2.4常用分布与分布族(续)

接下来介绍统计中的三大分布,它们分别是

分布,
分布以及
分布,对于每个分布我们都将从以下四个方面进行介绍:
  • 构造型定义(充要性)很重要!
  • 概率密度函数
  • 性质
  • 上分位数

分布

构造型定义

,则

的分布为具有自由度

分布,记作

反之,如果随机变量

服从
,那么一定能找到

使得

这也就是构造型定义的充要性质,在介绍其他分布的构造型定义时将不再赘述.

概率密度函数

分布的密度为

在自由度变化时,密度函数的如图所示

卡方分布密度函数

下面给出密度函数的推导:

,只需证明
.

而根据

分布的可加性只需证明
.

的分布函数为
,其支撑为
,其支撑内有

进而得到密度函数为

因此

,进而
.
性质

可加性

且相互独立,则

这是因为

分布是
分布的特例,且
分布具有可加性

数字特征与特征函数

,根据
分布的期望方差能够得到

同理还能得到特征函数为

.

分布
构造型定义

且二者独立,则

的分布称为自由度为

分布,记作
.

概率密度函数

分布的密度为(好复杂啊,可以扔掉它吗?可以的!)

在自由度变化时,密度函数的如图所示

t分布密度函数

性质

定理T1

来自总体
为样本均值,
为样本方差,则

证明 利用构造型定义,想办法分子弄出正态,分母弄出卡方

且之前证过

独立,因此

这个结论可以与

一同记忆,
是将
换成了
.

这个定理对

分布的发现起着重要作用,当时人们认为正态可以做任何事情,

Pearson等统计学家都认为

是服从标准正态的,但是

W. S. Gosset发现在小样本场合,把

看作是正态的,会造成比较大的误差,进而他推导出了

定理T1,这个发现使得人们进一步深入地研究抽样分布,并产生了丰富的成果。

定理T2

,

即两个正态总体的方差是相同的,且假设

相互独立,记
的样本均值和样本方差,
的样本均值和样本方差,并记

那么

证明 看到样本均值和总体均值就要想到标准正态,看到样本方差就要想到卡方分布!

同一总体的样本均值与样本方差都独立了,不同独立总体的当然更加独立啦,所以

其中

也称为合样本方差,
也称为合样本标准差.

定理T3 当自由度充分大时,

分布收敛于标准正态分布

证明 还是利用构造型定义!看出它的重要性了吗?

由于

其中

,因此只需证明
,也等价于
.
,其特征函数为
,进而
的特征函数为

为退化分布
的特征函数,因此
.

此外也可以利用

分布的构造型定义结合弱大数定律得到

从密度函数图像中可以发现,

分布的峰值小于标准正态分布峰值,,而其“尾巴”较标准正态分布要“厚重”,因此补充给出下面的定理:

定理T4

,则对
,总存在
使得

分布的矩

利用构造型定义,结合正态分布及卡方分布的矩可以得到

要说明的是,只要当

时,
阶矩才存在。由于密度函数是偶函数,所以奇数阶矩为0.

特别地

可以发现,当

分布方差存在时,其比标准正态分布的方差来的大.

分布

构造型定义

且二者独立,则

的分布称为具有自由度

(或第一自由度为
,第二自由度为
)的
分布,记为

概率密度函数

的密度为(仅供观赏)

下面是密度函数的示意图

F分布密度函数

性质

倒数自由度交换

利用构造型定义即可,上下两个卡方的自由度刚好交换.

思考一下如果

,那么
服从?

根据构造型定义有

因此

定理F1

,

且假设

相互独立,设
的样本方差,
的样本方差,则

证明 还是一样,看到样本方差就要想到卡方哦

又由于来自两正态总体的样本独立,因此

下面一并介绍分布的上分位数

之前介绍过下

分位数是使得分布函数取值为
值,相反,上
分位数是使得分布函数取值为
值,直观上看,上
分位数

使得密度函数在

右侧的积分面积为
.

下面对不同分布加以介绍

标准正态分布

记其上

分位数为
,可以通过查标准正态分布表得到它的值,并且根据标准正态分布的对称性有
.
分布

记其上

分位数为
,当
时有
分布

记其上

分位数为
,根据对称性有
,当
分布

记其上

分位数为
,它有个非常重要的

三变性质:

思考下如何证明呢?

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