多维随机变量及其分布
考点定位
- 大纲位置:概率论与数理统计 · 多维随机变量及其分布(数一考点;数二不考概率论)
- 常见题型:由联合分布律/联合密度确定常数、求边缘分布与条件分布、独立性判定、二维均匀与二维正态的概率计算、求 P{(X,Y)∈D} 的二重积分、两个随机变量函数的分布(卷积、max/min)
- 考查频率:高。多维随机变量是概率论解答题的核心舞台,几乎每年一道大题;"联合 → 边缘 → 条件 → 独立 → 函数分布"是贯穿全章的一条主线
- 前置知识:随机变量及其分布(一维分布函数与密度函数、常用分布);连续部分需要多元函数微分学(分段函数求偏导)与重积分(二重积分换序、极坐标)
- 定位:一维随机变量描述"单指标",但实际系统往往同时关心多个指标(请求的"时延 + 吞吐"、芯片的"长度 + 宽度")。本章把随机变量从 R→R 扩展到 R2,核心问题只有一个:联合信息 ≥ 边缘信息之和——知道联合分布能推出一切边缘与条件,反之不行
核心讲解
二维随机变量与联合分布函数
定义(二维随机变量):设 Ω 是样本空间,X=X(ω)、Y=Y(ω) 是定义在 Ω 上的两个随机变量,则称向量 (X,Y) 为二维随机变量(二维随机向量)。
定义(联合分布函数):对任意实数对 (x,y),称
F(x,y)=P{X≤x, Y≤y},x,y∈(−∞,+∞)
为 (X,Y) 的联合分布函数。几何上,F(x,y) 是随机点 (X,Y) 落在以 (x,y) 为右上顶点、向左下无限延伸的矩形区域内的概率。
联合分布函数的四条性质(判断某二元函数能否作为联合分布函数的标准):
- 分别单调不减:固定 y,F(x,y) 关于 x 单调不减;固定 x,关于 y 单调不减;
- 极限规范:F(−∞,y)=0,F(x,−∞)=0,F(−∞,−∞)=0,F(+∞,+∞)=1;
- 右连续:关于每个变量分别右连续:F(x+0,y)=F(x,y),F(x,y+0)=F(x,y);
- 矩形不等式(相容性,一维没有的性质):对任意 x1<x2,y1<y2,
F(x2,y2)−F(x2,y1)−F(x1,y2)+F(x1,y1)≥0
性质 4 不可省略:存在分别满足 1–3 但不满足 4 的函数(经典的反例构造题),它的含义恰是下面的矩形概率公式非负。
矩形概率公式(二维版"区间减法"):
P{x1<X≤x2, y1<Y≤y2}=F(x2,y2)−F(x2,y1)−F(x1,y2)+F(x1,y1)
推导:对事件做容斥——{X≤x2,y1<Y≤y2}={X≤x2,Y≤y2}−{X≤x2,Y≤y1},左边概率为 F(x2,y2)−F(x2,y1);再对 X 方向做同样分解即得。记忆方式:"加右上、减另外两个、加左下",与容斥原理结构完全一致。
边缘分布函数
定义(边缘分布函数):在联合分布函数中令另一个变量趋于 +∞:
FX(x)=P{X≤x}=F(x,+∞)=limy→+∞F(x,y)
FY(y)=P{Y≤y}=F(+∞,y)=limx→+∞F(x,y)
分别称为 (X,Y) 关于 X、关于 Y 的边缘分布函数。"边缘"的含义:把二维联合信息向一个坐标轴投影(对该维度外的所有取值求和或积分)。工程类比:联合分布是二维表的全部数据,边缘分布是按行/按列聚合后的合计——合计能算出来,但由合计还原不出原表。
二维离散型随机变量
定义(联合分布律):若 (X,Y) 的全部可能取值是有限对或可列对 (xi,yj),则称 (X,Y) 为二维离散型随机变量,其联合分布律为
P{X=xi, Y=yj}=pij,i,j=1,2,…
性质(确定待定常数的方程来源):
- pij≥0;
- i∑j∑pij=1。
边缘分布律:按行/按列求和:
