《随机过程》第一章-基础概念

Last updated on January 10, 2026 am

Prompt: 请用简要概括这篇文章的主要内容与要点。
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事件与概率

试验

通常把按照一定想法去做的事件称为试验(experiment),把试验的可能结果称为样本点(sample point),样本点的集合称为样本空间(sample space)。通常将样本空间记为 Ω\Omega,样本点记为 ω\omega。

试验(按照自己的想法做一件事情)→\rightarrow 不确定性 →\rightarrow 产生结果 →\rightarrow 样本点 sample point,记作ω\omega。

得到样本点集合 →\rightarrow 样本空间,记作Ω\Omega。

例如:ω=1,2,3,4,5,6\omega=1,2,3,4,5,6 Ω={1,2,3,4,5,6}\Omega=\{1,2,3,4,5,6\} 事件(event)是样本空间 Ω\Omega 的子集,且满足三个条件:

  • Ω\Omega 是事件;
  • 若 AA 是事件,则 AcA^c 是事件;(AcA^c是AA的补集,C-Complement)
  • 若 AiA_i 是事件,则 ⋃i=1∞Ai\bigcup_{i=1}^{\infty} A_i 是事件。

对于事件 AA,如果使用 P(A)\mathbb{P}(A) 表示事件发生的概率,则 P(A)\mathbb{P}(A) 满足以下条件:

  • 非负性:P(A)≥0\mathbb{P}(A)\ge 0;
  • 完备性:P(Ω)=1\mathbb{P}(\Omega)=1;
  • 可列可加性:对于互不相容的事件 A1,A2,…A_1,A_2,\ldots,有 P ⁣(⋃i=1∞Ai)=∑i=1∞P(Ai).\mathbb{P}\!\left(\bigcup_{i=1}^{\infty} A_i\right)=\sum_{i=1}^{\infty}\mathbb{P}(A_i).

对于样本空间 Ω\Omega 和概率 P\mathbb{P},用 F\mathcal{F} 表示全体事件时,称为三位一体的 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) 为概率空间(probability space)。

F\mathcal{F} 称作 σ\sigma-代数,其反映了全体事件。假设 Ω={1,2,3}\Omega=\{1,2,3\},则 F\mathcal{F} 可表示为:

F={∅,{1},{2},{3},{1,2},{1,3},{2,3},{1,2,3}}.\mathcal{F}=\{\varnothing,\{1\},\{2\},\{3\},\{1,2\},\{1,3\},\{2,3\},\{1,2,3\}\}.

对于 σ\sigma-代数 F\mathcal{F},其中的元素满足以下条件:

  • 若 Ai∈FA_i\in\mathcal{F},则 Aic∈FA_i^c\in\mathcal{F};
  • 若 Ai,Aj∈FA_i,A_j\in\mathcal{F},∀ i,j\forall\, i,j,则 Ai∩Aj∈FA_i\cap A_j\in\mathcal{F};
  • 若 Ai,Aj∈FA_i,A_j\in\mathcal{F},∀ i,j\forall\, i,j,则 Ai∪Aj∈FA_i\cup A_j\in\mathcal{F}。

简而言之,对 σ\sigma-代数 F\mathcal{F} 中的元素取补集、交集和并集,结果均在 F\mathcal{F} 中。(σ\sigma-代数对并、交、补运算均封闭)

  • P(∅)=0\mathbb{P}(\varnothing)=0;

  • 当且仅当 A1,A2,…,AnA_1,A_2,\ldots,A_n 互不相容时,等号成立:

    P ⁣(⋃i=1nAi)≤∑i=1nP(Ai).\mathbb{P}\!\left(\bigcup_{i=1}^{n} A_i\right)\le \sum_{i=1}^{n}\mathbb{P}(A_i).
  • 如果 B⊂AB\subset A,则

    P(A)−P(B)=P(A−B)≥0.\mathbb{P}(A)-\mathbb{P}(B)=\mathbb{P}(A-B)\ge 0.
  • P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(AB).\mathbb{P}(A\cup B)=\mathbb{P}(A)+\mathbb{P}(B)-\mathbb{P}(AB).
  • 当 P(A)>0\mathbb{P}(A)>0 时,

    P(B∣A)=P(AB)P(A).\mathbb{P}(B\mid A)=\frac{\mathbb{P}(AB)}{\mathbb{P}(A)}.

