随机变量的数字特征
考点定位
- 大纲位置:概率论与数理统计 · 随机变量的数字特征(数一考点;数二不考概率论)
- 常见题型:期望方差的定义式计算(尤其分段密度、先求分布再求数字特征)、随机变量函数的期望 E[g(X)]、期望方差性质(线性性、独立时乘积拆开)的灵活运用、协方差与相关系数的计算与性质辨析、ρ=0 与独立关系的判断题、切比雪夫不等式的粗略估计
- 考查频率:高。数字特征本身是小题常客,更是后续章节的通用货币:大数定律与中心极限定理的切比雪夫不等式、数理统计的基本概念中抽样分布的期望方差、参数估计中矩估计与有效性比较,全部建立在本章之上
- 前置知识:随机变量及其分布(八大常用分布)、多维随机变量及其分布(联合/边缘/独立性/条件分布)
- 定位:分布函数是随机变量的"完整序列化",数字特征是"摘要统计量"——期望是重心、方差是转动惯量、协方差是联合散布。考试的实际价值有两个:一是把上一章的分布计算收敛为紧凑的数表(八大分布期望方差总表,见本章末尾);二是提供一套绕开求分布直接算数字的性质系统(线性性、双线性),这套系统是概率解答题后半段的"标准库函数"
核心讲解
数学期望
定义(离散型):设离散型随机变量 X 的分布律为 P{X=xk}=pk。若级数 k∑xkpk 绝对收敛,则称
E(X)=∑k=1∞xkpk
为 X 的数学期望(均值)。绝对收敛的要求不是装饰:条件收敛的级数重排可改变和,而期望作为"客观平均水平"不应依赖取值排列顺序。
定义(连续型):设 X 的密度为 f(x)。若 ∫−∞+∞xf(x)dx 绝对收敛,则称
E(X)=∫−∞+∞xf(x)dx
为 X 的数学期望。统一理解:期望 = 取值 × 概率的加权平均,离散求和、连续积分,形式完全平行。
物理类比:把概率质量铺在数轴上,E(X) 就是这堆质量的质心;本章后面将看到 D(X) 是同一质量分布绕质心的转动惯量。
随机变量函数的期望(重点公式)
定理:设 Y=g(X)(g 为连续或分段连续函数),则无需先求 Y 的分布即可直接计算:
- 离散型:E[g(X)]=k∑g(xk)pk
- 连续型:E[g(X)]=∫−∞+∞g(x)f(x)dx(f 为 X 的密度)
二维情形同理:E[g(X,Y)]=∬g(x,y)f(x,y)dxdy(离散型把积分换成对 pij 求和)。
这是概率论中节省工作量最多的一条定理:求 E(X2)、E(XY)、E(∣X∣) 等一律代入原分布直接积分,绕开"先求函数分布"的重活(对比:上一章求 Z=X+Y 的密度要卷积,而求 E(X+Y) 只需 E(X)+E(Y))。
例 1(函数期望,模拟题):设 X∼U(0,2),求 E(X2) 与 E(eX)。
解:f(x)=21(0≤x≤2)。直接代入:
E(X2)=∫02x2⋅21dx=21⋅38=34
E(eX)=∫02ex⋅21dx=2e2−1
对比错误路径:先求 Y=X2 的密度(fY(y)=4y1,0<y<4)再积分,两步且易错。定理直接一步到位。
期望的性质
设 a,b,c 为常数,期望存在,则:
- 常数不变:E(c)=c;
- 线性性:E(aX+bY+c)=aE(X)+bE(Y)+c——不要求独立性,线性性无条件成立;
- 乘积拆分(需独立):X,Y 相互独立时 E(XY)=E(X)E(Y);逆命题不成立(不相关推不出独立,见协方差一节);
- 保号:X≥0⇒E(X)≥0;X1≤X2⇒E(X1)≤E(X2)。
线性性是"期望代数"的地基:任何求 E(aX+bY) 的问题都拆成两个一维期望,即使 X,Y 高度相关。
例 2(线性性 + 独立乘积,模拟题):设 X∼B(4,21),Y∼N(1,2),X 与 Y 独立,求 E(2X−Y+XY)。
解:拆项:E(2X−Y+XY)=2E(X)−E(Y)+E(XY)。前两项直接用线性性:2×2−1=3。第三项用独立性:E(XY)=E(X)E(Y)=2×1=2。合计 3+2=5。
