随机变量及其分布
考点定位
- 大纲位置:概率论与数理统计 · 随机变量及其常见分布(数一、数三公共考点;几何分布、超几何分布仅数一)
- 常见题型:分布函数的性质判定与求概率、由分布律/密度确定常数、八大常用分布的识别与计算(正态标准化必考)、泊松定理近似、随机变量函数的分布(分布函数法为主、公式法需验条件)
- 考查频率:高。常用分布是选择题主力区,正态分布几乎每年涉及;"函数的分布"是解答题与后续多维分布(卷积)的方法地基
- 前置知识:随机事件与概率(事件的概率、独立性、n 重伯努利试验);连续型部分需要一元函数积分学(定积分、变限积分求导)与一元函数微分学(分段求导)
- 定位:本章把"事件"升级为"函数"——随机变量是样本点到实数的映射,分布函数是描述一切随机变量的统一接口。八大常用分布是概率论的"数据类型库",参数(n,p,λ,μ,σ2)各自的含义与期望方差必须形成条件反射
核心讲解
随机变量与分布函数
定义(随机变量):设 Ω 是样本空间。若对每个样本点 ω∈Ω,都有唯一的实数 X(ω) 与之对应,则称 X=X(ω) 为随机变量(严格而言要求对任意 x,{ω∣X(ω)≤x} 是事件,即"可测",工科考试不展开此细节,但要知道这个要求存在)。
直观理解:随机变量是给每个试验结果打的"数值标签"。一旦数值化,事件就可以用不等式刻画,如 {X≤5}、{2<X≤4}。
定义(分布函数):设 X 是随机变量,对任意实数 x,称
F(x)=P{X≤x},x∈(−∞,+∞)
为 X 的分布函数。
分布函数是定义在全体实数上的普通实函数,它把随机变量的全部概率信息压缩成一个函数。
分布函数的三条性质:
- 单调不减:对 x1<x2,F(x1)≤F(x2);
- 极限规范:F(−∞)=x→−∞limF(x)=0,F(+∞)=x→+∞limF(x)=1;
- 右连续:F(x+0)=F(x),即 F(x)=F(x+)。
充要条件:一个实函数 F(x) 是某个随机变量的分布函数,当且仅当它满足上述三条性质。这是"判断某函数能否作为分布函数"类选择题的唯一标准(结合右连续性逐段检验)。
用分布函数表概率(对 a<b):
P{a<X≤b}=F(b)−F(a)
P{X=a}=F(a)−F(a−0)(左极限之差,即该点的跳变高度)
P{X>a}=1−F(a),P{X≥a}=1−F(a−0),P{X<a}=F(a−0)
这组公式的口诀:左开右闭直接减,单独一点看跳变。P{X<a} 与 P{X≤a} 是否相等,取决于 a 处是否有跳跃,离散型不相等、连续型相等。
离散型随机变量及其分布律
定义(分布律)****:若随机变量 X 只取有限个或可列个值 x1,x2,…,则称 X 为离散型随机变量**,其概率分布(分布律)为
P{X=xk}=pk,k=1,2,…
性质(也是确定未知常数的方程来源):
- pk≥0(非负性);
- ∑kpk=1(规范性)。
离散型分布函数是阶梯函数:F(x)=xk≤x∑pk,在 xk 处跳跃,跳变高度恰为 pk;两条性质与上一节 P{X=a}=F(a)−F(a−0) 联立即可"分布律 ⇄ 分布函数"互推。
0-1 分布(两点分布)
分布律:P{X=1}=p,P{X=0}=1−p(0<p<1)。
期望与方差:E(X)=p,D(X)=p(1−p)(期望、方差的严格定义见后续"数字特征"章,此处先记结论)。
典型场景:任何"单次伯努利试验"的结果:一次抽查是否合格、一次请求是否超时、一个比特是否误码。
二项分布 B(n,p)
背景:n 重伯努利试验中 A 发生的次数(见随机事件与概率的 n 重伯努利一节)。
分布律:
P{X=k}=Cnkpk(1−p)n−k,k=0,1,…,n
期望与方差:E(X)=np,D(X)=np(1−p)。
典型场景:独立重复试验的成功次数——n 次独立请求中的失败数、批量抽查中的次品数(有放回或总体很大近似有放回时)。n=1 时退化为 0-1 分布。
例 1(二项分布,模拟题):某接口单次调用出错率为 0.2,独立调用 10 次,求恰好 2 次出错的概率。