P{X=xi}=∑jpij≜pi⋅,P{Y=yj}=∑ipij≜p⋅j
记号 pi⋅ 的点"⋅"表示"该下标已求和消掉"。联合分布律习惯写成二维表格,边缘分布律就是最右列与最下行("边缘"名称的来源)。
求事件概率:把满足条件格子的概率全部相加:
P{(X,Y)∈D}=∑(xi,yj)∈Dpij
例 1(联合分布律与边缘,模拟题):盒中有 3 个球,编号 1、2、3。不放回取两次,X 为第一次取到的号码,Y 为两次号码之和。求 (X,Y) 的联合分布律与边缘分布律。
解:X∈{1,2,3}。给定 X 后 Y 的可能值:取 1 后再取 2 或 3,Y∈{3,4};取 2 后 Y∈{3,5};取 3 后 Y∈{4,5}。由乘法公式(第一次概率 31,第二次在剩下两球中等可能):
验证:全部 pij 之和为 1;两个边缘各自成分布律。注意格子 (2,4) 概率为 0——"取 2 后和为 4"意味着第二次也取 2,不放回时不可能,联合表格中必须显式写出 0 格子,这是后续求条件分布不遗漏分支的关键。
二维连续型随机变量
定义(联合密度函数):若存在非负二元函数 f(x,y),使得对任意 x,y,
F(x,y)=∫−∞x∫−∞yf(u,v)dvdu
则称 (X,Y) 为二维连续型随机变量,f(x,y) 为联合概率密度。
性质:
- f(x,y)≥0;
- ∫−∞+∞∫−∞+∞f(x,y)dxdy=1;
- 在 f(x,y) 的连续点处,∂x∂y∂2F=f(x,y)(先对 x 后对 y 求混合偏导,顺序无关紧要);
- 区域概率公式(本招最常用):对平面区域 D,
P{(X,Y)∈D}=∬Df(x,y)dxdy
特别地,落在 x 轴上或一条直线上的概率为 0(二维场合"面积为零的事件概率为零"),因此 P{a<X≤b,c<Y≤d} 中不等号开闭可以随意换。
计算要诀:P{(X,Y)∈D} = 密度函数在 D 上的二重积分。解题三步走:画出 D 与密度非零区域 G 的交集;确定积分限(必要时换积分次序);计算。密度非零区域与 D 求交是最容易漏的一步——积分限必须由交集决定,不能只看 D。
边缘密度:对另一个变量在整个数轴上积分("投影"的连续版):
fX(x)=∫−∞+∞f(x,y)dy,fY(y)=∫−∞+∞f(x,y)dx
注意 fX(x) 的积分限一般是 x 的函数:若 f(x,y) 的非零区域是 {(x,y)∣a≤x≤b, g1(x)≤y≤g2(x)},则对固定的 x,积分区间是 [g1(x),g2(x)],且结果要分段标注"仅当 x∈[a,b],否则为 0"。
二维均匀分布
定义:若 (X,Y) 在平面有界区域 G(面积 SG)上等可能取值,即
f(x,y)=⎩⎨⎧SG1,0,(x,y)∈G其他
则称 (X,Y) 服从区域 G 上的二维均匀分布。
核心结论:
P{(X,Y)∈D}=SGSD∩G
概率 = 面积比,密度函数本身根本不用写出。这是几何概型(见随机事件与概率)的二维版本。注意:边缘分布一般不是均匀分布,除非 G 是矩形(此时两个边缘分别是相应区间上的一维均匀分布,且相互独立——这是均匀分布"矩形区域"考题的隐藏考点)。
二维正态分布
定义:若 (X,Y) 的联合密度为
f(x,y)=2πσ1σ21−ρ21exp{−2(1−ρ2)1[σ12(x−μ1)2−2ρσ1σ2(x−μ1)(y−μ2)+σ22(y−μ2)2]}
其中 μ1,μ2∈R,σ1,σ2>0,−1<ρ<1,则称 (X,Y) 服从参数为 (μ1,μ2,σ12,σ22,ρ) 的二维正态分布,记作 (X,Y)∼N(μ1,μ2;σ12,σ22;ρ)。
性质清单(五参数的含义与全套结论):
