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分布列、期望与方差

基础更新于 2026-09-29

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随机变量把试验结果映射为数值。期望描述概率加权的平均,方差描述偏离该平均的程度。

随机变量、分布列、期望与方差

随机变量是把试验结果对应为实数的函数。例如两次投币后正面出现的次数是随机变量;它可能取 0,1,20,1,2,每个数值对应一组试验结果。

设随机变量 XX 的不同可能值为 x1,…,xmx_1,\ldots,x_m,记 pi=P(X=xi)p_i=P(X=x_i)。把数值与概率成对列出,称为 XX 的分布列。它必须满足

pi≥0,∑i=1mpi=1.p_i\ge0,\qquad \sum_{i=1}^m p_i=1.

相同数值应合并其概率,不能把不同事件名称误认为不同的随机变量取值。

数学期望

定义

E(X)=∑i=1mxipi.E(X)=\sum_{i=1}^m x_ip_i.

它是按发生概率加权的平均数,反映分布的平均位置;它未必是随机变量实际可能取到的值。例如公平骰子点数的期望为 3.53.5。

方差与标准差

记 μ=E(X)\mu=E(X)。定义

D(X)=∑i=1m(xi−μ)2pi,σX=D(X).D(X)=\sum_{i=1}^m(x_i-\mu)^2p_i, \qquad \sigma_X=\sqrt{D(X)}.

方差是偏离期望的平方的平均值,标准差与 XX 具有相同量纲。展开平方,利用 ∑pi=1\sum p_i=1 和 ∑xipi=μ\sum x_ip_i=\mu,得到

D(X)=∑xi2pi−2μ∑xipi+μ2∑pi=E(X2)−[E(X)]2.\begin{aligned} D(X)&=\sum x_i^2p_i-2\mu\sum x_ip_i+\mu^2\sum p_i\\ &=E(X^2)-[E(X)]^2. \end{aligned}

方差非负,且为零当且仅当 XX 以概率 11 等于同一个常数。

变换与相加

对实常数 a,ba,b,有 E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b、D(aX+b)=a2D(X)D(aX+b)=a^2D(X)。平移只改变均值,缩放使偏差乘以 aa,所以方差乘以 a2a^2。

对同一试验上的有限随机变量 X,YX,Y,期望具有线性性:

E(aX+bY)=aE(X)+bE(Y).E(aX+bY)=aE(X)+bE(Y).

它不要求独立,可对联合分布的每个样本结果展开求和验证。方差相加则有交叉项:

D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2(E(XY)−E(X)E(Y)).D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2\bigl(E(XY)-E(X)E(Y)\bigr).

独立时 E(XY)=E(X)E(Y)E(XY)=E(X)E(Y),交叉项为零,方差才可直接相加。交叉项为零也可能发生在不独立的情形,见本页后续辨析。

随机变量的独立、协方差与变换公式

设有限随机变量 X,YX,Y 取值分别为 xi,yjx_i,y_j,记联合概率 pij=P(X=xi,Y=yj)p_{ij}=P(X=x_i,Y=y_j)。称 X,YX,Y 独立,是指对所有 i,ji,j 都有

pij=P(X=xi)P(Y=yj).p_{ij}=P(X=x_i)P(Y=y_j).

因此独立时

E(XY)=∑i,jxiyjpij=(∑ixiP(X=xi))(∑jyjP(Y=yj))=E(X)E(Y).E(XY)=\sum_{i,j}x_iy_jp_{ij} =\left(\sum_i x_iP(X=x_i)\right)\left(\sum_j y_jP(Y=y_j)\right)=E(X)E(Y).

无须独立,联合概率的边缘求和关系也给出期望线性性:

E(aX+bY)=∑i,j(axi+byj)pij=aE(X)+bE(Y).E(aX+bY)=\sum_{i,j}(ax_i+by_j)p_{ij}=aE(X)+bE(Y).

定义协方差

Cov⁡(X,Y)=E[(X−E(X))(Y−E(Y))]=E(XY)−E(X)E(Y).\operatorname{Cov}(X,Y)=E[(X-E(X))(Y-E(Y))]=E(XY)-E(X)E(Y).

