切比雪夫不等式:设随机变量
X
X
X的数学期望
E
(
X
)
E(X)
E(X)和方差
D
(
X
)
D(X)
D(X)存在,则对任意的
ϵ
>
0
\epsilon >0
ϵ>0,总有
P
{
∣
X
−
E
(
X
)
∣
≥
ϵ
}
≤
D
(
X
)
ϵ
2
P \left\{|X-E(X)|\geq \epsilon \right\}\leq \frac{D(X)}{\epsilon ^{2}}
P{∣X−E(X)∣≥ϵ}≤ϵ2D(X)
这个不等式称为切比雪夫不等式
例1:设随机变量
X
X
X的概率密度
f
(
x
)
=
{
2
e
−
2
x
x
>
0
0
x
≤
0
f(x)=\left\{
X
∼
E
(
2
)
X \sim E(2)
X∼E(2),因此
P
{
X
≥
3
2
}
=
P
{
X
−
1
2
≥
1
}
=
P
{
X
−
1
2
≥
1
}
+
P
{
X
−
1
2
≤
−
1
}
⏟
0
=
P
{
∣
X
−
1
2
∣
≤
1
}
=
P
{
∣
X
−
E
X
∣
≥
1
}
≤
D
X
1
2
=
1
4
根据指数分布
P
{
X
>
t
}
=
e
λ
t
,
t
>
0
P \left\{X>t\right\}=e^{\lambda t},t>0
P{X>t}=eλt,t>0
因此
P
{
X
≥
3
2
}
=
e
−
2
⋅
3
2
=
e
−
3
P \left\{X \geq \frac{3}{2}\right\}=e^{-2 \cdot \frac{3}{2}}=e^{-3}
P{X≥23}=e−2⋅23=e−3
e − 3 ≈ 0.05
e−3≈0.05,而切比雪夫不等式估计的是 0.25" role="presentation" style="position: relative;"> e − 3 ≈ 0.05 0.25,显然是由一定差距的" role="presentation" style="position: relative;"> 0.25
例2:设
X
X
X的密度为
f
(
x
)
,
D
X
=
1
f(x),DX=1
f(x),DX=1,而
Y
Y
Y的密度为
f
(
−
y
)
f(-y)
f(−y),且
X
X
X与
Y
Y
Y的相关系数为
−
1
4
设
Z
=
X
+
Y
Z=X+Y
Z=X+Y,由切比雪夫不等式
P
{
∣
Z
−
E
Z
∣
≤
ϵ
}
≤
D
X
ϵ
2
P
{
∣
(
X
+
Y
)
−
E
(
X
+
Y
)
∣
≤
ϵ
}
≤
D
(
X
+
Y
)
ϵ
2
E
Y
=
∫
−
∞
+
∞
y
f
(
−
y
)
d
y
=
∫
−
∞
+
∞
(
−
y
)
f
(
−
y
)
d
(
−
y
)
=
−
y
=
t
−
∫
−
∞
+
∞
t
f
(
t
)
d
t
=
−
E
X
因此
E
Z
=
E
(
X
+
Y
)
=
E
X
+
E
Y
=
0
EZ=E(X+Y)=EX+EY=0
EZ=E(X+Y)=EX+EY=0
D
Y
=
E
(
Y
2
)
−
(
E
Y
)
2
=
∫
−
∞
+
∞
y
2
f
(
−
y
)
d
y
−
(
−
E
X
)
2
=
−
y
=
t
∫
+
∞
−
∞
(
−
t
)
2
f
(
t
)
d
(
−
t
)
−
(
E
X
)
2
=
E
(
X
2
)
−
(
E
X
)
2
=
D
X
D
(
X
+
Y
)
=
D
X
+
D
Y
+
2
cov
(
X
,
Y
)
=
D
X
+
D
Y
+
2
D
X
D
Y
⋅
ρ
X
Y
=
1
+
1
−
1
2
=
3
2
因此
P
{
∣
X
+
Y
∣
≤
2
}
=
P
{
∣
(
X
+
Y
)
−
E
(
X
+
Y
)
∣
≤
2
}
≤
D
(
X
+
Y
)
2
2
=
D
(
X
+
Y
)
4
=
3
8
定义:设
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯是一个随机变量序列,
A
A
A是一个常数,如果对任意
ϵ
>
0
\epsilon >0
ϵ>0,有
lim
n
→
∞
P
{
∣
X
n
−
A
∣
<
ϵ
}
=
1
\lim\limits_{n\to\infty}P \left\{|X_{n}-A|<\epsilon \right\}=1
n→∞limP{∣Xn−A∣<ϵ}=1
则称随机变量序列
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯依概率收敛域常数
A
A
A,记作
X
n
→
P
A
X_{n}\overset{P}{\rightarrow }A
Xn→PA
随机变量加减一个常数还是随机变量
切比雪夫大数定律:设
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯为两两不相关的随机变量序列,存在常数
C
C
C,使
D
(
X
1
)
≤
C
(
i
=
1
,
2
,
⋯
)
D(X_{1})\leq C(i=1,2,\cdots )
D(X1)≤C(i=1,2,⋯),则对任意
ϵ
>
0
\epsilon >0
ϵ>0,有
lim
n
→
∞
P
{
∣
1
n
∑
i
=
1
n
X
i
−
1
n
∑
i
=
1
n
E
(
X
i
)
∣
<
ϵ
}
=
1
\lim\limits_{n\to\infty}P\left\{\left| \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}- \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}E(X_{i})\right|< \epsilon \right\}=1
