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常见分布的数学期望

常见分布的数学期望

两点分布

分布律P(X=k)=pk(1p)1kP(X = k) = p^k(1-p)^{1-k}k=0,1k = 0, 1

数学期望E(X)=0(1p)+1p=pE(X) = 0 \cdot (1-p) + 1 \cdot p = p

二项分布

分布律P(X=k)=Cnkpk(1p)nkP(X = k) = C_n^k p^k(1-p)^{n-k}k=0,1,2,,nk = 0, 1, 2, \dots, n

数学期望E(X)=npE(X) = np

证明E(X)=k=0nkCnkpk(1p)nk=k=1nkn!k!(nk)!pk(1p)nkE(X) = \sum_{k=0}^n k C_n^k p^k(1-p)^{n-k} = \sum_{k=1}^n k \frac{n!}{k!(n-k)!} p^k(1-p)^{n-k} =npk=1n(n1)!(k1)!(nk)!pk1(1p)nk=npj=0n1Cn1jpj(1p)n1j=np= np \sum_{k=1}^n \frac{(n-1)!}{(k-1)!(n-k)!} p^{k-1}(1-p)^{n-k} = np \sum_{j=0}^{n-1} C_{n-1}^j p^j(1-p)^{n-1-j} = np

泊松分布

分布律P(X=k)=λkk!eλP(X = k) = \frac{\lambda^k}{k!} e^{-\lambda}k=0,1,2,k = 0, 1, 2, \dots

数学期望E(X)=λE(X) = \lambda

证明E(X)=k=0kλkk!eλ=λeλk=1λk1(k1)!=λeλeλ=λE(X) = \sum_{k=0}^{\infty} k \frac{\lambda^k}{k!} e^{-\lambda} = \lambda e^{-\lambda} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\lambda^{k-1}}{(k-1)!} = \lambda e^{-\lambda} e^{\lambda} = \lambda

均匀分布

密度函数f(x)={1ba,axb0,其他f(x) = \begin{cases} \frac{1}{b-a}, & a \leq x \leq b \\ 0, & \text{其他} \end{cases}

数学期望E(X)=a+b2E(X) = \frac{a+b}{2}

证明E(X)=abx1badx=1bax22ab=b2a22(ba)=a+b2E(X) = \int_a^b x \cdot \frac{1}{b-a} dx = \frac{1}{b-a} \cdot \frac{x^2}{2}\big|_a^b = \frac{b^2-a^2}{2(b-a)} = \frac{a+b}{2}

指数分布

密度函数f(x)={λeλx,x00,x<0f(x) = \begin{cases} \lambda e^{-\lambda x}, & x \geq 0 \\ 0, & x < 0 \end{cases}

数学期望E(X)=1λE(X) = \frac{1}{\lambda}

证明E(X)=0xλeλxdx=λ0xeλxdxE(X) = \int_0^{\infty} x \cdot \lambda e^{-\lambda x} dx = \lambda \int_0^{\infty} x e^{-\lambda x} dx =λ[xλeλx1λ2eλx]0=1λ= \lambda \left[ -\frac{x}{\lambda} e^{-\lambda x} - \frac{1}{\lambda^2} e^{-\lambda x} \right]_0^{\infty} = \frac{1}{\lambda}

正态分布

密度函数f(x)=12πσe(xμ)22σ2f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}

数学期望E(X)=μE(X) = \mu

证明E(X)=+x12πσe(xμ)22σ2dxE(X) = \int_{-\infty}^{+\infty} x \cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} dxy=xμy = x - \mu,则: E(X)=+(y+μ)12πσey22σ2dyE(X) = \int_{-\infty}^{+\infty} (y + \mu) \cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{y^2}{2\sigma^2}} dy =+y12πσey22σ2dy+μ+12πσey22σ2dy= \int_{-\infty}^{+\infty} y \cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{y^2}{2\sigma^2}} dy + \mu \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{y^2}{2\sigma^2}} dy 第一项为 0(奇函数),第二项为 μ\mu,所以 E(X)=μE(X) = \mu

练习题

练习 1

已知随机变量 XX 服从参数为 λ\lambda 的指数分布,求 E(X)E(X)

参考答案

解题思路: 使用指数分布的数学期望公式。

详细步骤

  1. 指数分布的数学期望:E(X)=1λE(X) = \frac{1}{\lambda}
  2. 或者通过积分计算: E(X)=0xλeλxdx=1λE(X) = \int_0^{\infty} x \cdot \lambda e^{-\lambda x} dx = \frac{1}{\lambda}

答案1λ\frac{1}{\lambda}

练习 2

已知随机变量 XX 服从参数为 n,pn, p 的二项分布,求 E(X)E(X)

参考答案

解题思路: 使用二项分布的数学期望公式。

详细步骤

  1. 二项分布的数学期望:E(X)=npE(X) = np
  2. 或者通过定义计算: E(X)=k=0nkCnkpk(1p)nk=npE(X) = \sum_{k=0}^n k C_n^k p^k(1-p)^{n-k} = np

答案npnp