乘法公式

P(B1B2⋯Bn)=P(B1) P(B2∣B1)⋯P(Bn∣B1B2⋯Bn−1).\mathbb{P}(B_1B_2\cdots B_n) =\mathbb{P}(B_1)\,\mathbb{P}(B_2\mid B_1)\cdots \mathbb{P}(B_n\mid B_1B_2\cdots B_{n-1}).

当 P(A)>0\mathbb{P}(A)>0 时,

P(B1B2⋯Bn∣A)=P(B1∣A) P(B2∣B1A)⋯P(Bn∣B1B2⋯Bn−1A).\mathbb{P}(B_1B_2\cdots B_n\mid A) =\mathbb{P}(B_1\mid A)\,\mathbb{P}(B_2\mid B_1A)\cdots \mathbb{P}(B_n\mid B_1B_2\cdots B_{n-1}A).

全概率公式

若事件 A1,A2,…A_1,A_2,\ldots 互不相容,则当 B⊂⋃i=1∞AiB\subset \bigcup_{i=1}^{\infty}A_i 或者 ⋃i=1∞Ai=Ω\bigcup_{i=1}^{\infty}A_i=\Omega 时,有:

P(B)=∑i=1∞P(BAi)=∑i=1∞P(B∣Ai)P(Ai).\mathbb{P}(B)=\sum_{i=1}^{\infty}\mathbb{P}(BA_i) =\sum_{i=1}^{\infty}\mathbb{P}(B\mid A_i)\mathbb{P}(A_i).

当 P(A)>0\mathbb{P}(A)>0 时,

P(B∣A)=∑i=1∞P(B∣AiA) P(Ai∣A).\mathbb{P}(B\mid A)=\sum_{i=1}^{\infty}\mathbb{P}(B\mid A_iA)\,\mathbb{P}(A_i\mid A).

贝叶斯公式(Bayesian formula)

P(A∣B)=P(B∣A)⋅P(A)P(B).\mathbb{P}(A\mid B)=\frac{\mathbb{P}(B\mid A)\cdot \mathbb{P}(A)}{\mathbb{P}(B)}.

若 A1,A2,…A_1,A_2,\ldots 为一系列互不相容的事件,并且

⋃i=1∞Ai=Ω,P(Ai)>0, ∀i,\bigcup_{i=1}^{\infty} A_i=\Omega,\qquad \mathbb{P}(A_i)>0,\ \forall i,

则对任一事件 BB,有:

P(Ai∣B)=P(B∣Ai)⋅P(Ai)∑k=1∞P(B∣Ak)⋅P(Ak),i=1,2,…\mathbb{P}(A_i\mid B)=\frac{\mathbb{P}(B\mid A_i)\cdot \mathbb{P}(A_i)}{\sum_{k=1}^{\infty}\mathbb{P}(B\mid A_k)\cdot \mathbb{P}(A_k)},\qquad i=1,2,\ldots

概率的连续性

如果 A1⊂A2⊂⋯A_1\subset A_2\subset \cdots,B1⊃B2⊃⋯B_1\supset B_2\supset \cdots,则有:

P ⁣(⋃i=1∞Ai)=lim⁡n→∞P(An),\mathbb{P}\!\left(\bigcup_{i=1}^{\infty} A_i\right)=\lim_{n\to\infty}\mathbb{P}(A_n), P ⁣(⋂i=1∞Bi)=lim⁡n→∞P(Bn).\mathbb{P}\!\left(\bigcap_{i=1}^{\infty} B_i\right)=\lim_{n\to\infty}\mathbb{P}(B_n).

