常见离散型随机变量
在概率论的研究中,一些随机试验由于其结构的特殊性,产生出的随机变量往往具有特定的分布规律。本章将详细介绍几类最常用的离散型随机变量,它们是构建复杂概率模型的基础。
1. 0-1 分布(伯努利分布)
定义 0-1 分布(Bernoulli Distribution)设随机变量 只取 和 两个值,且其分布律为 ,,其中 。这种分布称为 0-1 分布 或 伯努利分布。
其概率质量函数(PMF)可以统一写成:
通常记作 或 。
1.1 数字特征
- 期望:
- 方差:
1.2 应用场景与例题
0-1 分布适用于只有两种可能结果的单次试验。例如:硬币投掷(正面或反面)、产品检测(合格或不合格)、考试结果(通过或不通过)。
例题 1:某生产线上的产品合格率为 。现随机抽取一件产品,令 表示产品合格, 表示产品不合格。求 的分布律及期望。
解: 服从参数为 的 0-1 分布。 分布律为:,。 期望 。
2. 二项分布
定义 二项分布(Binomial Distribution)设随机变量 表示 重伯努利试验中“成功”出现的次数,每次试验中“成功”的概率为 。则 的概率分布称为 二项分布。
其 PMF 为:
记作 。当 时,二项分布退化为 0-1 分布。
2.1 期望与方差
对于二项分布 ,其期望为 ,方差为 。
证明
利用期望的线性性质:设 ,其中 是第 次试验的 0-1 变量()。 由于各次试验相互独立,则:
2.2 最可能值
二项分布的最可能值(众数)是指使 达到最大的 。 通过比较 与 的大小,可以得出:
- 若 不是整数,则最可能值为 。
- 若 是整数,则 和 都是最可能值,它们的概率相等且最大。
2.3 应用场景与例题
例题 2:某射击运动员命中目标的概率为 。现独立射击 次,求至少命中 次的概率。
解:设 为命中次数,则 。
例题 3:一批产品的废品率为 。现从中抽取 件,求废品数 的期望和方差。
解:。 。 。
3. 泊松分布
定义 泊松分布(Poisson Distribution)如果随机变量 的所有可能取值为 ,且分布律为
其中 是常数,则称 服从参数为 的 泊松分布,记作 或 。
3.1 期望与方差
对于 :
- 期望:
- 方差:
参数 的物理意义通常是单位时间(或单位面积、单位空间)内事件发生的平均次数。
3.2 泊松定理
定义 泊松定理(Poisson Theorem)设 。如果当 时,( 是常数),则对于任一固定的 ,有:
证明
令 ,代入二项分布公式:
当 时:
- 综上所述,极限值为 。
3.3 应用场景与例题
泊松分布常用于描述“稀有事件”在大量重复试验中出现的次数。例如:
- 某段时间内接到的求救电话次数。
- 放射性物质在单位时间内放射出的粒子数。
- 书本中每页的印刷错误数。
例题 4:某种电子元件的失效率为 。现有一批共 个这种元件,求其中失效元件数 恰好为 的概率。
解:。由于 较大且 较小,令 。 使用泊松近似:
例题 5:一个电话交换台每分钟平均接到 个呼唤。求在某一分钟内接到呼唤次数不少于 次的概率。
解:设 为呼唤次数,则 。
4. 几何分布
定义 几何分布(Geometric Distribution)在伯努利试验中,若每次试验成功的概率为 ,令随机变量 表示直到首次成功为止所需的试验次数,则称 服从参数为 的 几何分布。
其 PMF 为:
记作 。
4.1 数字特征
- 期望:
- 方差:
4.2 无记忆性
定义 无记忆性(Memoryless Property)几何分布具有如下性质:对于任意正整数 ,有
证明
首先计算 ,这表示前 次试验全部失败的概率:
根据条件概率公式:
这一性质意味着:如果前 次试验已经失败,那么再需要试验 次才成功的概率,与从头开始试验需要 次才成功的概率是相同的。系统没有“记忆”。
4.3 应用场景与例题
例题 6:一个射手命中目标的概率为 。他不断射击直到命作为止,求他射击次数 的期望,以及他需要射击超过 次的概率。
解:。 期望 。 。
5. 超几何分布
定义 超几何分布(Hypergeometric Distribution)设有 件产品,其中有 件次品。从中随机不放回地抽取 件,令 表示抽取的 件产品中的次品数。则称 服从参数为 的 超几何分布。
其 PMF 为:
其中 。记作 。
5.1 期望
对于 ,其期望为:
这说明不放回抽样的次品数期望与有放回抽样(二项分布)的期望形式是一致的。
5.2 与二项分布的关系
当总体容量 很大时,不放回抽样可以近似看作有放回抽样。即: 当 , 且 时,超几何分布近似于二项分布 。
例题 7:从含 个红球和 个白球的袋中不放回地抽取 个球,求抽到红球个数 的分布律。
解:。 分布律为:,。
6. 负二项分布
定义 负二项分布(Negative Binomial Distribution)在独立重复的伯努利试验中,设每次试验成功的概率为 。令随机变量 表示直到出现第 次成功时所需的试验总次数,则称 服从参数为 的 负二项分布。
其 PMF 为:
记作 。
6.1 性质
- 与几何分布的关系:几何分布是 时负二项分布的特例。
- 期望:
- 方差:
7. 常见离散分布总结
下表总结了本章介绍的主要离散分布及其特征:
| 分布名称 | 记号 | 概率质量函数 | 期望 | 方差 | 主要应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0-1 分布 | 单次试验结果 | ||||
| 二项分布 | 重重复试验 | ||||
| 泊松分布 | 稀有事件、排队论 | ||||
| 几何分布 | 首次成功时间 | ||||
| 超几何分布 | - | 不放回抽样 | |||
| 负二项分布 | 第 次成功时间 |
分布间的关系
下方的 Mermaid 图展示了这些分布之间的内在联系: