,即强大数定律。

更多内容见参考文献 [1]。

例 3.2:赌场
玩家与赌场对赌的游戏,例如轮盘赌,通常被设计成在玩家采用最优策略时赌场仍有约 1%—5% 的优势。同时,单局结果的标准差相对这点平均优势很大。因此从玩家角度看,短期内似乎任何结果都可能发生,也有合理机会获利;但从赌场角度看,只要每局结果足够独立,大数定律就意味着长期经营将获利。

这不适用于玩家彼此对局的游戏,如扑克。此时赌场通常通过对每局收取费用获利。

4. 中心极限定理

大数定律研究

若每个 的均值为零,则 的均值也为零。考虑标准化后的随机变量

的均值为零、方差为 ,与单个 相同。它的分布是否也与 相似?下面的定理给出一个出人意料而普适的答案。

定理 4.1(中心极限定理)
设 独立同分布,均值为 ,方差为 ,矩母函数为 。则当 时,

依分布收敛到正态分布 。

证明

用 替换 ,可不失一般性地假设 。此时

由于 相互独立,

利用矩母函数在零点的展开,

因此

右侧正是 的矩母函数,所以由定理 2.2, 依分布收敛于 。证毕。

例 4.2:估计随机变量的均值
假设观测到随机变量 的 个独立样本 ,并希望估计 的均值。一个自然估计量是

本身也是随机变量。大数定律说明它收敛到真实均值;中心极限定理则说明经适当中心化后 的渐近分布。后续课程将讨论为何样本均值在某些分布下合理,以及为何在另一些分布下它未必是最佳选择。

参考文献

[1] R. Durrett, Probability: Theory and Examples, 第 3 版。


文章作者: Gustavo
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