随机变量和随机向量

随机变量

随机变量 XX 是定义在样本空间 Ω\Omega 上的函数。

FX(t)=P(X≤t)F_X(t)=\mathbb{P}(X\le t) 是 XX 的分布函数,该函数是单调不减的右连续函数。

对于连续型随机变量 XX 而言,

FX(t)=P(X≤t)=∫−∞tf(s) ds.F_X(t)=\mathbb{P}(X\le t)=\int_{-\infty}^{t} f(s)\,ds.

其中:FX(t)F_X(t) 是 XX 的分布函数(distribution function),f(s)f(s) 是 XX 的密度函数(density function),相应:

P(X∈A)=∫Af(s) ds.\mathbb{P}(X\in A)=\int_{A} f(s)\,ds.

随机向量

如果 X1,X2,…,XnX_1,X_2,\ldots,X_n 都是随机变量,则 X=(X1,X2,…,Xn)X=(X_1,X_2,\ldots,X_n) 称作随机向量。相应地,定义在 Rn\mathbb{R}^n 上的 nn 元函数

FX(x1,x2,…,xn)=P(X1≤x1,  X2≤x2,  …,  Xn≤xn)F_X(x_1,x_2,\ldots,x_n)=\mathbb{P}(X_1\le x_1,\; X_2\le x_2,\; \ldots,\; X_n\le x_n)

称作 X=(X1,X2,…,Xn)X=(X_1,X_2,\ldots,X_n) 的分布函数。

与前面类似,对于连续型随机向量 XX,

P(X∈D)=∫Df(x) dx1 dx2⋯dxn.\mathbb{P}(X\in D)=\int_D f(\mathbf{x})\,dx_1\,dx_2\cdots dx_n.

其中:f(x)=f(x1,x2,…,xn)f(\mathbf{x})=f(x_1,x_2,\ldots,x_n) 是 XX 的联合密度;DD 是定义在 Rn\mathbb{R}^n 上的区域(domain)。

随机过程的概念

随机过程的定义

设 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) 是一个概率空间,TT 为一个参数集。对每一个 t∈Tt\in T,均有定义在概率空间上的一个随机变量 Xt(ω)X_t(\omega),ω∈Ω\omega\in\Omega 与之对应,则称 {Xt:t∈T}\{X_t:t\in T\} 为 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) 上的一个随机过程(stochastic process)。

tt 通常理解成时间,相应的参数集 TT 通常指的是时间参数,XtX_t 可看作过程在时刻 tt 的状态,XtX_t 的取值范围称作状态空间 SS。

时间:离散,连续

状态:离散,连续

状态空间 \ 时间参数离散 (D)连续 (C)
离散 (D)马氏链连续时间马氏链
连续 (C)-布朗运动(金融数学)

对于 Xt(ω)X_t(\omega),

  • 若固定 ω\omega,XtX_t 称为样本函数或轨道,是随机过程的一次实现(realization)(例:时间序列)
  • 若固定 tt,X(ω)X(\omega) 称为一个随机变量;
  • 所有可能出现的结果的总体 {X1(ω),X2(ω),…,Xn(ω),…}\{X_1(\omega),X_2(\omega),\ldots,X_n(\omega),\ldots\},ω∈Ω\omega\in\Omega 构成一个随机过程。

随机过程可看作所有样本函数的集合(assemble)。

以股价为例

当前时刻记为 00,对于 t≥0t\ge 0,用 XtX_t 表示 tt 时刻的股价,显然:XtX_t 是随机变量。

  • 随机变量的集合 {Xt}\{X_t\} 称为随机过程。
  • 随着时间的推移,可以观测到股价的一次记录曲线 {xt}\{x_t\},这条曲线称为随机过程 {Xt}\{X_t\} 的一次实现或一条轨迹。

数学期望

离散型随机变量的期望

设 XX 有离散的概率分布如下:

pi=P(X=xi),i=1,…,np_i=\mathbb{P}(X=x_i),\qquad i=1,\ldots,n

则

E(X)=∑i=1nxipi.\mathbb{E}(X)=\sum_{i=1}^{n} x_i p_i.

类似地:

E(X2)=∑i=1nxi 2pi.\mathbb{E}(X^2)=\sum_{i=1}^{n} x_i^{\,2} p_i.