第二个等式由展开乘积并用期望线性性得到。把中心化变量 X−E(X),Y−E(Y)X-E(X),Y-E(Y) 的线性组合平方展开,得到完整公式

D(aX+bY)=a2D(X)+b2D(Y)+2abCov⁡(X,Y).D(aX+bY)=a^2D(X)+b^2D(Y)+2ab\operatorname{Cov}(X,Y).

独立保证协方差为零,逆命题一般不成立,后面的例子给出反例。对于有限个变量,同样逐项展开得到

D(∑i=1nXi)=∑i=1nD(Xi)+2∑i<jCov⁡(Xi,Xj).D\left(\sum_{i=1}^nX_i\right)=\sum_{i=1}^nD(X_i)+2\sum_{i<j}\operatorname{Cov}(X_i,X_j).

两两独立已经足以使这里的协方差全为零;期望相加则没有独立性要求。

若 Y=aX+bY=aX+b,其中 a,ba,b 为常数,则 Y−E(Y)=a[X−E(X)]Y-E(Y)=a[X-E(X)],所以

D(Y)=a2D(X),σY=∣a∣σX.D(Y)=a^2D(X),\qquad\sigma_Y=|a|\sigma_X.

标准差乘以 ∣a∣|a|,因为它不能为负;平移不改变方差或标准差。

方差可加不必独立

独立是方差可加的充分条件,不是必要条件。一般有限分布下展开平方得

D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2(E(XY)−E(X)E(Y)).D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2\bigl(E(XY)-E(X)E(Y)\bigr).

因此方差可加恰要求括号内为零。

例如 XX 以相等概率取 −1,0,1-1,0,1,令 Y=X2Y=X^2。有 E(X)=E(XY)=0E(X)=E(XY)=0,所以方差可加;具体为 D(X)=2/3,D(Y)=2/9,D(X+Y)=8/9D(X)=2/3,D(Y)=2/9,D(X+Y)=8/9。但 X=0X=0 时 YY 必为零,而平时 Y=0Y=0 的概率只有 1/31/3,所以二者不独立。不能把“独立时方差可加”倒推为“方差可加时独立”。

指示变量

事件 AA 的指示变量 IAI_A 在发生时取 11、否则取 00,所以 E(IA)=P(A)E(I_A)=P(A)。把数量拆为指示变量之和,能绕开复杂的完整分布。例如随机排列 nn 个对象,各位置放对的概率为 1/n1/n,放对位置的期望数量为 n⋅1/n=1n\cdot1/n=1。

例:从抽球模型建立完整分布列

袋中 33 红球、22 蓝球,不放回随机取 22 球,令 XX 为红球数。先列出可能值 0,1,20,1,2,再计算:

xx 00 11 22
P(X=x)P(X=x) 1/101/10 6/106/10 3/103/10

例如 P(X=1)=(31)(21)/(52)=6/10P(X=1)=\binom31\binom21/\binom52=6/10。三项非负且和为 11,通过了分布列的基本检查。于是

E(X)=65,E(X2)=95,Var⁡(X)=95−(65)2=925.E(X)=\frac65,\quad E(X^2)=\frac95,\quad \operatorname{Var}(X)=\frac95-\left(\frac65\right)^2=\frac9{25}.

期望 6/56/5 不是一次实验可能出现的红球数,它描述重复实验中的平均水平。若得分 Y=10X−3Y=10X-3,则 E(Y)=9E(Y)=9、Var⁡(Y)=36\operatorname{Var}(Y)=36;减去固定成本不增加波动。

例:同均值不同波动

XX 以各 1/21/2 概率取 0,20,2,则 E(X)=1,D(X)=1E(X)=1,D(X)=1。常量 Y=1Y=1 也有期望 11,但方差为零。因此只比较期望不能描述风险或波动。

边界

无限取值的随机变量需要另查期望、方差是否存在;本篇推导首先针对有限分布。期望不一定是可能取到的值。

关联阅读

进一步阅读:有限随机变量的概率不等式。

先修:样本空间、事件与概率模型 · 代数运算、恒等式与因式分解。

同主题:条件概率、独立与贝叶斯公式 · 两点、二项与超几何分布。

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