引入
掷骰子的结果是随机的,为什么可以说它的”平均点数”是 ?
期望和算术平均数是一回事吗?
为什么方差要平方?不平方不行吗?
随机变量把”事件”映射成”数”,从此可以用数值方法研究随机现象:求平均、求离散程度、求分布规律。
正文
定义
若随机试验的每个结果 都对应一个实数 ,则称 为随机变量。若 的取值可以一一列举,则称为离散型随机变量。
分布列
离散型随机变量 的所有取值 及其概率 构成分布列:
必须满足:
第二条是最常用的检验手段:算完分布列后加一遍,若不为 ,说明漏了情况或算错了。
数学期望
定义
期望是加权平均,权重是各取值的概率。
| 性质 | 式子 |
|---|---|
| 常数 | |
| 数乘 | |
| 加法 | |
| 线性 | |
| 独立时乘积 | 、 独立 |
期望的线性性不需要独立性,这是它最实用的性质:即使变量相关, 仍然成立。
方差
定义
标准差 。
为什么要平方? 因为偏差 有正有负,直接求平均会互相抵消为 。平方消除符号,再加权平均,得到”偏离程度的平方的平均”。开方后回到原来的量纲。
| 性质 | 式子 |
|---|---|
| 常数 | |
| 数乘 | |
| 平移 | |
| 线性 |
注意 而不是 :方差是平方量纲,系数要平方。
期望与方差的计算顺序
计算时先求 ,再求 (把每个取值平方后加权),最后相减。
这个公式比定义式更好用,因为不需要先算每个偏差再平方。
常见分布的期望与方差
| 分布 | ||
|---|---|---|
| 两点分布 | ||
| 二项分布 | ||
| 超几何分布 |
二项分布的期望可以直接理解: 次试验,每次成功概率 ,平均成功 次。
期望的实际意义与局限
| 场景 | 期望的作用 | 局限 |
|---|---|---|
| 保险定价 | 平均赔付 | 不反映极端风险 |
| 投资决策 | 平均收益 | 不反映波动 |
| 游戏设计 | 平均收益 | 玩家可能在期望为正时仍亏损 |
只有期望不够。两个方案期望相同,方差大的风险更高。决策时必须同时看期望和方差。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| ”期望就是最可能的值” | 期望可能不取任何实际值 |
| ” 总成立” | 需独立 |
| "" | 是 |
| “方差越大越好或越坏” | 取决于场景,风险厌恶时越小越好 |
| ”期望相同的方案等价” | 方差可能差异巨大 |
引出
为什么期望的线性性不需要独立性,而乘积的期望需要?
二项分布与超几何分布的差异,本质是”有放回”与”无放回”吗?
当试验次数趋于无穷时,二项分布会变成什么?
- 随机事件与概率:概率的公理化基础
- 条件概率与全概率公式:条件分布
- 二项分布与超几何分布:两种典型分布
- 正态分布:连续型的极限形态
- 应用数学:应用数学的整体框架
- 数学:数学学科入口