离散型随机变量期望的其他表达式

设 XX 为取值是非负整数的随机变量,其期望值的计算公式如下:

E(X)=∑k=1∞P(X≥k).\mathbb{E}(X)=\sum_{k=1}^{\infty}\mathbb{P}(X\ge k).

简略证明

∑k=1∞P(X≥k)=∑k=1∞∑i=k∞P(X=i)=∑i=1∞∑k=1iP(X=i)=∑i=1∞i⋅P(X=i)=E(X).\sum_{k=1}^{\infty}\mathbb{P}(X\ge k) =\sum_{k=1}^{\infty}\sum_{i=k}^{\infty}\mathbb{P}(X=i) =\sum_{i=1}^{\infty}\sum_{k=1}^{i}\mathbb{P}(X=i) =\sum_{i=1}^{\infty} i\cdot \mathbb{P}(X=i) =\mathbb{E}(X).

连续型随机变量的期望

设 XX 是有密度函数 f(x)f(x) 的随机变量,即

P(X≤a)=∫−∞af(x) dx\mathbb{P}(X\le a)=\int_{-\infty}^{a} f(x)\,dx

则

E(X)=∫−∞∞xf(x) dx.\mathbb{E}(X)=\int_{-\infty}^{\infty} x f(x)\,dx.

类似地:

E(X2)=∫−∞∞x2f(x) dx.\mathbb{E}(X^2)=\int_{-\infty}^{\infty} x^2 f(x)\,dx.

卷积

随机变量之和的概率——离散情形

设随机变量 XX 和 YY 独立,且满足:

P(X=k)=ak,P(Y=k)=bk,k=0,1,…\mathbb{P}(X=k)=a_k,\qquad \mathbb{P}(Y=k)=b_k,\qquad k=0,1,\ldots

则 Z=X+Y=nZ=X+Y=n(n≥0n\ge 0)的概率为:

P(Z=n)=P(X+Y=n)=∑i=0nP(X=i,  Y=n−i)=∑i=0nP(X=i)P(Y=n−i)=∑i=0nai bn−i.\mathbb{P}(Z=n)=\mathbb{P}(X+Y=n)=\sum_{i=0}^{n}\mathbb{P}(X=i,\;Y=n-i) =\sum_{i=0}^{n}\mathbb{P}(X=i)\mathbb{P}(Y=n-i) =\sum_{i=0}^{n} a_i\,b_{n-i}.

令 P(Z=n)=cn\mathbb{P}(Z=n)=c_n,则:

cn=∑i=0nai bn−i.c_n=\sum_{i=0}^{n} a_i\,b_{n-i}.

这里的序列 {cn}\{c_n\} 称作序列 {an}\{a_n\} 和 {bn}\{b_n\} 的卷积(convolution),其中 n≥0n\ge 0。

随机变量之和的分布函数——连续情形

设随机变量 XX 和 YY 独立,其分布函数分别为 F(x)F(x) 和 G(y)G(y),则 U=X+YU=X+Y 有如下分布函数:

U(t)=P(X+Y≤t)=∑0≤s≤tP(X+Y≤t∣Y=s) P(Y=s)U(t)=\mathbb{P}(X+Y\le t) =\sum_{0\le s\le t}\mathbb{P}(X+Y\le t\mid Y=s)\,\mathbb{P}(Y=s) =∫0tP(X≤t−s) dG(s)=∫0tF(t−s) dG(s).=\int_{0}^{t}\mathbb{P}(X\le t-s)\,dG(s) =\int_{0}^{t}F(t-s)\,dG(s).

由于 X+Y=Y+XX+Y=Y+X,因此:

∫0tF(t−s) dG(s)=∫0tG(t−s) dF(s).\int_{0}^{t}F(t-s)\,dG(s)=\int_{0}^{t}G(t-s)\,dF(s).

举例

设随机变量 XX 和 YY 独立,其分布函数分别为

FX(x)=1−e−λx,x≥0;GY(y)=y2,0≤y≤2.F_X(x)=1-e^{-\lambda x},\quad x\ge 0;\qquad G_Y(y)=\frac{y}{2},\quad 0\le y\le 2.