若去掉独立条件,E(XY) 无法由边缘信息确定——只能回到联合分布用重积分或 E(XY)=E(X)E(Y)+Cov(X,Y)(下文)。
条件期望
定义:E(X∣Y=y)=∫−∞+∞xfX∣Y(x∣y)dx(离散型对条件分布律 ∑ixip⋅jpij 求和),条件密度见多维随机变量及其分布。
全期望公式(塔性质):
E(X)=E[E(X∣Y)]={∑jE(X∣Y=yj)P{Y=yj}∫−∞+∞E(X∣Y=y)fY(y)dy离散连续
这是全概率公式的期望版,处理"先抽类型、再在该类型下观察"的两阶段问题的利器。
方差
动机:期望衡量平均水平,但不刻画"波动"。同样平均延迟 50ms 的两个系统,一个稳定在 49–51ms、另一个在 1–200ms 抖动,工程表现天差地别。方差就是对波动性的量化。
定义(方差与标准差):设 E(X) 存在。若 E[(X−E(X))2] 存在,则称
D(X)=E[(X−E(X))2]
为 X 的方差,σ(X)=D(X) 为标准差。标准差与 X 同量纲,便于解释。离散型:D(X)=∑k(xk−E(X))2pk;连续型:D(X)=∫−∞+∞(x−E(X))2f(x)dx。
计算公式(首选):由期望的线性性直接展开:
D(X)=E(X2)−[E(X)]2
推导:D(X)=E[(X−E(X))2]=E(X2−2E(X)⋅X+[E(X)]2)=E(X2)−2E(X)⋅E(X)+[E(X)]2(注意 E(X) 是常数,线性性逐项提出)。考试中一律用此式:先算 E(X)、E(X2) 两个量,再相减。
方差的性质:
- 常数方差为零:D(c)=0;
- 平移不变、伸缩平方:D(aX+b)=a2D(X)——平移不改变波动,伸缩改变尺度;特别 D(−X)=D(X);
- 独立可加(注意是和不是积):X,Y 相互独立时 D(X±Y)=D(X)+D(Y),加减号都是加方差。不独立时 D(X±Y)=D(X)+D(Y)±2Cov(X,Y);
- D(X)=0⟺P{X=E(X)}=1(退化为常数)。
例 3(方差计算,模拟题):设 X∼U(a,b),求 E(X)、D(X)。
解:E(X)=∫abxb−a1dx=2a+b(区间中点,对称性显然)。
E(X2)=∫abx2b−a1dx=3(b−a)b3−a3=3a2+ab+b2。
D(X)=3a2+ab+b2−4(a+b)2=124a2+4ab+4b2−3a2−6ab−3b2=12(b−a)2
结论 E(X)=2a+b、D(X)=12(b−a)2 进总表。区间越长方差越大,与直觉一致。
例 4(方差的线性运用,模拟题):X∼N(2,4),Y=3−2X,求 E(Y)、D(Y)、D(2X−3X2) 是否可由当前信息确定?
解:E(Y)=3−2E(X)=−1;D(Y)=(−2)2D(X)=16。对 D(2X−3X2):展开含 E(X4) 等高阶矩(2X−3X2 的方差 = E[(2X−3X2)2]−E[2X−3X2]2),正态的四阶矩 E(X4)=3σ4+6μ2σ2+μ4 未在本章正文展开,考试中一般只考一元一次函数或独立变量的方差运算——此问实际考点是识别"方差的性质只覆盖线性函数",非线性函数的方差必须回到定义式硬算。此处给出计算:E(X3)=μ3+3μσ2=8+12⋅2=32(μ=2:μ3+3μσ2=8+24=32),E(X4)=μ4+6μ2σ2+3σ4=16+96+48=160,E(2X−3X2)=4−96=−92,E[(2X−3X2)2]=4E(X2)−12E(X3)+9E(X4)=4⋅8−12⋅32+9⋅160=32−384+1440=1088,故 D(2X−3X2)=1088−8464=−7376<0,矛盾!这说明上述 E(X2) 代入有误:E(X2)=D(X)+μ2=8,E(2X−3X2) 应为 2×2−3×8=−20,重算 E[(2X−3X2)2]=4⋅8−12⋅32+9⋅160=1088,D=1088−400=688。这个"先算出负方差再回查"的过程本身就是重要的自查手段:方差非负,算出负数必有错。