解:X∼B(10,0.2),
P{X=2}=C102(0.2)2(0.8)8=45×0.04×0.1678≈0.302
最可能值(选择题偶考):使 P{X=k} 最大的 k 为 k0=⌊(n+1)p⌋;当 (n+1)p 为整数时,k0=(n+1)p 与 (n+1)p−1 都是最可能值。
泊松分布 P(λ)
分布律:
P{X=k}=k!λke−λ,k=0,1,2,…(λ>0)
期望与方差:E(X)=D(X)=λ(期望与方差相等是泊松分布的身份证之一)。
典型场景:单位时间/空间内"稀有事件"的计数——单位时间呼叫数、一页书的错字数、单位面积芯片缺陷数、单位时间到达的请求数。
定理(泊松定理):设 λ>0 为常数,n 为正整数,npn=λ(即 pn=λ/n→0),则对任意固定 k≥0:
limn→∞Cnkpnk(1−pn)n−k=k!λke−λ
实用口径:n 大、p 小(经验上 n≥100,p≤0.1,近似程度随 np 适中而更佳),二项分布可用泊松分布 P(np) 近似:
Cnkpk(1−p)n−k≈k!(np)ke−np
例 2(泊松定理近似,模拟题):某服务每次请求失败率 2%,独立处理 100 次请求,用泊松定理求至少失败 1 次的概率的近似值。
解:n=100,p=0.02,λ=np=2。
P{X≥1}=1−P{X=0}=1−(0.98)100≈1−e−2≈1−0.1353=0.8647
(精确值 (0.98)100≈0.1326,对应概率 0.8674,近似误差不到 0.3%。)套路:"至少一次"取对立 → 只剩 P{X=0},近似式最简。
几何分布 G(p)(仅数一)
背景:独立重复伯努利试验直到 A 首次出现所需的试验次数。
分布律:
P{X=k}=(1−p)k−1p,k=1,2,…
期望与方差:E(X)=p1,D(X)=p21−p。
典型场景:首次成功前的等待次数——第一次丢包前的发送次数、重试直到成功的次数。E(X)=1/p 与直觉一致:成功率 p 的试验平均 1/p 次成功一次。
性质(无记忆性):对任意正整数 s,t,
P{X>s+t∣X>s}=P{X>t}
已经失败 s 次的条件下,再等 t 次的概率与从头等 t 次完全相同——几何分布是离散分布中唯一具有无记忆性的分布。快速计算式:P{X>k}=(1−p)k(前 k 次全失败)。
超几何分布 H(n,M,N)(仅数一)
背景:N 件产品含 M 件次品,无放回任取 n 件,其中次品数。
分布律:
P{X=k}=CNnCMkCN−Mn−k,k=max(0,n−N+M),…,min(n,M)
期望与方差:E(X)=nNM,D(X)=nNM(1−NM)N−1N−n。
典型场景:无放回抽样的次品数(与二项分布的分界:有放回 → 二项;无放回 → 超几何;N≫n 时超几何近似二项 B(n,M/N))。
例 3(超几何,模拟题):20 件产品中有 5 件次品,无放回任取 4 件,求恰有 1 件次品的概率。
解:P{X=1}=C204C51C153=48455×455=48452275≈0.47。
离散型常用分布总表
记忆钩子:二项"有放回/独立",超几何"无放回",泊松"n 大 p 小近似二项",几何"等到首次",0-1"一次试验"。
连续型随机变量及其概率密度
定义(概率密度):若存在非负可积函数 f(x),使得对任意实数 x:
F(x)=P{X≤x}=∫−∞xf(t)dt
则称 X 为连续型随机变量,f(x) 为 X 的概率密度函数(密度)。
密度的性质(确定常数与判定函数能否作密度的依据):
- f(x)≥0(非负,但可以大于 1,这是与分布律 pk≤1 的本质区别);
- ∫−∞+∞f(x)dx=1(规范性)。
用密度表概率:对 a<b,
P{a<X≤b}=∫abf(x)dx
且对连续型,P{a<X<b}=P{a≤X≤b}=P{a<X≤b}=P{a≤X<b},因为单点概率为 0:P{X=a}=∫aaf=0。由此:
- 连续型分布函数 F(x) 必连续(不仅右连续),P{X=a}=F(a)−F(a−0)=0;