- 边缘分布是正态:X∼N(μ1,σ12),Y∼N(μ2,σ22),且边缘分布与 ρ 无关。把 f(x,y) 对 y 积分(配方:把指数上关于 (y−μ2) 的二次式配成完全平方)即得一维正态密度。逆命题不成立:两个边缘都是正态,联合分布未必是二维正态(ρ 只在联合正态时才等于相关系数);
- X 与 Y 相互独立 ⟺ρ=0(仅对二维正态成立!一般分布独立与不相关不等价,见随机变量的数字特征);
- ρ=0 时联合密度可分解为 f(x,y)=fX(x)fY(y)(指数上交叉项消失),这正是独立性的解析体现;
- X,Y 的任意线性组合 aX+bY 仍服从正态分布(期望 aμ1+bμ2、方差 a2σ12+b2σ22+2abρσ1σ2,推导见卷积一节后的例题)。
条件分布
离散型条件分布律:设 P{Y=yj}>0,则在 Y=yj 的条件下 X 的条件分布律为
P{X=xi∣Y=yj}=P{Y=yj}P{X=xi,Y=yj}=p⋅jpij,i=1,2,…
即联合表格中第 j 列除以该列合计。同理 P{Y=yj∣X=xi}=pij/pi⋅(第 i 行除以行合计)。条件分布律满足非负性与和为 1(每列/每行内部各自归一)。
连续型条件密度:设 fY(y)>0,则在 Y=y 的条件下 X 的条件概率密度为
fX∣Y(x∣y)=fY(y)f(x,y),x∈(−∞,+∞)
同理 fY∣X(y∣x)=f(x,y)/fX(x)。乘法公式与全概率公式的密度版:
f(x,y)=fX∣Y(x∣y)fY(y),fX(x)=∫−∞+∞fX∣Y(x∣y)fY(y)dy
条件密度对 x 积分得条件下的概率:P{a<X<b∣Y=y}=∫abfX∣Y(x∣y)dx。注意连续型中 P{Y=y}=0,条件密度不能用 P{X≤x,Y=y}/P{Y=y} 定义,必须经极限过程(考察 P{X≤x∣y<Y≤y+Δy} 令 Δy→0)得到上式,考试直接用公式即可。
二维正态的条件分布(重要结论):设 (X,Y)∼N(μ1,μ2;σ12,σ22;ρ),则在 Y=y 条件下 X 仍服从正态分布:
X∣Y=y∼N(μ1+ρσ2σ1(y−μ2), σ12(1−ρ2))
即条件期望随 y 线性变化(回归直线),条件方差比无条件方差小(给定信息降低了不确定性)。此结论可直接引用做选择题。
例 2(条件密度,模拟题):设 (X,Y) 的联合密度
f(x,y)={3x,0,0≤x≤1, 0≤y≤x其他
求 P{Y≤21∣X=21}。
解:先求边缘:fX(x)=∫−∞+∞f(x,y)dy=∫0x3xdy=3x2(0≤x≤1,否则为 0)。再求条件密度:对 0≤x≤1,
fY∣X(y∣x)=fX(x)f(x,y)=3x23x=x1,0≤y≤x
即在 X=x 条件下 Y∼U(0,x)。故
P{Y≤21X=21}=∫01/21/21dy=1
(因为条件分布是 U(0,21),Y≤21 是必然事件)。错因提醒:条件事件 {X=21} 概率为 0,但这不是死局——条件密度已经把"概率为零的条件"合理定义好了,直接代入公式即可。
相互独立性
定义(相互独立):设 F(x,y) 与 FX(x),FY(y) 分别是 (X,Y) 的联合与边缘分布函数。若对任意 x,y 都有
F(x,y)=FX(x)FY(y)
则称 X 与 Y 相互独立。
判定的三张等价牌(按类型选用):
- 离散型:X,Y 独立 ⟺ 对所有 (i,j):pij=pi⋅⋅p⋅j(每个格子都要验证,一个不成立即不独立);
- 连续型:X,Y 独立 ⟺ 在所有连续点处 f(x,y)=fX(x)fY(y);