n→∞limP{∣
∣n1i=1∑nXi−n1i=1∑nE(Xi)∣
∣<ϵ}=1
不太严谨的做题时可以写成 1 n ∑ i = 1 n x i → P 1 n ∑ i = 1 n E ( X i )
n1i=1∑nxi→Pn1i=1∑nE(Xi)" role="presentation" style="position: relative;"> 1 n ∑ i = 1 n x i → P 1 n ∑ i = 1 n E ( X i )
伯努利大数定理:设随机变量
X
n
∼
B
(
n
,
p
)
,
n
=
1
,
2
,
⋯
X_{n}\sim B(n,p),n=1,2,\cdots
Xn∼B(n,p),n=1,2,⋯,则对于任意
ϵ
>
0
\epsilon >0
ϵ>0,有
lim
n
→
∞
P
{
∣
X
n
n
−
p
∣
<
ϵ
}
=
1
\lim\limits_{n\to\infty}P \left\{\left| \frac{X_{n}}{n}-p\right|<\epsilon \right\}=1
n→∞limP{∣
∣nXn−p∣
∣<ϵ}=1
即 X n = Y 1 + Y 2 + ⋯ + Y n , Y i ∼ B ( 1 , p ) X_{n}=Y_{1}+Y_{2}+\cdots +Y_{n},Y_{i}\sim B(1,p) Xn=Y1+Y2+⋯+Yn,Yi∼B(1,p),则有 1 n ∑ i = 1 n Y i = X n n → P p
n1i=1∑nYi=nXn→Pp" role="presentation" style="position: relative;"> 1 n ∑ i = 1 n Y i = X n n → P p
辛钦大数定律:设随机变量
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯独立同分布,具有数学期望
E
(
X
i
)
=
μ
,
i
=
1
,
2
,
⋯
E(X_{i})=\mu,i=1,2,\cdots
E(Xi)=μ,i=1,2,⋯,则对于任意
ϵ
>
0
\epsilon >0
ϵ>0有
lim
n
→
∞
P
{
∣
1
n
∑
i
=
1
n
X
i
−
μ
∣
<
ϵ
}
=
1
\lim\limits_{n\to\infty}P \left\{\left| \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}-\mu\right|<\epsilon \right\}=1
n→∞limP{∣
∣n1i=1∑nXi−μ∣
∣<ϵ}=1
有 1 n ∑ i = 1 n x i → P μ
n1i=1∑nxi→Pμ" role="presentation" style="position: relative;"> 1 n ∑ i = 1 n x i → P μ
切比雪夫大数定律要求随机变量两两不相关,且方差存在
辛钦大数定律要求随机变量独立同分布,且期望存在
做题时看题目给出条件符合哪个,用哪个
例3:设随机变量
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯相互独立,均服从分布函数
F
(
x
,
θ
)
=
{
1
−
e
−
x
2
θ
x
≥
0
0
x
<
0
,
θ
>
0
F(x,\theta )=\left\{
是否存在实数
a
a
a,使得对任何
ϵ
>
0
\epsilon >0
ϵ>0都有
lim
n
→
∞
P
{
∣
1
n
∑
i
=
1
n
X
i
2
−
a
∣
≥
ϵ
}
=
0
由题目可知
lim
n
→
∞
P
{
∣
1
n
∑
i
=
1
n
X
i
2
−
a
∣
≥
ϵ
}
=
0
⇒
lim
n
→
∞
P
{
∣
1
n
∑
i
=
1
n
X
i
2
−
a
∣
<
ϵ
}
=
1
有
f
(
x
;
θ
)
=
F
′
(
x
;
θ
)
=
{
2
x
θ
e
−
x
2
θ
x
≥
0
0
x
<
0
E
X
i
2
=
∫
−
∞
+
∞
x
2
f
(
x
;
θ
)
d
x
=
∫
0
+
∞
x
2
⋅
2
x
θ
e
−
x
2
θ
=
x
2
θ
=
t
θ
∫
0
+
∞
t
e
−
t
d
t
=
θ
因此期望
E
X
1
2
=
θ
EX_{1}^{2}=\theta
EX12=θ存在,又因为
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯相互独立,均服从同一分布函数,因此
X
1
2
,
X
2
2
,
⋯
,
X
n
2
,
⋯
X_{1}^{2},X_{2}^{2},\cdots ,X_{n}^{2},\cdots
X12,X22,⋯,Xn2,⋯独立同分布。根据辛钦大数定律,当
n
→
∞
n \to \infty
n→∞时,
1
n
∑
i
=
1
n
X
i
2
→
P
E
X
i
2
=
θ
\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}^{2}\overset{P}{\rightarrow }EX^{2}_{i}=\theta
n1i=1∑nXi2→PEXi2=θ
即对任何
ϵ
>
0
\epsilon >0
ϵ>0,都有
lim
n
→
∞
P
{
∣
1
n
∑
i
=
1
n