求 U=X+YU=X+Y 的分布函数。

运用卷积求解

分布函数求解的公式如下:

U(t)=P(X+Y≤t)=∫0tFX(t−s) dGY(s).U(t)=\mathbb{P}(X+Y\le t)=\int_{0}^{t} F_X(t-s)\,dG_Y(s).

这里要特别注意:y∈[0,2]y\in[0,2],因此需要根据 tt 的取值分情况来讨论。

当 t<2t<2 时:

U(t)=∫0tFX(t−s) dGY(s)=∫0t[1−e−λ(t−s)] d ⁣(s2)U(t)=\int_{0}^{t}F_X(t-s)\,dG_Y(s) =\int_{0}^{t}\bigl[1-e^{-\lambda(t-s)}\bigr]\,d\!\left(\frac{s}{2}\right) =12[∫0tds−e−λt∫0teλs ds]=12[t−1λ+e−λtλ].=\frac12\left[\int_{0}^{t}ds-e^{-\lambda t}\int_{0}^{t}e^{\lambda s}\,ds\right] =\frac12\left[t-\frac{1}{\lambda}+\frac{e^{-\lambda t}}{\lambda}\right].

当 t≥2t\ge 2 时:

U(t)=∫02FX(t−s) dGY(s)=∫02[1−e−λ(t−s)] d ⁣(s2)U(t)=\int_{0}^{2}F_X(t-s)\,dG_Y(s) =\int_{0}^{2}\bigl[1-e^{-\lambda(t-s)}\bigr]\,d\!\left(\frac{s}{2}\right) =12[∫02ds−e−λt∫02eλs ds]=1−e−λt2λ(e2λ−1).=\frac12\left[\int_{0}^{2}ds-e^{-\lambda t}\int_{0}^{2}e^{\lambda s}\,ds\right] =1-\frac{e^{-\lambda t}}{2\lambda}\bigl(e^{2\lambda}-1\bigr).

随机变量之和的密度函数:卷积

设随机变量 XX 和 YY 独立,其概率密度函数分别为 f(x)f(x) 和 g(y)g(y),则 U=X+YU=X+Y 有如下概率密度函数 u(t)u(t):

u(t)=∫0tf(t−s)g(s) ds:=(f∗g)(t)=∫0tg(t−s)f(s) ds:=(g∗f)(t).u(t)=\int_{0}^{t} f(t-s)g(s)\,ds := (f*g)(t) =\int_{0}^{t} g(t-s)f(s)\,ds := (g*f)(t).

(f∗g)(t)(f*g)(t) 称为函数 ff 和 gg 的卷积(convolution)。

卷积满足交换律:f∗g=g∗ff*g=g*f。

卷积:举例

设随机变量 XX 和 YY 独立,其概率密度函数分别为

fX(x)=λe−λx,fY(y)=λe−λy,f_X(x)=\lambda e^{-\lambda x},\qquad f_Y(y)=\lambda e^{-\lambda y},

求 U=X+YU=X+Y 的概率密度函数。(两个指数分布rev得到的分布为Gamma分布,Erlang分布)

运用卷积求解

fU(t)=∫0tfX(t−s)fY(s) ds=∫0tλe−λ(t−s)⋅λe−λs dsf_U(t)=\int_{0}^{t} f_X(t-s)f_Y(s)\,ds =\int_{0}^{t}\lambda e^{-\lambda(t-s)}\cdot \lambda e^{-\lambda s}\,ds =λ2∫0te−λt ds=λ2[−1λe−λt]s=0s=t=λ2t e−λt.=\lambda^2\int_{0}^{t} e^{-\lambda t}\,ds =\lambda^2\left[-\frac{1}{\lambda}e^{-\lambda t}\right]_{s=0}^{s=t} =\lambda^2 t\,e^{-\lambda t}.