- 充分条件(做题利器):若联合密度(或联合分布律)可写成一元函数之积 f(x,y)=g(x)h(y),且取值区域是矩形(各分量范围互不牵制,可写成 a≤x≤b,c≤y≤d 的形式,边界允许依赖无穷),则 X,Y 独立。反之,若非零区域的边界互相牵制(如 0≤y≤x),必不独立——区域形状本身就否决了独立性。
独立性的性质:
- 若 X,Y 独立,则对任意一元(可测)函数 g,h,g(X) 与 h(Y) 也相互独立(对离散型逐点验证、连续型换元即可证);
- 独立 ⇒ 不相关(E(XY)=E(X)E(Y),见随机变量的数字特征),但不相关推不出独立;唯一的经典例外是二维正态(独立 ⟺ 不相关 ⟺ρ=0);
- 两两独立不等于相互独立(多维场合,见随机事件与概率中事件独立性的同名陷阱)。
例 3(独立性判定,模拟题):判断下列 (X,Y) 是否独立:
(1)f(x,y)={4xy,0,0≤x≤1, 0≤y≤1其他
(2)f(x,y)={8xy,0,0≤x≤y≤1其他
解:(1)非零区域是单位正方形(矩形),且 f(x,y)=(4x)(y) 可分解为 x 的函数乘 y 的函数,由充分条件知独立。(验证:fX(x)=2x,fY(y)=2y,fXfY=4xy=f,且 ∫012xdx=1 规范。)
(2)非零区域 {(x,y):0≤x≤y≤1} 是三角形,边界互相牵制,必不独立。可具体验证:fX(x)=∫x18xydy=4x(1−x2),fY(y)=∫0y8xydx=4y3,取 x=y=21:f=8⋅41=2,而 fXfY=4⋅21(1−41)⋅4⋅81=43=2。
错因提醒:第(1)问中若先算 fX(x)=∫014xydy=2x、fY(y)=2y,恰好 fXfY=4xy=f 成立,但别忘了检查规范性——若密度含待定常数,分解形式满足还需积分等于 1 才是合法密度。
两个随机变量函数的分布
和的分布(卷积公式)
问题:已知 (X,Y) 的联合密度 f(x,y),求 Z=X+Y 的密度 fZ(z)。
完整推导(分布函数法):先求 Z 的分布函数:
FZ(z)=P{X+Y≤z}=∬x+y≤zf(x,y)dxdy=∫−∞+∞[∫−∞z−xf(x,y)dy]dx
(内层积分沿竖直线扫过半平面 x+y≤z。)对 z 求导:对内层积分用变限积分求导(上限 z−x 对 z 的导数为 1):
fZ(z)=FZ′(z)=∫−∞+∞f(x,z−x)dx
这就是卷积公式。对称地也有 fZ(z)=∫−∞+∞f(z−y,y)dy。
独立情形(考试标准形式):若 X,Y 独立,f(x,y)=fX(x)fY(y),则
fZ(z)=∫−∞+∞fX(x)fY(z−x)dx=∫−∞+∞fX(z−y)fY(y)dy
记作 fZ=fX∗fY(卷积运算,与信号处理中的卷积完全同构——两个独立噪声叠加,输出密度是输入密度的卷积)。
计算操作要点(卷积题的正确率全在积分限):
- 写出被积函数 fX(x)fY(z−x),它是 x 与参数 z 的二元函数;
- 由 fX(x)=0 的范围(如 x>0)与 fY(z−x)=0 的范围(如 z−x>0⟺x<z)求交集,得到实际积分区间(如 0<x<z,仅当 z>0);
- 分段积分,结果按 z 的区间分段写出,每段检查非负、总积分等于 1。
重要结论(正态可加性):X∼N(μ1,σ12)、Y∼N(μ2,σ22) 且独立,则 X+Y∼N(μ1+μ2, σ12+σ22)(用卷积公式配方可证,更快的证法是 Z 服从正态 + 期望方差相加,理由见随机变量的数字特征)。一般地,独立正态的线性组合仍是正态(aX+bY+c∼N(aμ1+bμ2+c, a2σ12+b2σ22))。同理:独立泊松相加仍是泊松(λ 相加)、[0,1] 均匀的独立和不是均匀(趋于钟形)。
例 4(卷积,模拟题):设 X,Y 独立且同服从 (0,1) 上的均匀分布,求 Z=X+Y 的密度。