X
i
2
−
a
∣
≥
ϵ
}
=
0
列维-林德伯格中心极限定理:设随机变量
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯独立同分布,具有数学期望与方差,
E
(
X
n
)
=
μ
,
D
(
X
n
)
=
σ
2
,
n
=
12
,
⋯
E(X_{n})=\mu,D(X_{n})=\sigma^{2},n=12,\cdots
E(Xn)=μ,D(Xn)=σ2,n=12,⋯,则对于任意实数
x
x
x,有
lim
n
→
∞
P
{
∑
i
=
1
n
X
i
−
n
μ
n
σ
≤
x
}
=
Φ
(
x
)
\lim\limits_{n\to\infty}P \left\{ \frac{\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}-n \mu}{\sqrt{n}\sigma}\leq x\right\}=\Phi(x)
n→∞limP⎩
⎨
⎧nσi=1∑nXi−nμ≤x⎭
⎬
⎫=Φ(x)
定理表明当 n n n充分大时 ∑ i = 1 n X i \sum\limits_{i=1}^{n}X_{i} i=1∑nXi的标准化 ∑ i = 1 n X i − n μ n σ
nσi=1∑nXi−nμ近似服从标准正态分布 N ( 0 , 1 ) N(0,1) N(0,1),或者说 ∑ i = 1 n X i \sum\limits_{i=1}^{n}X_{i} i=1∑nXi近似的服从 N ( n μ , n σ 2 ) N(n \mu,n \sigma^{2}) N(nμ,nσ2)" role="presentation" style="position: relative;"> ∑ i = 1 n X i − n μ n σ
棣莫弗-拉普拉斯中心极限定理:设随机变量
X
n
∼
B
(
n
,
p
)
(
n
=
1
,
2
,
⋯
)
X_{n}\sim B(n,p)(n=1,2,\cdots )
Xn∼B(n,p)(n=1,2,⋯),则对于任意实数
x
x
x,有
lim
n
→
∞
P
{
X
n
−
n
p
n
p
(
1
−
p
)
≤
x
}
=
Φ
(
x
)
\lim\limits_{n\to\infty}P \left\{\frac{X_{n}-np}{\sqrt{np(1-p)}}\leq x\right\}=\Phi (x)
n→∞limP{np(1−p)Xn−np≤x}=Φ(x)
其中
Φ
(
x
)
\Phi (x)
Φ(x)是标准正态的分布函数
定理表明当 n n n充分大时,服从 B ( n , p ) B(n,p) B(n,p)的随机变量 X n X_{n} Xn经标准化后得 X n − n p n p ( 1 − p )
np(1−p)Xn−np近似服从标准正态分布 N ( 0 , 1 ) N(0,1) N(0,1),或者说 X n X_{n} Xn近似的服从 N ( n p , n p ( 1 − p ) ) N(np,np(1-p)) N(np,np(1−p))" role="presentation" style="position: relative;"> X n − n p n p ( 1 − p )
例4:设 X 1 , X 2 , ⋯ , X n , ⋯ X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots X1,X2,⋯,Xn,⋯为独立同分布的随机变量列,且均服从参数为 1 1 1的指数分布,则 lim n → ∞ P { ∑ i = 1 n X i ≤ n } = ( ) \lim\limits_{n\to\infty}P \left\{\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}\leq n\right\}=() n→∞limP{i=1∑nXi≤n}=()
X
1
,
X
2
,
⋯
,
X
n
,
⋯
X_{1},X_{2},\cdots ,X_{n},\cdots
X1,X2,⋯,Xn,⋯独立同分布,且
E
(
X
i
)
=
1
,
D
(
X
i
)
=
1
E(X_{i})=1,D(X_{i})=1
E(Xi)=1,D(Xi)=1,根据列维-林德伯格中心极限定理,
∑
i
=
1
n
X
i
\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}
i=1∑nXi近似的服从
N
(
n
⋅
1
λ
,
n
⋅
1
λ
2
)
lim
n
→
∞
P
{
∑
i
=
1
n
X
i
≤
n
}
=
lim
n
→
∞
P
{
∑
i
=
1
n
X
i
−
n
n
≤
0
}
=
Φ
(
0
)
=
1
2
\lim\limits_{n\to\infty}P \left\{\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}\leq n\right\}=\lim\limits_{n\to\infty}P \left\{\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}X_{i}-n}{\sqrt{n}}\leq 0\right\}=\Phi (0)=\frac{1}{2}
n→∞limP{i=1∑nXi≤n}=n→∞limP⎩
⎨
⎧ni=1∑nXi−n≤0⎭
⎬
⎫=Φ(0)=21
CSDN话题挑战赛第2期
参赛话题:学习笔记