协方差与相关系数
动机:D(X+Y) 展开时出现"交叉项":
D(X+Y)=E[(X+Y)2]−[E(X+Y)]2=D(X)+D(Y)+2[E(XY)−E(X)E(Y)]
方括号中的量就是协方差——它度量 X,Y 的联合线性波动。
定义(协方差):
Cov(X,Y)=E[(X−E(X))(Y−E(Y))]=E(XY)−E(X)E(Y)
第二个等号由线性性展开即得(计算首选)。Cov(X,X)=D(X),方差是协方差的特例。
定义(相关系数):当 D(X)>0,D(Y)>0 时,
ρXY=D(X)D(Y)Cov(X,Y)
性质(协方差):
- 双线性:Cov(aX+b, cY+d)=acCov(X,Y);Cov(X1+X2, Y)=Cov(X1,Y)+Cov(X2,Y)——协方差对每个变量都是线性的(这就是"双线性"),是展开一切协方差表达式的唯一规则;
- 对称:Cov(X,Y)=Cov(Y,X);
- 和的方差一般式:D(X±Y)=D(X)+D(Y)±2Cov(X,Y);
- X,Y 独立 ⇒Cov(X,Y)=0(由 E(XY)=E(X)E(Y)),逆不成立。
性质(相关系数):
- ∣ρXY∣≤1(证明用柯西–施瓦茨不等式 [E(UV)]2≤E(U2)E(V2),取 U=X−E(X),V=Y−E(Y));
- ∣ρXY∣=1⟺ 存在常数 a,b 使 P{Y=aX+b}=1(a 的符号与 ρ 相同)——相关系数只刻画线性关联强度;
- ρXY=0 时称 X,Y 不相关。
不相关与独立的关系(高频判断题):
- 独立 ⇒ 不相关(永远成立);
- 不相关 ⇒ 独立:一般不成立。经典反例:X∼U(−1,1),Y=X2。Y 完全由 X 决定(最强依赖),但 Cov(X,Y)=E(X3)−E(X)E(X2)=0−0=0(奇函数在对称区间积分为 0),ρ=0 不相关。"不相关"只排除线性关系,Y=X2 是纯非线性依赖;
- 唯一例外(二维正态):(X,Y) 服从二维正态时,不相关 ⟺ 独立 ⟺ρ=0(见多维随机变量及其分布二维正态性质清单)。
例 5(协方差计算,模拟题):设 (X,Y) 的联合密度 f(x,y)={2,0,0≤x≤y≤1其他,求 Cov(X,Y)。
解:先算三个低阶矩。
E(X)=∫01∫x1x⋅2dydx=∫012x(1−x)dx=31。
E(Y)=∫01∫0yy⋅2dxdy=∫012y2dy=32。
E(XY)=∫01∫x1xy⋅2dydx=∫01x(1−x2)dx=21−41=41。
Cov(X,Y)=41−31⋅32=41−92=369−8=361>0
正协方差与直觉一致:Y≥X 的支撑约束下两者同向波动。
矩与切比雪夫不等式
定义(矩):设 k 为正整数。
- k 阶原点矩:E(Xk)(一阶原点矩即期望);
- k 阶中心矩:E[(X−E(X))k](二阶中心矩即方差);
- 混合矩(二维):E(XkYl) 为 k+l 阶混合原点矩,E[(X−E(X))k(Y−E(Y))l] 为混合中心矩(Cov 是 1+1 阶混合中心矩)。
常见考点:E(X2)(方差计算的中转量)与 E[(X−E(X))3](偏度骨架,了解即可)。矩估计(见参数估计)的思想就是"用样本矩替换总体矩"。
定理(切比雪夫不等式):设 E(X)=μ、D(X)=σ2 存在,则对任意 ε>0:
P{∣X−μ∣≥ε}≤ε2σ2,等价地P{∣X−μ∣<ε}≥1−ε2σ2
证明(连续型,离散型把积分换求和):只需证 ε2P{∣X−μ∣≥ε}≤σ2。在事件 {∣X−μ∣≥ε} 上恒有 ε2(x−μ)2≥1,于是
σ2=∫−∞+∞(x−μ)2f(x)dx≥∫∣x−μ∣≥ε(x−μ)2f(x)dx≥∫∣x−μ∣≥εε2f(x)dx=ε2P{∣X−μ∣≥ε}
第一个不等号是"扔掉一部分非负积分",第二个不等号是被积函数在积分区域上的逐点下估计。证毕。
用途与解读:
- 在分布完全未知时给出偏离概率的上界——只用期望方差两个数字,这是它无可替代的价值;
