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随机变量线性变换的分布

随机变量线性变换的分布 (Distribution of a Linear Transformation of a Random Variable)

在概率论和统计学中,分析现有随机变量 (Random Variable) 的函数所形成的新的随机变量的分布是一个基本问题。其中,最简单也最重要的一类变换是线性变换。理解线性变换如何影响随机变量的分布、期望和方差,是许多统计推断和建模技术的基础。

一个随机变量 X X 的线性变换可以表示为:

Y=aX+bY = aX + b

其中 a a 和 b b 是常数,且 a≠0 a \neq 0 。这个变换本质上是对原始随机变量 X X 进行缩放(由系数 a a 控制)和位移(由常数 b b 控制)。我们的目标是,在已知 X X 的概率分布 (Probability Distribution) 的情况下,求出新随机变量 Y Y 的概率分布。

我们将分别讨论离散和连续两种情况。

离散随机变量的线性变换

设 X X 是一个离散随机变量,其概率质量函数 (Probability Mass Function, PMF) 为 P(X=xi)=pi P(X=x_i) = p_i ,其中 x1,x2,… x_1, x_2, \dots 是 X X 可能取到的值。

对于线性变换 Y=aX+b Y = aX + b ,新随机变量 Y Y 的取值集合为 {yi∣yi=axi+b,i=1,2,… } \{y_i | y_i = ax_i + b, i=1, 2, \dots\} 。

Y Y 的概率质量函数 P(Y=yi) P(Y=y_i) 可以通过以下逻辑推导:

P(Y=yi)=P(aX+b=axi+b)=P(aX=axi)=P(X=xi)P(Y=y_i) = P(aX+b = ax_i+b) = P(aX = ax_i) = P(X=x_i)

因此,对于每一个 yi y_i ,其概率与对应的 xi x_i 的概率完全相同。

结论: 如果 Y=aX+b Y=aX+b ,则 Y Y 的 PMF 为:

P(Y=axi+b)=P(X=xi)P(Y=ax_i+b) = P(X=x_i)

这个变换仅仅改变了随机变量的取值,而没有改变每个值出现的概率。

连续随机变量的线性变换

设 X X 是一个连续随机变量,其概率密度函数 (Probability Density Function, PDF) 为 fX(x) f_X(x) ,累积分布函数 (Cumulative Distribution Function, CDF) 为 FX(x)=P(X≤x) F_X(x) = P(X \le x) 。我们的目标是求出 Y=aX+b Y=aX+b 的 PDF fY(y) f_Y(y) 和 CDF FY(y) F_Y(y) 。

推导 Y Y 的分布通常有两种方法:CDF法和变量替换法。

方法一:累积分布函数法 (CDF Method)

这是最基本、最直观的方法。我们从 Y Y 的CDF定义出发:

FY(y)=P(Y≤y)=P(aX+b≤y)=P(aX≤y−b)F_Y(y) = P(Y \le y) = P(aX+b \le y) = P(aX \le y-b)

接下来,需要根据系数 a a 的符号分情况讨论。

情况 1: a>0 a > 0 当 a a 为正数时,不等式两边同除以 a a ,不等号方向不变:

FY(y)=P(X≤y−ba)F_Y(y) = P(X \le \frac{y-b}{a})

根据 X X 的CDF定义,这正是 FX(y−ba) F_X(\frac{y-b}{a}) 。

FY(y)=FX(y−ba)F_Y(y) = F_X\left(\frac{y-b}{a}\right)

为了求得 PDF fY(y) f_Y(y) ,我们对 CDF FY(y) F_Y(y) 关于 y y 求导。根据微积分中的链式法则 (Chain Rule):

fY(y)=ddyFY(y)=ddyFX(y−ba)=fX(y−ba)⋅ddy(y−ba)=fX(y−ba)⋅1af_Y(y) = \frac{d}{dy}F_Y(y) = \frac{d}{dy}F_X\left(\frac{y-b}{a}\right) = f_X\left(\frac{y-b}{a}\right) \cdot \frac{d}{dy}\left(\frac{y-b}{a}\right) = f_X\left(\frac{y-b}{a}\right) \cdot \frac{1}{a}

情况 2: a<0 a < 0 当 a a 为负数时,不等式两边同除以 a a ,不等号方向需要反转:

FY(y)=P(X≥y−ba)F_Y(y) = P(X \ge \frac{y-b}{a})

利用互补事件的概率,我们可以将其与 X X 的CDF联系起来:

FY(y)=1−P(X<y−ba)F_Y(y) = 1 - P\left(X < \frac{y-b}{a}\right)

