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常用连续分布

正态分布​

正态分布是概率论和统计学中最重要的分布——中心极限定理保证了大量独立随机变量之和近似服从正态分布。

定义​

密度函数:

f(x)=12πσexp⁡ ⁣(−(x−μ)22σ2),x∈Rf(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \exp\!\left(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\right), \quad x \in \mathbb{R}

  • 期望:E(X)=μE(X) = \mu
  • 方差:Var⁡(X)=σ2\operatorname{Var}(X) = \sigma^2
  • 记作:X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2)

标准正态分布​

μ=0,σ=1\mu = 0, \sigma = 1,密度为 φ(x)=12πe−x2/2\varphi(x) = \dfrac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-x^2/2}。分布函数记为 Φ(x)\Phi(x)。

标准化​

若 X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2),则 Z=X−μσ∼N(0,1)Z = \dfrac{X - \mu}{\sigma} \sim N(0, 1)。

P(a<X≤b)=Φ ⁣(b−μσ)−Φ ⁣(a−μσ)P(a < X \leq b) = \Phi\!\left(\frac{b-\mu}{\sigma}\right) - \Phi\!\left(\frac{a-\mu}{\sigma}\right)

3σ3\sigma 原则​

P(∣X−μ∣<σ)≈68.3%,P(∣X−μ∣<2σ)≈95.4%,P(∣X−μ∣<3σ)≈99.7%P(|X - \mu| < \sigma) \approx 68.3\%, \quad P(|X - \mu| < 2\sigma) \approx 95.4\%, \quad P(|X - \mu| < 3\sigma) \approx 99.7\%

正态分布的性质​

  1. 密度关于 x=μx = \mu 对称
  2. 可加性:X∼N(μ1,σ12)X \sim N(\mu_1, \sigma_1^2),Y∼N(μ2,σ22)Y \sim N(\mu_2, \sigma_2^2) 独立 ⇒\Rightarrow X+Y∼N(μ1+μ2,σ12+σ22)X+Y \sim N(\mu_1+\mu_2, \sigma_1^2+\sigma_2^2)
  3. 正态随机变量的线性组合仍为正态

均匀分布​

f(x)=1b−a,a<x<bf(x) = \frac{1}{b-a}, \quad a < x < b

  • 期望:E(X)=a+b2E(X) = \dfrac{a+b}{2}
  • 方差:Var⁡(X)=(b−a)212\operatorname{Var}(X) = \dfrac{(b-a)^2}{12}
  • 记作:X∼U(a,b)X \sim U(a, b)

指数分布​

描述等待时间(无记忆性):

f(x)=λe−λx,x>0f(x) = \lambda e^{-\lambda x}, \quad x > 0

  • 分布函数:F(x)=1−e−λxF(x) = 1 - e^{-\lambda x}
  • 期望:E(X)=1λE(X) = \dfrac{1}{\lambda}
  • 方差:Var⁡(X)=1λ2\operatorname{Var}(X) = \dfrac{1}{\lambda^2}
  • 记作:X∼Exp⁡(λ)X \sim \operatorname{Exp}(\lambda)
  • 无记忆性:P(X>s+t∣X>s)=P(X>t)P(X > s+t \mid X > s) = P(X > t)

指数分布是唯一的具有无记忆性的连续分布。

伽马分布​

多个独立同分布指数变量的和:

f(x)=λαΓ(α)xα−1e−λx,x>0f(x) = \frac{\lambda^{\alpha}}{\Gamma(\alpha)} x^{\alpha-1} e^{-\lambda x}, \quad x > 0

  • 期望:E(X)=αλE(X) = \dfrac{\alpha}{\lambda}
  • 方差:Var⁡(X)=αλ2\operatorname{Var}(X) = \dfrac{\alpha}{\lambda^2}
  • 记作:X∼Γ(α,λ)X \sim \Gamma(\alpha, \lambda)
  • α=1\alpha = 1 时退化为指数分布
  • α=n/2,λ=1/2\alpha = n/2, \lambda = 1/2 时退化为卡方分布 χ2(n)\chi^2(n)

贝塔分布​

在 [0,1][0, 1] 上的灵活分布,常用于建模比例:

f(x)=1B(α,β)xα−1(1−x)β−1,0<x<1f(x) = \frac{1}{B(\alpha, \beta)} x^{\alpha-1} (1-x)^{\beta-1}, \quad 0 < x < 1

  • 期望:E(X)=αα+βE(X) = \dfrac{\alpha}{\alpha+\beta}
  • B(α,β)=Γ(α)Γ(β)Γ(α+β)B(\alpha, \beta) = \dfrac{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}{\Gamma(\alpha+\beta)}

常用连续分布对比​

分布记号期望方差参数范围
均匀U(a,b)U(a, b)a+b2\frac{a+b}{2}(b−a)212\frac{(b-a)^2}{12}a,b∈Ra, b \in \mathbb{R}
正态N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)μ\muσ2\sigma^2μ∈R,σ>0\mu \in \mathbb{R}, \sigma > 0
指数Exp⁡(λ)\operatorname{Exp}(\lambda)1/λ1/\lambda1/λ21/\lambda^2λ>0\lambda > 0
伽马Γ(α,λ)\Gamma(\alpha, \lambda)α/λ\alpha/\lambdaα/λ2\alpha/\lambda^2α,λ>0\alpha, \lambda > 0
贝塔Beta⁡(α,β)\operatorname{Beta}(\alpha, \beta)αα+β\frac{\alpha}{\alpha+\beta}—α,β>0\alpha, \beta > 0