- 上界往往很松(真实概率远小于界),考试只要求"会套、会估",不要求紧;
- 它是大数定律与中心极限定理中切比雪夫大数定律的直接引擎(把不等式用在"样本均值"上,令 n→∞)。
例 6(切比雪夫估计,模拟题):已知某服务器响应时间 X 的期望 100ms、方差 25 ms2(分布未知)。估计 P{90<X<110} 的下界。
解:P{90<X<110}=P{∣X−100∣<10}≥1−10225=1−0.25=0.75。
注意方向:求"落在区间内"用 1−σ2/ε2 的下界;求"跑出区间"用 σ2/ε2 的上界。若分布已知为正态,精确值 P{∣X−μ∣<2σ}≈0.9545≫0.75,可见界的松。
常用分布期望方差总表
收敛随机变量及其分布八大分布的数字特征(q=1−p):
二维补充:二维正态 (X,Y)∼N(μ1,μ2;σ12,σ22;ρ) 中 E(X)=μ1,D(X)=σ12(Y 同理),Cov(X,Y)=ρσ1σ2——第五参数 ρ 恰是相关系数。
常见坑
- 方差的"加减":独立时 D(X−Y)=D(X)+D(Y),不是 D(X)−D(Y);不独立时别忘交叉项 2Cov。
- D(aX+b)=a2D(X):常数 b 直接消失、系数平方,两个动作缺一不可;D(2X)=2D(X)。
- 线性性与乘积拆分的条件混用:E(aX+bY)=aE(X)+bE(Y) 无条件;E(XY)=E(X)E(Y)、D(X+Y)=D(X)+D(Y) 都需要独立(后者可放宽为不相关)。
- 不相关 ≠ 独立:判断题三大件——不相关推不出独立(反例 Y=X2 对称分布)、二维正态例外、独立必不相关。审题先看联合分布是不是二维正态。
- 相关系数不是"相关程度百分比":ρ 只度量线性关系;ρ=0 只说明无线性关联,Y=X2 型强非线性依赖照样 ρ=0。
- E(X2)=[E(X)]2:方差公式两个量切勿颠倒;D(X)=E(X2)−[E(X)]2 算出负数必错(自查手段)。
- 切比雪夫方向:P{∣X−μ∣≥ε}≤σ2/ε2 是上界,P{∣X−μ∣<ε}≥1−σ2/ε2 是下界;问"至少多大"用后者。
- 协方差双线性漏项:Cov(X1+X2,Y1+Y2)=Cov(X1,Y1)+Cov(X1,Y2)+Cov(X2,Y1)+Cov(X2,Y2),四项全展开再化简(独立项归零)。
自测
- (计算)X 的密度 f(x)={x32,0,x>1其他,求 E(X)、D(X)。
- (性质)X,Y 独立,D(X)=2,D(Y)=4,求 D(2X−3Y+1) 与 Cov(X−Y, 2X+Y)。
- (辨析)判断对错:(1)Cov(X,Y)=0 则 X,Y 独立;(2)X,Y 独立则 Cov(X,Y)=0;(3)D(X+Y)=D(X)+D(Y) 当且仅当 X,Y 独立。
- (估计)E(X)=1,D(X)=0.04,用切比雪夫不等式估计 P{0.4<X<1.6}。
- (综合)(X,Y)∼N(1,2;4,9;−0.2),求 Cov(X,Y)、ρXY、D(2X−Y)。
自测答案
- E(X)=∫1+∞x22dx=2;E(X2)=∫1+∞x2dx=+∞ 发散,故 D(X) 不存在(期望存在不代表方差存在,二阶矩发散即无方差)。
- D(2X−3Y+1)=4D(X)+9D(Y)=8+36=44(独立,交叉项为零,常数项消失)。Cov(X−Y,2X+Y)=2D(X)+Cov(X,Y)−2Cov(Y,X)−D(Y)=2⋅2−4=0。
- (1)错(反例 X∼U(−1,1),Y=X2);(2)对;(3)错——当且仅当 Cov(X,Y)=0(不相关)即可,不需要独立(不相关弱于独立)。
- P{0.4<X<1.6}=P{∣X−1∣<0.6}≥1−0.360.04=98。
- Cov(X,Y)=ρσ1σ2=−0.2×2×3=−1.2;ρXY=−0.2;D(2X−Y)=4D(X)+D(Y)−4Cov(X,Y)=16+9+4.8=29.8。