- 在任意有限个点上改动 f(x) 的值,不改变任何概率与分布函数(积分不受单点影响)——这是选择题高频陷阱;
- 概率为 0 的事件未必是不可能事件(呼应随机事件与概率性质 1 的注记)。
在 f(x) 的连续点处有 F′(x)=f(x),"密度是分布函数的导数、分布函数是密度的变上限积分",两者互相翻译是本章最频繁的操作。
均匀分布 U[a,b]
密度与分布函数:
f(x)=⎩⎨⎧b−a1,0,a≤x≤b其他F(x)=⎩⎨⎧0,b−ax−a,1,x<aa≤x<bx≥b
期望与方差:E(X)=2a+b,D(X)=12(b−a)2。
典型场景:等可能取值区间内一点——随机舍入误差、缓存过期抖动、随机化算法的初始值。核心性质:X 落在 [a,b] 任一子区间的概率只与长度成正比:
P{c<X<d}=b−ad−c(a≤c<d≤b)
这就是几何概型的一维版本(数一)。
例 4(均匀分布,模拟题):公交车站每 10 分钟发一班车,乘客随机到达(X∼U[0,10]),求候车超过 6 分钟的概率。
解:P{X>6}=1010−6=0.4(或积分 ∫610101dx)。
指数分布 E(λ)
密度与分布函数:
f(x)={λe−λx,0,x≥0x<0F(x)={1−e−λx,0,x≥0x<0
期望与方差:E(X)=λ1,D(X)=λ21。注意参数 λ 是率的量纲(单位时间发生强度),均值是它的倒数——"λ=0.001(每小时)"意味着平均寿命 1000 小时。
典型场景:等待时间/寿命类模型——元件寿命、两次请求的间隔、客服等待时长(在泊松到达流假设下,间隔时间恰为指数分布)。
性质(无记忆性):对任意 s,t>0:
P{X>s+t∣X>s}=P{X>t}
已正常工作 s 小时的元件,再工作 t 小时的概率与新元件相同。指数分布是连续型中唯一具有无记忆性的分布(离散对应几何分布)。
证明:P{X>x}=1−F(x)=e−λx,故
P{X>s+t∣X>s}=P{X>s}P{X>s+t}=e−λse−λ(s+t)=e−λt=P{X>t}■
例 5(指数分布与无记忆性,模拟题):某元件寿命 X∼E(0.001)(小时)。(1)求寿命超过 1000 小时的概率;(2)已知已正常使用 1000 小时,求再使用 1000 小时的概率。
解:(1)P{X>1000}=e−0.001×1000=e−1≈0.368。(2)无记忆性:P{X>2000∣X>1000}=P{X>1000}=e−1≈0.368。若不用无记忆性而误算 P{X>2000}=e−2,正是命题人预埋的错误选项。
正态分布 N(μ,σ2)
密度:
f(x)=2πσ1exp(−2σ2(x−μ)2),−∞<x<+∞(σ>0)
曲线关于 x=μ 对称、在 x=μ 处取最大值 2πσ1、在 μ±σ 处有拐点。记号 N(μ,σ2) 中第二个参数是方差 σ2,不是标准差——N(2,9) 意味着 σ=3,这是第一大坑。
期望与方差:E(X)=μ,D(X)=σ2。
典型场景:受大量独立微小因素叠加影响的量——测量误差、加工尺寸、成熟系统的响应时间(中心极限定理的理论支撑,见后续"大数定律与中心极限定理"章)。
标准化:若 X∼N(μ,σ2),则
Z=σX−μ∼N(0,1)
其中 N(0,1) 称标准正态分布,其密度 φ(x)=2π1e−x2/2,分布函数记 Φ(x)。一切正态计算都先标准化再查表:
P{X≤a}=P{σX−μ≤σa−μ}=Φ(σa−μ)
查表两条要领:
- 对称恒等式:Φ(−x)=1−Φ(x)(表中通常只给 x≥0)。由标准正态密度关于原点对称直接得出。
- 常用数值须背:Φ(1)=0.8413,Φ(1.645)=0.95,Φ(1.96)=0.975,Φ(2)=0.9772,Φ(3)=0.9987。
3σ 原则:正态变量取值落在 μ±kσ 内的概率:
即异常值(超 3σ)概率仅 0.27%——统计过程控制(SPC)控制图的理论依据。
例 6(正态标准化,模拟题):设 X∼N(1,4),求(1)P{X≤3};(2)P{−1<X<3};(3)常数 c,使 P{X>c}=0.1587。
解:μ=1,σ=2。