概率母函数

概率母函数的概念

概率母函数 GX(s)G_X(s) (generating function)是随机变量的概率质量函数(probability mass function, pmf)的幂级数表达式,其表达式如下:

GX(s)=E[sX]=∑k=0∞sk⋅P(X=k),s∈[−1,1].G_X(s)=\mathbb{E}[s^X]=\sum_{k=0}^{\infty}s^k\cdot \mathbb{P}(X=k),\qquad s\in[-1,1].

对 GX(s)G_X(s) 关于 ss 求导,可得:

GX′(s)=E[XsX−1]=∑k=0∞k sk−1⋅P(X=k),G_X'(s)=\mathbb{E}[Xs^{X-1}]=\sum_{k=0}^{\infty}k\,s^{k-1}\cdot \mathbb{P}(X=k), GX′′(s)=E[X(X−1)sX−2]=∑k=0∞k(k−1) sk−2⋅P(X=k).G_X''(s)=\mathbb{E}[X(X-1)s^{X-2}]=\sum_{k=0}^{\infty}k(k-1)\,s^{k-2}\cdot \mathbb{P}(X=k).

令s=1s=1, GX′(s)=EXG_X'(s)=\mathbb{E}X, GX′′(s)=E[X(X−1)]=E(X2)−EX.G_X''(s)=\mathbb{E}[X(X-1)]=\mathbb{E}(X^2)-\mathbb{E}X.

Var(x)=E(X2)−[EX]2Var(x)=\mathbb{E}(X^2)-[\mathbb{E}X]^2

矩母函数

矩母函数的概念

每个随机变量X 对应唯一一个矩母函数。 矩母函数(Moment Generating Function, MGF)是一种构造函数。对于任何满足概率密度函数为 f(x)f(x) 的随机变量 XX,其矩母函数如下:

MX(t)=E(etX)=∫−∞∞etxf(x) dx.M_X(t)=\mathbb{E}(e^{tX})=\int_{-\infty}^{\infty} e^{tx}f(x)\,dx.

根据 Taylor 展开式:

ex=1+x+x22!+x33!+⋯=∑k=0∞xkk!e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\cdots=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{x^k}{k!}

可得:

etx=∑k=0∞(tx)kk!.e^{tx}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(tx)^k}{k!}.

矩母函数可以相应进行如下展开:

MX(t)=∫−∞∞etxf(x) dx=∫−∞∞f(x)∑k=0∞(tx)kk! dxM_X(t)=\int_{-\infty}^{\infty} e^{tx}f(x)\,dx =\int_{-\infty}^{\infty} f(x)\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(tx)^k}{k!}\,dx =∑k=0∞tkk!∫−∞∞xkf(x) dx=∑k=0∞tkk! E[Xk]=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{t^k}{k!}\int_{-\infty}^{\infty}x^k f(x)\,dx =\sum_{k=0}^{\infty}\frac{t^k}{k!}\,\mathbb{E}[X^k] =1+t⋅E[X]+t22!⋅E[X2]+⋯+tnn!⋅E[Xn]+⋯=1+t\cdot \mathbb{E}[X]+\frac{t^2}{2!}\cdot \mathbb{E}[X^2]+\cdots+\frac{t^n}{n!}\cdot \mathbb{E}[X^n]+\cdots

由此可见,矩母函数包含了随机变量 XX 的各种中心矩 E[Xn]\mathbb{E}[X^n],n=1,2,3,…n=1,2,3,\ldots。

由矩母函数求各阶中心矩 E[Xn]\mathbb{E}[X^n]

注意到:对

MX(t)=∫−∞∞etxf(x) dxM_X(t)=\int_{-\infty}^{\infty} e^{tx}f(x)\,dx

关于 tt 求导,可得:

dMX(t)dt=∫−∞∞etx⋅xf(x) dx.\frac{dM_X(t)}{dt}=\int_{-\infty}^{\infty} e^{tx}\cdot x f(x)\,dx.

类似地:

dnMX(t)dtn=∫−∞∞etx⋅xnf(x) dx.\frac{d^n M_X(t)}{dt^n}=\int_{-\infty}^{\infty} e^{tx}\cdot x^n f(x)\,dx.