解:fX(x)=fY(y)=1(在 [0,1] 上)。被积函数 fX(x)fY(z−x)=1,非零要求 0≤x≤1 且 0≤z−x≤1(即 z−1≤x≤z)。
- 当 0≤z≤1:积分区间 [0,z],fZ(z)=∫0zdx=z;
- 当 1<z≤2:积分区间 [z−1,1],fZ(z)=∫z−11dx=2−z;
- 其他:fZ(z)=0。
验证:∫01zdz+∫12(2−z)dz=21+21=1。结果即著名的三角分布(两个均匀噪声叠加后的密度呈三角形)。
最大值与最小值的分布
设 X,Y 相互独立,分布函数分别为 FX(x),FY(y)。记
M=max(X,Y),N=min(X,Y)
M 的分布(串联记忆:最大值 ≤ 某数 ⇔ 全部 ≤ 某数):
FM(z)=P{M≤z}=P{X≤z, Y≤z}=P{X≤z}P{Y≤z}=FX(z)FY(z)
第二步用独立性。推导的核心是事件等价 {max(X,Y)≤z}={X≤z}∩{Y≤z}。
N 的分布(走对立事件:最小值 > 某数 ⇔ 全部 > 某数):
FN(z)=P{N≤z}=1−P{N>z}=1−P{X>z, Y>z}=1−[1−FX(z)][1−FY(z)]
独立同分布简化(FX=FY=F):FM(z)=F2(z),FN(z)=1−[1−F(z)]2。推广到 n 个独立同分布:FM=Fn,FN=1−(1−F)n——这是系统可靠性模型的数学内核(n 个组件并联取 max,串联取 min;这里的并联/串联指结构,概率上 M 对应"全好才好")。
注意:求 M,N 的密度时先求分布函数再求导;离散场合直接对分布律逐点计算,不做求导。
例 5(max/min,模拟题):设系统由两个独立元件构成,寿命 X∼E(λ1),Y∼E(λ2)(指数分布见随机变量及其分布)。(1)并联系统(一个活着系统就活着)求系统寿命的分布;(2)串联系统求系统寿命的分布。
解:FX(x)=1−e−λ1x,FY(y)=1−e−λ2y(x,y>0)。
(1)并联系统寿命 M=max(X,Y):
FM(z)=FX(z)FY(z)=(1−e−λ1z)(1−e−λ2z),z>0
(2)串联系统寿命 N=min(X,Y):
FN(z)=1−e−λ1z⋅e−λ2z=1−e−(λ1+λ2)z,z>0
即 N∼E(λ1+λ2)——独立指数的最小值仍是指数,参数相加(可靠性工程的基本定理;直观理解:两个元件谁先坏,"综合失效率"是失效率之和)。
离散情形:穷举法(打表)
离散型随机变量的函数 Z=g(X,Y) 没有卷积公式,方法是穷举所有 (xi,yj) 组合并归并相同函数值:
- 对联合表格中每个格子 (xi,yj) 计算 zij=g(xi,yj);
- 把函数值相同的格子的概率相加(归并),得到 Z 的分布律;
- 检查 ∑P{Z=zk}=1。
例 6(离散函数分布,模拟题):接例 1 的取球问题(联合表格见例 1),求 Z=X+Y 的分布律。
解:逐格计算 x+y:
- Z=4:(1,3),概率 61;
- Z=5:(1,4)、(2,3),概率 61+61=31;
- Z=6:(3,3) 不可能;(2,4) 概率 0;(3,3) 无——实际格子为 (3,3) 不存在,(2,4) 为 0,故仅 (1,5) 不存在,无贡献;
- Z=7:(2,5)、(3,4),概率 31;Z=8:(3,5),概率 61。
按表逐格核对:Z=4:(1,3);Z=5:(1,4),(2,3);Z=6:(2,4)(=0),(3,3)(不存在),故 P{Z=6}=0;Z=7:(2,5),(3,4);Z=8:(3,5)。得
总和为 1,规范。错因提醒:Z=6 的概率为 0 必须显式写出或说明——漏掉归并"不可能的组合"会把概率表写错。
