证明 指数分布 的期望和方差

指数分布

指数分布(Exponential Distribution)是一种常见的连续型概率分布,通常用于描述事件之间的时间间隔。假设随机变量 ( X ) 服从参数为 ( \lambda ) 的指数分布,记作

指数分布的概率密度函数(PDF)为:

f ( x ) = { λ e − λ x x ≥ 0 0 x < 0 f(x) = \begin{cases} \lambda e^{-\lambda x} & x \geq 0 \\ 0 & x < 0 \end{cases} f(x)={λe−λx0x≥0x<0

期望值

期望值(Expectation)表示随机变量的平均值。对于指数分布 ( X ),其期望值 ( \mathbb{E}(X) ) 定义为:

E ( X ) = ∫ 0 ∞ x f ( x )   d x \mathbb{E}(X) = \int_{0}^{\infty} x f(x) \, dx E(X)=∫0∞xf(x)dx

代入指数分布的概率密度函数:

E ( X ) = ∫ 0 ∞ x λ e − λ x   d x \mathbb{E}(X) = \int_{0}^{\infty} x \lambda e^{-\lambda x} \, dx E(X)=∫0∞xλe−λxdx

将 (\lambda) 提取出来:

E ( X ) = λ ∫ 0 ∞ x e − λ x   d x \mathbb{E}(X) = \lambda \int_{0}^{\infty} x e^{-\lambda x} \, dx E(X)=λ∫0∞xe−λxdx

为了计算这个积分,我们使用分部积分法。设:

u = x , d v = e − λ x   d x u = x, \quad dv = e^{-\lambda x} \, dx u=x,dv=e−λxdx

则:

d u = d x , v = − 1 λ e − λ x du = dx, \quad v = -\frac{1}{\lambda} e^{-\lambda x} du=dx,v=−λ1e−λx

应用分部积分公式

∫ 0 ∞ x e − λ x   d x = − x λ e − λ x ∣ 0 ∞ + ∫ 0 ∞ 1 λ e − λ x   d x \int_{0}^{\infty} x e^{-\lambda x} \, dx = \left. -\frac{x}{\lambda} e^{-\lambda x} \right|{0}^{\infty} + \int{0}^{\infty} \frac{1}{\lambda} e^{-\lambda x} \, dx ∫0∞xe−λxdx=−λxe−λx 0∞+∫0∞λ1e−λxdx

第一个项在 ( x = 0 ) 时为 0,在 ( x \to \infty ) 时也趋近于 0,因此:

− x λ e − λ x ∣ 0 ∞ = 0 \left. -\frac{x}{\lambda} e^{-\lambda x} \right|_{0}^{\infty} = 0 −λxe−λx 0∞=0

第二个项为:

∫ 0 ∞ 1 λ e − λ x   d x = 1 λ ∫ 0 ∞ e − λ x   d x = 1 λ − 1 λ e − λ x 0 ∞ = 1 λ ( 0 − ( − 1 ) ) = 1 λ 2 \int_{0}^{\infty} \frac{1}{\lambda} e^{-\lambda x} \, dx = \frac{1}{\lambda} \int_{0}^{\infty} e^{-\lambda x} \, dx = \frac{1}{\lambda} \left -\\frac{1}{\\lambda} e\^{-\\lambda x} \\right_{0}^{\infty} = \frac{1}{\lambda} \left( 0 - (-1) \right) = \frac{1}{\lambda^2} ∫0∞λ1e−λxdx=λ1∫0∞e−λxdx=λ1−λ1e−λx0∞=λ1(0−(−1))=λ21

因此,

E ( X ) = λ ⋅ 1 λ 2 = 1 λ \mathbb{E}(X) = \lambda \cdot \frac{1}{\lambda^2} = \frac{1}{\lambda} E(X)=λ⋅λ21=λ1

方差

方差(Variance)表示随机变量与其期望值之间的离散程度。方差的定义为:

Var ( X ) = E ( X − E ( X ) ) 2 = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 \text{Var}(X) = \mathbb{E}(X - \\mathbb{E}(X))\^2 = \mathbb{E}(X^2) - (\mathbb{E}(X))^2 Var(X)=E(X−E(X))2=E(X2)−(E(X))2

首先,我们计算 ( \mathbb{E}(X^2) ):

E ( X 2 ) = ∫ 0 ∞ x 2 f ( x )   d x \mathbb{E}(X^2) = \int_{0}^{\infty} x^2 f(x) \, dx E(X2)=∫0∞x2f(x)dx

代入指数分布的概率密度函数:

E ( X 2 ) = ∫ 0 ∞ x 2 λ e − λ x   d x \mathbb{E}(X^2) = \int_{0}^{\infty} x^2 \lambda e^{-\lambda x} \, dx E(X2)=∫0∞x2λe−λxdx

将 (\lambda) 提取出来:

E ( X 2 ) = λ ∫ 0 ∞ x 2 e − λ x   d x \mathbb{E}(X^2) = \lambda \int_{0}^{\infty} x^2 e^{-\lambda x} \, dx E(X2)=λ∫0∞x2e−λxdx

为了计算这个积分,我们再次使用分部积分法。设:

u = x 2 , d v = e − λ x   d x u = x^2, \quad dv = e^{-\lambda x} \, dx u=x2,dv=e−λxdx

则:

d u = 2 x   d x , v = − 1 λ e − λ x du = 2x \, dx, \quad v = -\frac{1}{\lambda} e^{-\lambda x} du=2xdx,v=−λ1e−λx

应用分部积分公式

∫ 0 ∞ x 2 e − λ x   d x = − x 2 λ e − λ x ∣ 0 ∞ + ∫ 0 ∞ 2 x λ e − λ x   d x \int_{0}^{\infty} x^2 e^{-\lambda x} \, dx = \left. -\frac{x^2}{\lambda} e^{-\lambda x} \right|{0}^{\infty} + \int{0}^{\infty} \frac{2x}{\lambda} e^{-\lambda x} \, dx ∫0∞x2e−λxdx=−λx2e−λx 0∞+∫0∞λ2xe−λxdx

第一个项在 ( x = 0 ) 时为 0,在 ( x \to \infty ) 时也趋近于 0,因此:

− x 2 λ e − λ x ∣ 0 ∞ = 0 \left. -\frac{x^2}{\lambda} e^{-\lambda x} \right|_{0}^{\infty} = 0 −λx2e−λx 0∞=0

第二个项为:

∫ 0 ∞ 2 x λ e − λ x   d x = 2 λ ∫ 0 ∞ x e − λ x   d x \int_{0}^{\infty} \frac{2x}{\lambda} e^{-\lambda x} \, dx = \frac{2}{\lambda} \int_{0}^{\infty} x e^{-\lambda x} \, dx ∫0∞λ2xe−λxdx=λ2∫0∞xe−λxdx

我们之前已经计算过这个积分:

∫ 0 ∞ x e − λ x   d x = 1 λ 2 \int_{0}^{\infty} x e^{-\lambda x} \, dx = \frac{1}{\lambda^2} ∫0∞xe−λxdx=λ21

因此,

E ( X 2 ) = λ ⋅ 2 λ ⋅ 1 λ 2 = 2 λ 2 \mathbb{E}(X^2) = \lambda \cdot \frac{2}{\lambda} \cdot \frac{1}{\lambda^2} = \frac{2}{\lambda^2} E(X2)=λ⋅λ2⋅λ21=λ22

现在我们可以计算方差:

Var ( X ) = E ( X 2 ) − ( E ( X ) ) 2 = 2 λ 2 − ( 1 λ ) 2 = 2 λ 2 − 1 λ 2 = 1 λ 2 \text{Var}(X) = \mathbb{E}(X^2) - (\mathbb{E}(X))^2 = \frac{2}{\lambda^2} - \left(\frac{1}{\lambda}\right)^2 = \frac{2}{\lambda^2} - \frac{1}{\lambda^2} = \frac{1}{\lambda^2} Var(X)=E(X2)−(E(X))2=λ22−(λ1)2=λ22−λ21=λ21

结论

对于指数分布

,其期望值和方差分别为:

E ( X ) = 1 λ \mathbb{E}(X) = \frac{1}{\lambda} E(X)=λ1

Var ( X ) = 1 λ 2 \text{Var}(X) = \frac{1}{\lambda^2} Var(X)=λ21

这些结果表明,在进行一系列独立的指数分布事件中,事件之间时间间隔的平均值是 ( \frac{1}{\lambda} ),而离散程度由 ( \frac{1}{\lambda^2} ) 决定。

相关推荐
FPGA信号处理3 天前
【应用随机过程】:更新过程与马尔可夫链入门
算法·概率论
金色光环7 天前
【概率论详细笔记】泊松分布是怎么来的?应该怎么用?
笔记·概率论
Samson Bruce8 天前
【数学之美】
线性代数·算法·概率论
程序猿阿森10 天前
【机器学习实战】朴素贝叶斯算法详解:从概率基础到商品评论情感分析
算法·机器学习·概率论
坐看风云变幻12 天前
《飞控数学与控制 · 新手入门连载》第 4 期|概率论与高斯分布:为什么 IMU 永远“测不准“
概率论
努力努力再努力wz14 天前
【机器学习入门系列】从随机事件到正态分布:一文梳理概率论的核心知识
人工智能·机器学习·概率论
没有钱的钱仔15 天前
最大似然估计(MLE)通俗理解
算法·机器学习·概率论
FPGA信号处理16 天前
【信号检测与估计】第一次作业:无偏性、均方误差与最小方差无偏估计
人工智能·机器学习·概率论
for_ever_love__20 天前
概率与统计——分布、期望与贝叶斯,语言模型的建模基础
python·机器学习·大模型·概率论
lisw0521 天前
概率论:事件之间的关系与运算!
数据分析·概率论