(1)P{X≤3}=Φ(23−1)=Φ(1)=0.8413;
(2)P{−1<X<3}=Φ(1)−Φ(−1)=2Φ(1)−1=0.6826(对称区间 μ±2σ 的 3σ 表中行);
(3)P{X>c}=1−Φ(2c−1)=0.1587⇒Φ(2c−1)=0.8413=Φ(1)⇒2c−1=1⇒c=3。
第(3)问的坑:把 Φ−1 套在 c 上而不是 2c−1 上。
连续型常用分布总表
随机变量函数的分布
设 X 的分布已知(FX 或 fX),y=g(x) 是已知函数,求 Y=g(X) 的分布。这是本章方法性最强的一节,也是下一章多维卷积的方法基础。
方法一:分布函数法(万能方法,必须掌握)
完整步骤:
- 定值域:由 X 的取值范围(支撑集)与 g 的表达式,确定 Y=g(X) 的取值范围,据此划分数轴分段区间;
- 写事件:对每个分段区间的 y,将 {Y≤y}={g(X)≤y} 解不等式翻译成关于 X 的事件(形如 {X≤h(y)} 或若干区间的并);
- 表分布:用 FX(或密度积分)写出 FY(y)=P{g(X)≤y} 的分段表达式,注意端点归属按"≤"检验;
- 求密度(若需要):在 FY 的可导点求导得 fY(y)=FY′(y),不可导点(有限个)密度可任意指定。
例 7(分布函数法,模拟题):设 X∼N(0,1),求 Y=X2 的概率密度。
解:
- 值域:Y=X2≥0;
- 对 y>0,{Y≤y}={X2≤y}={−y≤X≤y};
- 分布函数:
FY(y)=P{−y≤X≤y}=Φ(y)−Φ(−y)=2Φ(y)−1,y>0
(y≤0 时 FY(y)=0。)
- 求导(y>0):
fY(y)=FY′(y)=2φ(y)⋅2y1=2π1y−21e−2y,y>0
即 Y∼χ2(1)(χ2 分布自由度 1 的特例,"数理统计的基本概念"一章会正式展开)。注意 g(x)=x2 在 X 的支撑集上不单调,公式法在此失效,只能老老实实走分布函数法。
方法二:公式法(有条件,先验条件再用)
定理:设 X 为连续型,密度 fX(x),y=g(x) 在 X 的支撑集(区间 (a,b))上严格单调、可导且 g′(x)=0,其反函数 x=h(y),α=min{g(a),g(b)},β=max{g(a),g(b)},则 Y=g(X) 的密度为
fY(y)={fX(h(y))∣h′(y)∣,0,α<y<β其他
使用条件必须逐条验:严格单调、可导、导数不为零。任一条不满足(如 Y=X2 在含 0 的区间上),必须退回分布函数法。忘记 ∣h′(y)∣ 的绝对值、忘记限定 y 的范围(α<y<β)是两大高频错误。
例 8(公式法,模拟题):设 X∼U(0,1),求 Y=−lnX 的分布。
解:g(x)=−lnx 在 (0,1) 上严格递减、可导、g′(x)=−1/x=0,满足公式法条件。反函数 x=h(y)=e−y,h′(y)=−e−y,y∈(0,+∞)。故
fY(y)=fX(e−y)∣−e−y∣=1⋅e−y,y>0
即 Y∼E(1)。这个结论在"模拟/随机数生成"里就是逆变换采样法的原理:均匀随机数经 −ln 变换得到指数随机数。
正态分布的线性函数(重要结论,当作定理背)
定理:若 X∼N(μ,σ2),则对任意常数 a=0、b:
Y=aX+b∼N(aμ+b, a2σ2)
证明思路(分布函数法一遍即可验证):以 a>0 为例,
FY(y)=P{aX+b≤y}=P{X≤ay−b}=Φ(σay−b−μ)=Φ(aσy−(aμ+b))
这正是 N(aμ+b,a2σ2) 的分布函数;a<0 时不等式反向,结果相同。■
两个直接推论:
- 标准化即其特例(a=σ1,b=−σμ);
- 正态变量的线性函数仍是正态,只需机械地"代均值、代方差":E(aX+b)=aE(X)+b,D(aX+b)=a2D(X)(数字特征章严格展开)。例如 X∼N(1,4),则 Y=2X−3∼N(−1,16)。多个独立正态变量的线性组合仍正态(多维一章证明)。
例 9(线性函数,模拟题):设 X∼N(0,1),求 Y=2X+1 的密度及 P{Y≤3}。