常见坑
- "边缘定联合"幻觉:任意给出两个边缘分布,联合分布不唯一(有无穷多种以它们为边缘的联合分布)。只有附加独立性(pij=pi⋅p⋅j)或条件分布信息,才能确定联合。
- 独立性判定只验部分格子:离散型独立要求每一个格子满足 pij=pi⋅p⋅j,找到一个反例即可判不独立;但证明独立必须全验(或用分解 + 矩形区域充分条件)。
- 密度非零区域是三角形/圆盘时直接判不独立:f(x,y)=g(x)h(y) 型分解要求区域是矩形;区域边界互相牵制(y≤x、x2+y2≤1)时不可能独立,无需计算边缘。
- 二重积分限错:求 P{(X,Y)∈D} 时必须取 D∩G(G 为密度非零区域);求边缘密度时内层积分限一般是外层变量的函数,结果必须分段并标明"其他为 0"。
- 二维正态的三个单向箭头:边缘正态 ⇏ 联合二维正态;不相关 ⇏ 独立(一般分布);二维正态场合三者互通(ρ=0⟺ 独立 ⟺ 不相关)。选择题最爱在"X,Y 都正态且不相关,问独立吗"上设坑——答案是不能确定,除非已知联合为二维正态。
- 矩形不等式遗漏:验证二元函数是否为联合分布函数时,只验单调、极限、右连续不够,必须验对任意矩形 F(x2,y2)−F(x2,y1)−F(x1,y2)+F(x1,y1)≥0。
- max/min 公式用错独立条件:FM=FXFY 需要 X,Y 独立;不独立时 P{X≤z,Y≤z}=FX(z)FY(z),只能回到联合分布 F(z,z)。
- 连续型条件概率的 0/0:P{X≤x∣Y=y} 不能用定义直接除(分母为 0),必须用条件密度;考试中先算 fY(y) 再除。
自测
- (概念)一个二元函数满足单调不减、极限规范、分别右连续,它一定是某个二维随机变量的联合分布函数吗?
- (计算)设 (X,Y) 的联合密度 f(x,y)={k(1−y),0,0≤x≤1, 0≤y≤1其他,求常数 k、边缘密度,并判断独立性。
- (计算)X∼N(0,1),Y∼N(1,2) 相互独立,求 X+Y 与 X−2Y 各自的分布。
- (应用)三台独立同型号设备,寿命分布函数均为 F(t),求"至少一台寿命超过 t"的概率(用 F 表示)。
- (辨析)(X,Y) 服从二维正态,X 与 Y 不相关,问 X+Y 与 X−Y 是否独立?
自测答案
- 不一定。还需满足矩形不等式(相容性):F(x2,y2)−F(x2,y1)−F(x1,y2)+F(x1,y1)≥0 对一切 x1<x2,y1<y2 成立。
- 规范性:k∫01dx∫01(1−y)dy=k⋅21=1,故 k=2。边缘:fX(x)=∫012(1−y)dy=1(0≤x≤1),fY(y)=2(1−y)(0≤y≤1)。f(x,y)=1⋅2(1−y)=fXfY,区域为矩形,独立。
- 独立正态的线性组合仍是正态:X+Y∼N(1,3);X−2Y∼N(−2,1+4⋅2)=N(−2,9)。
- 至少一台超过 t = 1 - 全部不超过 t = 1−F3(t)。(也可记 M=max,P{M>t}=1−F3(t)。)
- 独立。二维正态 + 不相关 ⇒ρ=0⇒X,Y 独立。再证 (X+Y) 与 (X−Y) 独立:两者联合服从二维正态(正态的线性变换仍是正态),且 Cov(X+Y,X−Y)=D(X)−D(Y)+Cov(Y,X)−Cov(X,Y)。取具体参数最稳:不妨设 σ12=σ22=σ2 时 Cov(X+Y,X−Y)=σ2−σ2=0,不相关,联合正态故独立。一般情形下 Cov(X+Y,X−Y)=σ12−σ22,仅当 σ12=σ22 时独立——此题正确结论依赖于两方差相等,命题时通常默认给出该条件;解题时应计算协方差再下结论,见随机变量的数字特征。