因为 X X 是连续随机变量,P(X<c)=P(X≤c) P(X < c) = P(X \le c) ,所以:

FY(y)=1−FX(y−ba)F_Y(y) = 1 - F_X\left(\frac{y-b}{a}\right)

同样,对 y y 求导得到 PDF:

fY(y)=ddyFY(y)=ddy[1−FX(y−ba)]=−fX(y−ba)⋅1af_Y(y) = \frac{d}{dy}F_Y(y) = \frac{d}{dy}\left[1 - F_X\left(\frac{y-b}{a}\right)\right] = -f_X\left(\frac{y-b}{a}\right) \cdot \frac{1}{a}

由于 a<0 a < 0 ,所以 −1/a -1/a 是一个正数。我们可以用绝对值 ∣a∣ |a| 来统一表示,因为当 a<0 a<0 时, ∣a∣=−a |a| = -a ,所以 −1/a=1/∣a∣ -1/a = 1/|a| 。

统一公式 综合以上两种情况,我们可以得到一个统一的公式:

fY(y)=fX(y−ba)⋅1∣a∣f_Y(y) = f_X\left(\frac{y-b}{a}\right) \cdot \frac{1}{|a|}

这个公式是随机变量函数分布理论中一个非常重要的结果。

方法二:变量替换法 (Change of Variable Method)

这是一种更具普适性的方法,对于更复杂的非线性变换也适用。它基于微积分中的变量替换规则。对于单变量变换 y=g(x) y=g(x) ,其反函数为 x=g−1(y) x=g^{-1}(y) ,新变量的PDF为:

fY(y)=fX(g−1(y))∣ddyg−1(y)∣f_Y(y) = f_X(g^{-1}(y)) \left| \frac{d}{dy}g^{-1}(y) \right|

这里的 ∣ddyg−1(y)∣ \left| \frac{d}{dy}g^{-1}(y) \right| 是变换的雅可比行列式 (Jacobian) 的绝对值在单变量情况下的形式。

对于线性变换 y=ax+b y = ax+b :

  1. 反函数:x=y−ba x = \frac{y-b}{a} 。
  2. 反函数对 y y 求导:dxdy=ddy(y−ba)=1a \frac{dx}{dy} = \frac{d}{dy}\left(\frac{y-b}{a}\right) = \frac{1}{a} 。
  3. 取绝对值:∣dxdy∣=∣1a∣=1∣a∣ \left| \frac{dx}{dy} \right| = \left| \frac{1}{a} \right| = \frac{1}{|a|} 。
  4. 代入公式:
fY(y)=fX(y−ba)⋅1∣a∣f_Y(y) = f_X\left(\frac{y-b}{a}\right) \cdot \frac{1}{|a|}

这与使用CDF法得到的结果完全一致。

对期望和方差的影响

线性变换对随机变量的期望 (Expectation) 和方差 (Variance) 有着简单而明确的影响。设 E[X]=μ E[X]=\mu 且 Var(X)=σ2 Var(X)=\sigma^2 。

期望的线性性质

对于 Y=aX+b Y = aX + b ,其期望为:

E[Y]=E[aX+b]E[Y] = E[aX + b]

根据期望的线性性质,我们可以得到:

E[Y]=aE[X]+b=aμ+bE[Y] = aE[X] + b = a\mu + b

证明 (连续情况):

E[Y]=∫−∞∞yfY(y)dyE[Y] = \int_{-\infty}^{\infty} y f_Y(y) dy

将 y=ax+b y=ax+b 代入积分(这里使用变量替换进行证明更为直观):

E[Y]=∫−∞∞(ax+b)fX(x)dx=∫−∞∞axfX(x)dx+∫−∞∞bfX(x)dxE[Y] = \int_{-\infty}^{\infty} (ax+b) f_X(x) dx = \int_{-\infty}^{\infty} ax f_X(x) dx + \int_{-\infty}^{\infty} b f_X(x) dx
E[Y]=a∫−∞∞xfX(x)dx+b∫−∞∞fX(x)dxE[Y] = a \int_{-\infty}^{\infty} x f_X(x) dx + b \int_{-\infty}^{\infty} f_X(x) dx

由于 ∫xfX(x)dx=E[X] \int x f_X(x) dx = E[X] 且 ∫fX(x)dx=1 \int f_X(x) dx = 1 ,我们得到:

E[Y]=aE[X]+bE[Y] = aE[X] + b

方差的变化规律

对于 Y=aX+b Y = aX + b ,其方差为:

Var(Y)=Var(aX+b)Var(Y) = Var(aX+b)

