随机变量的方差

随机变量的方差

平均绝对偏差
E{∣X−E(X)∣} E\{ |X - E(X)| \} E{∣X−E(X)∣}

能度量随机变量与其均值E(X)E(X)E(X)的偏离程度。但由于上式带有绝对值,运算不方便,为运算方便起见,通常用平方偏差的期望

E{X−E(X)2} E\{ X - E(X)^2 \} E{X−E(X)2}

来度量随机变量XXX与其均值E(X)E(X)E(X)的偏离程度。

定义

设随机变量XXX的数学期望E(X)E(X)E(X)存在,称

E(X−E(X))2 E(X - E(X))\^2 E(X−E(X))2

为随机变量XXX的方差,记为D(X)D(X)D(X)或Var⁡(X)\operatorname{Var}(X)Var(X)。即

D(X)=Var(X)=EX−E(X)2. D(X) = \text{Var}(X) = EX - E(X)^2 . D(X)=Var(X)=EX−E(X)2.

随机变量XXX的方差反映了XXX的取值与其数学期望的偏离程度。若D(X)D(X)D(X)较小,则XXX的取值比较集中在E(X)E(X)E(X)的附近;反之,若D(X)D(X)D(X)较大则XXX的取值较分散。因此,D(X)D(X)D(X)是刻画XXX取值分散程度的一个量,它是衡量XXX取值分散程度的一个尺度。


定义

设随机变量XXX的数学期望E(X)E(X)E(X)存在,称

D(X)=E(X−E(X))2 \sqrt{D(X)} = \sqrt{E(X - E(X))\^2} D(X) =E(X−E(X))2

为随机变量XXX的标准差或均方差,记为σ(X)\sigma(X)σ(X)。

方差单位是原变量单位的平方,因此引入其平方根------标准差 σ(X)\sigma(X)σ(X),使其与原变量同量纲。


随机变量的方差本质上是随机变量XXX与其数学期望的偏差平方的数学期望,所以方差计算可以依据随机变量数学期望的方法进行。即对每个可能取值xkx_kxk或xxx,计算其偏离均值的平方,再按概率加权平均。


若随机变量XXX的方差D(X)D(X)D(X)存在,则:

  1. 若XXX为离散型随机变量,其概率函数为p(xi)p(x_i)p(xi),i=1,2,⋯i = 1, 2, \cdotsi=1,2,⋯,则

D(X)=E(X−E(X))2=∑ixi−E(X)2p(xi). D(X) = E(X - E(X))\^2 = \sum_i x_i - E(X)^2 p(x_i). D(X)=E(X−E(X))2=i∑xi−E(X)2p(xi).

  1. 若XXX为连续型随机变量,其概率密度为f(x)f(x)f(x),则

D(X)=E(X−E(X))2=∫−∞+∞x−E(X)2f(x) dx. D(X) = E(X - E(X))\^2 = \int_{-\infty}^{+\infty} x - E(X)^2 f(x) \, dx. D(X)=E(X−E(X))2=∫−∞+∞x−E(X)2f(x)dx.


因为X−E(X)2=X2−2XE(X)+E2(X)X - E(X)^2 = X^2 - 2XE(X) + E^2(X)X−E(X)2=X2−2XE(X)+E2(X),利用数学期望的性质,则可以得到方差计算的另一个公式方法。

定理

设随机变量XXX的数学期望E(X)E(X)E(X)和E(X2)E(X^2)E(X2)均存在,则

D(X)=E(X2)−E2(X). D(X) = E(X^2) - E^2(X). D(X)=E(X2)−E2(X).

这是方差的简化公式,避免了先算均值再代入求和/积分,尤其适合已知矩(moment)的情况。


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