跳到主要内容

随机变量

随机变量是概率论的重要概念!理解随机变量,能帮助我们更好地描述和分析随机现象。

什么是随机变量?

随机变量(Random Variable)是将随机试验的结果映射到实数的函数。

简单理解

随机变量就像"用数字表示随机结果":

  • 随机试验的结果用数字表示
  • 不同的结果对应不同的数字
  • 可以用随机变量描述随机现象

定义

Ω\Omega 是样本空间,如果对于每个 ωΩ\omega \in \Omega,都有一个实数 X(ω)X(\omega) 与之对应,则 XX 是一个随机变量。

例子

例子 1:掷骰子

  • 样本空间:Ω={1,2,3,4,5,6}\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}
  • 随机变量 XX:点数
  • X(1)=1X(1) = 1X(2)=2X(2) = 2\ldotsX(6)=6X(6) = 6

例子 2:抛硬币

  • 样本空间:Ω={正面,反面}\Omega = \{\text{正面}, \text{反面}\}
  • 随机变量 XX:正面为 1,反面为 0
  • X(正面)=1X(\text{正面}) = 1X(反面)=0X(\text{反面}) = 0

随机变量的分类

离散随机变量

离散随机变量(Discrete Random Variable)是取值有限或可数的随机变量。

例子

  • 掷骰子的点数:X{1,2,3,4,5,6}X \in \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}
  • 抛硬币的结果:X{0,1}X \in \{0, 1\}
  • 某班级的学生人数:X{0,1,2,}X \in \{0, 1, 2, \ldots\}

连续随机变量

连续随机变量(Continuous Random Variable)是取值在某个区间内的随机变量。

例子

  • 人的身高:X[0,+)X \in [0, +\infty)
  • 温度:X(,+)X \in (-\infty, +\infty)
  • 时间:X[0,+)X \in [0, +\infty)

离散随机变量的概率分布

概率质量函数

概率质量函数(Probability Mass Function,PMF)是离散随机变量取各个值的概率。

P(X=xi)=piP(X = x_i) = p_i

其中 pi0p_i \ge 0,且 ipi=1\sum_{i} p_i = 1

例子

例子:掷骰子

  • 随机变量 XX:点数
  • 概率质量函数:
    • P(X=1)=16P(X = 1) = \frac{1}{6}
    • P(X=2)=16P(X = 2) = \frac{1}{6}
    • P(X=3)=16P(X = 3) = \frac{1}{6}
    • P(X=4)=16P(X = 4) = \frac{1}{6}
    • P(X=5)=16P(X = 5) = \frac{1}{6}
    • P(X=6)=16P(X = 6) = \frac{1}{6}

分布列

离散随机变量的概率分布可以用分布列表示:

XXx1x_1x2x_2\cdotsxnx_n
PPp1p_1p2p_2\cdotspnp_n

连续随机变量的概率分布

概率密度函数

概率密度函数(Probability Density Function,PDF)是连续随机变量的概率密度。

f(x)0f(x) \ge 0 +f(x)dx=1\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) dx = 1

概率计算

连续随机变量在区间 [a,b][a, b] 内的概率:

P(aXb)=abf(x)dxP(a \le X \le b) = \int_{a}^{b} f(x) dx

注意:对于连续随机变量,P(X=x)=0P(X = x) = 0(单点的概率为 0)。

例子

例子:均匀分布

如果 XX[a,b][a, b] 上均匀分布,则概率密度函数:

f(x)={1ba如果 axb0其他f(x) = \begin{cases} \frac{1}{b-a} & \text{如果 } a \le x \le b \\ 0 & \text{其他} \end{cases}

随机变量的期望

离散随机变量

期望(Expectation)或均值(Mean):

E(X)=ixiP(X=xi)=ixipiE(X) = \sum_{i} x_i P(X = x_i) = \sum_{i} x_i p_i

连续随机变量

E(X)=+xf(x)dxE(X) = \int_{-\infty}^{+\infty} x f(x) dx

性质

  • E(aX+b)=aE(X)+bE(aX + b) = aE(X) + ba,ba, b 是常数)
  • E(X+Y)=E(X)+E(Y)E(X + Y) = E(X) + E(Y)
  • 如果 XXYY 独立,则 E(XY)=E(X)E(Y)E(XY) = E(X)E(Y)

随机变量的方差

定义

方差(Variance):

Var(X)=E[(XE(X))2]=E(X2)[E(X)]2\text{Var}(X) = E[(X - E(X))^2] = E(X^2) - [E(X)]^2

标准差

标准差(Standard Deviation):

σ(X)=Var(X)\sigma(X) = \sqrt{\text{Var}(X)}

性质

  • Var(aX+b)=a2Var(X)\text{Var}(aX + b) = a^2\text{Var}(X)a,ba, b 是常数)
  • 如果 XXYY 独立,则 Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)\text{Var}(X + Y) = \text{Var}(X) + \text{Var}(Y)

生活中的应用

统计

  • 📊 数据分析:用随机变量描述数据
  • 📈 统计推断:用随机变量进行统计推断

工程

  • ⚙️ 质量控制:用随机变量描述质量
  • 🏗️ 可靠性分析:用随机变量分析可靠性

科学

  • 🔬 实验分析:用随机变量分析实验结果
  • 📊 模型建立:用随机变量建立模型

常见错误

错误 1:离散和连续混淆

  • 离散随机变量:取值有限或可数
  • 连续随机变量:取值在某个区间内

错误 2:概率密度函数和概率混淆

  • 概率密度函数f(x)f(x)(不是概率)
  • 概率abf(x)dx\int_{a}^{b} f(x) dx(是概率)

错误 3:期望和方差计算错误

要正确使用期望和方差的定义和性质。

小练习

  1. 掷骰子,随机变量 XX 表示点数,求 E(X)E(X)Var(X)\text{Var}(X)
  2. 如果随机变量 XX 的概率质量函数是 P(X=1)=0.3P(X = 1) = 0.3P(X=2)=0.5P(X = 2) = 0.5P(X=3)=0.2P(X = 3) = 0.2,求 E(X)E(X)
  3. 如果随机变量 XX[0,1][0, 1] 上均匀分布,求 E(X)E(X)Var(X)\text{Var}(X)
  4. 应用题:一个游戏中,玩家有 50%50\% 的概率获得 10 分,30%30\% 的概率获得 20 分,20%20\% 的概率获得 30 分,求期望得分

💡 小贴士:随机变量是将随机试验的结果映射到实数的函数。记住:离散随机变量用概率质量函数,连续随机变量用概率密度函数。掌握随机变量,你就能更好地描述和分析随机现象!