根据方差的定义 Var(Z)=E[(Z−E[Z])2] Var(Z) = E[(Z - E[Z])^2] :

Var(Y)=E[(Y−E[Y])2]=E[((aX+b)−(aμ+b))2]=E[(aX−aμ)2]Var(Y) = E[(Y - E[Y])^2] = E[((aX+b) - (a\mu+b))^2] = E[(aX-a\mu)^2]
Var(Y)=E[a2(X−μ)2]=a2E[(X−μ)2]=a2Var(X)=a2σ2Var(Y) = E[a^2(X-\mu)^2] = a^2 E[(X-\mu)^2] = a^2 Var(X) = a^2 \sigma^2

重要观察:

  • 方差只受乘法系数 a a 的平方影响。
  • 加法常数 b b 仅改变分布的位置(均值),不改变其离散程度(方差)。

相应地,标准差 (Standard Deviation) 的变化为:

SD(Y)=Var(Y)=a2σ2=∣a∣σ2=∣a∣σSD(Y) = \sqrt{Var(Y)} = \sqrt{a^2 \sigma^2} = |a| \sqrt{\sigma^2} = |a| \sigma

重要应用与范例

1. 标准化 (Standardization) 与 Z-score

标准化是将一个随机变量转换为均值为0、方差为1的新变量的过程,这是统计学中最常见的线性变换。对于一个随机变量 X X (均值为 μ \mu ,方差为 σ2 \sigma^2 ),其标准化随机变量(或称Z-score)定义为:

Z=X−μσ=1σX−μσZ = \frac{X - \mu}{\sigma} = \frac{1}{\sigma}X - \frac{\mu}{\sigma}

这是一个线性变换,其中 a=1/σ a = 1/\sigma ,b=−μ/σ b = -\mu/\sigma 。

  • Z的期望:
E[Z]=1σE[X]−μσ=1σμ−μσ=0E[Z] = \frac{1}{\sigma}E[X] - \frac{\mu}{\sigma} = \frac{1}{\sigma}\mu - \frac{\mu}{\sigma} = 0
  • Z的方差:
Var(Z)=(1σ)2Var(X)=1σ2⋅σ2=1Var(Z) = \left(\frac{1}{\sigma}\right)^2 Var(X) = \frac{1}{\sigma^2} \cdot \sigma^2 = 1

标准化使得不同尺度和位置的随机变量具有可比性,是假设检验、置信区间估计以及中心极限定理应用中的关键步骤。

2. 正态分布的线性变换

正态分布 (Normal Distribution) 族在线性变换下是封闭的。这意味着对一个正态随机变量进行线性变换,其结果仍然是正态随机变量。

如果 X∼N(μ,σ2) X \sim N(\mu, \sigma^2) ,并且 Y=aX+b Y = aX+b ,则 Y Y 的分布为:

  • 均值: E[Y]=aμ+b E[Y] = a\mu + b
  • 方差: Var(Y)=a2σ2 Var(Y) = a^2\sigma^2

因此,

Y∼N(aμ+b,a2σ2)Y \sim N(a\mu + b, a^2\sigma^2)

例如,如果 X∼N(10,4) X \sim N(10, 4) ,则 Y=2X−5 Y = 2X - 5 的分布为 Y∼N(2⋅10−5,22⋅4)=N(15,16) Y \sim N(2 \cdot 10 - 5, 2^2 \cdot 4) = N(15, 16) 。

3. 均匀分布的线性变换

如果 X X 服从区间 [c,d] [c, d] 上的均匀分布 (Uniform Distribution),即 X∼U(c,d) X \sim U(c, d) ,其PDF为:

fX(x)=1d−c,c≤x≤df_X(x) = \frac{1}{d-c}, \quad c \le x \le d

设 Y=aX+b Y = aX+b 且 a>0 a>0 。新变量 Y Y 的取值范围是 [ac+b,ad+b] [ac+b, ad+b] 。

根据PDF变换公式:

fY(y)=fX(y−ba)1∣a∣=1d−c⋅1a=1a(d−c)f_Y(y) = f_X\left(\frac{y-b}{a}\right) \frac{1}{|a|} = \frac{1}{d-c} \cdot \frac{1}{a} = \frac{1}{a(d-c)}

由于 a(d−c) a(d-c) 是新区间的长度 (ad+b)−(ac+b) (ad+b)-(ac+b) ,这表明 Y Y 的PDF在新区间上也是一个常数。因此,Y Y 仍然服从均匀分布:

Y∼U(ac+b,ad+b)Y \sim U(ac+b, ad+b)

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