当 t=0t=0 时:

dnMX(t)dtn∣t=0=∫−∞∞xnf(x) dx=E[Xn].\left.\frac{d^n M_X(t)}{dt^n}\right|_{t=0} =\int_{-\infty}^{\infty} x^n f(x)\,dx =\mathbb{E}[X^n].

举例:指数分布的中心矩求算

假设随机变量 XX 服从速率为 λ\lambda 的指数分布,其概率密度函数为:

fX(x)=λe−λx,λ>0, x≥0.f_X(x)=\lambda e^{-\lambda x},\qquad \lambda>0,\ x\ge 0.

相应的矩母函数如下:

MX(t)=E ⁣(etX)=∫0∞etxλe−λx dxM_X(t)=\mathbb{E}\!\left(e^{tX}\right)=\int_{0}^{\infty} e^{tx}\lambda e^{-\lambda x}\,dx =λ∫0∞e−(λ−t)x dx=λ[1t−λe−(λ−t)x]x=0x=∞=λλ−t,t<λ.=\lambda\int_{0}^{\infty} e^{-(\lambda-t)x}\,dx =\lambda\left[\frac{1}{t-\lambda}e^{-(\lambda-t)x}\right]_{x=0}^{x=\infty} =\frac{\lambda}{\lambda-t},\qquad t<\lambda.

矩母函数

MX(t)=λλ−t,λ>t.M_X(t)=\frac{\lambda}{\lambda-t},\qquad \lambda>t.

相应地:

dMX(t)dt=λ(λ−t)2 ⇒ E(X)=dMX(t)dt∣t=0=1λ.\frac{dM_X(t)}{dt}=\frac{\lambda}{(\lambda-t)^2} \ \Rightarrow\ \mathbb{E}(X)=\left.\frac{dM_X(t)}{dt}\right|_{t=0}=\frac{1}{\lambda}. d2MX(t)dt2=2λ(λ−t)3 ⇒ E(X2)=d2MX(t)dt2∣t=0=2λ2.\frac{d^2M_X(t)}{dt^2}=\frac{2\lambda}{(\lambda-t)^3} \ \Rightarrow\ \mathbb{E}(X^2)=\left.\frac{d^2M_X(t)}{dt^2}\right|_{t=0}=\frac{2}{\lambda^2}. d3MX(t)dt3=2⋅3λ(λ−t)4 ⇒ E(X3)=d3MX(t)dt3∣t=0=6λ3.\frac{d^3M_X(t)}{dt^3}=\frac{2\cdot 3\lambda}{(\lambda-t)^4} \ \Rightarrow\ \mathbb{E}(X^3)=\left.\frac{d^3M_X(t)}{dt^3}\right|_{t=0}=\frac{6}{\lambda^3}.

因此:

E(Xn)=n!λn.\mathbb{E}(X^n)=\frac{n!}{\lambda^n}.

矩母函数的局限性

对于某些概率分布(比如:柯西分布),矩母函数可能不收敛(结果为无穷大)。

为解决该问题,引入特征函数(characteristic function),并且随机变量的特征函数与分布函数相互唯一决定。

特征函数的表达式:

ϕ(t)=E ⁣(eitX),t∈R.\phi(t)=\mathbb{E}\!\left(e^{itX}\right),\qquad t\in\mathbb{R}.

根据欧拉公式 eix=cos⁡x+isin⁡xe^{ix}=\cos x+i\sin x,可得:

ϕ(t)=E[cos⁡(tX)]+i E[sin⁡(tX)].\phi(t)=\mathbb{E}[\cos(tX)]+i\,\mathbb{E}[\sin(tX)].

特征函数的应用

在某些情况下,我们得到了随机变量 XX 的特征函数表达式 ϕX(t)\phi_X(t),就可以反推出与之对应的分布(密度)函数 f(x)f(x),相应的计算采用傅立叶变换方法(Fourier transform),具体公式如下:

f(x)=12π∫−∞∞e−itx ϕX(t) dt.f(x)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty} e^{-itx}\,\phi_X(t)\,dt.

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