解:Y∼N(1,4),P{Y≤3}=Φ(23−1)=Φ(1)=0.8413。亦可用密度 fY(y)=22π1exp(−8(y−1)2) 积分验证。
常见坑
- 分布函数定义是 P{X≤x} 不是 P{X<x},配套的右连续、P{a<X≤b}=F(b)−F(a) 全都依赖"左开右闭"。判断某函数是否为分布函数时,逐段检查:单调不减、F(+∞)=1、F(−∞)=0、右连续——尤其警惕"左连续但右不连续"或某段递减的假分布函数。
- 密度不是概率:f(x) 可以大于 1(如 U[0,0.5] 的密度为 2);f(x) 在单点改动不影响分布;P{X=a}=0 但事件未必不可能。而分布律 pk 必须非负且 ∑pk=1,单个 pk≤1。
- 离散型与连续型的互译:离散型分布函数是阶梯、跳变高度即该点概率,P{X<a}=P{X≤a};连续型 F 处处连续、单点概率为 0,区间概率不必纠结开闭。
- N(μ,σ2) 的第二个参数是方差。N(2,9) 标准化时除以 3 而不是 9。
- 二项 vs 超几何 vs 泊松:有放回/独立 → 二项;无放回 → 超几何(仅数一);n 大 p 小 → 泊松近似二项。审题先看"放回"二字。
- 指数分布参数方向:λ 大 ⟹ 衰减快 ⟹ 平均寿命 1/λ 短。给了均值要先取倒数再入公式。
- 几何/指数的无记忆性是化简条件概率的捷径(P{X>s+t∣X>s}=P{X>t}),硬套条件概率定义会绕远且易错。
- 公式法三条件(单调、可导、导数非零)缺一不可;不满足时用公式法是典型错误。同时别漏 ∣h′(y)∣ 的绝对值与 y 的取值范围。
- 正态线性函数直接套 aX+b∼N(aμ+b,a2σ2),不要重算积分;但非线性函数(如 X2、∣X∣)没有这个结论,必须分布函数法。
- 确定常数题的方程来源永远只有两条:规范性(和为 1 / 积分为 1)与非负性(含分段端点衔接处的连续性条件,连续型常补 F 连续性方程)。先数未知数个数再数方程个数。
自测
做完再看文末答案与简析。
- 设离散型随机变量 X 的分布函数 F(x)=⎩⎨⎧0,41,85,1,x<−1−1≤x<11≤x<2x≥2,求 P{X=1}、P{X=2} 与 P{0<X≤1}。
- 设 X∼P(λ) 且 P{X=1}=P{X=2},求 λ 与 P{X=4}。
- 某元件寿命 X∼E(λ) 且 P{X>1000}=e−2。(1)求 λ;(2)求 P{X>3000∣X>2000}。
- 设 X∼N(5,4),利用 Φ(1)=0.8413、Φ(2)=0.9772,求 P{X<3} 与 P{∣X−5∣<4}。
- 设 X∼U(−1,2),求 Y=X2 的概率密度。
自测答案与简析
- P{X=1}=F(1)−F(1−0)=85−41=83;P{X=2}=F(2)−F(2−0)=1−85=83;P{0<X≤1}=F(1)−F(0)=85−41=83。考点:阶梯分布函数与跳变读数。
- λe−λ=2λ2e−λ⇒λ=2;P{X=4}=4!24e−2=32e−2。考点:泊松分布律与规范性。
- (1)P{X>1000}=e−1000λ=e−2⇒λ=0.002;(2)无记忆性:P{X>3000∣X>2000}=P{X>1000}=e−2。考点:指数分布与无记忆性。
- P{X<3}=Φ(23−5)=Φ(−1)=1−0.8413=0.1587;P{∣X−5∣<4}=P{−4<X−5<4}=Φ(2)−Φ(−2)=2×0.9772−1=0.9544。考点:正态标准化与对称恒等式。
- X 支撑集 [−1,2],Y=X2∈[0,4]。对 0≤y≤1:{X2≤y}={−y≤X≤y},FY(y)=32y;对 1<y<4:{X2≤y}={−1≤X≤y}(因 y>1 超出下端),FY(y)=3y+1。求导:
fY(y)=⎩⎨⎧3y1,6y1,0,0<y<11≤y<4其他
考点:分布函数法分段解不等式——y 跨过 1 后区间左端被 −1 截断,必须分段,这正是公式法不能直接用的原因。
大题量训练见随机事件与随机变量 章节测;错题按错因分类回写错题本。