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常见分布的数学期望和方差

2025-06-04

0-1 分布 ​

若 X∼B(1,00p) 则

P(X=1)=p,P(X=0)=1−pE(X)=pV(X)=p(1−p)
证
E(X)=0⋅P(X=0)+1⋅P(X=1)=pE(X2)=02⋅P(X=0)+12⋅P(X=1)=pV(X)=E(X2)−[E(X)]2=p2−p=p(1−p)

二项分布 ​

若 X∼B(n,00p) 则

P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−k(k=0,1,2,⋯,n)E(X)=npV(X)=np(1−p)
证

根据二项分布的可加性,设 {Xi}i=1n 相互独立,均服从 0-1 分布,且 X=00∑i=1nXi,则

E(X)=∑k=0nE(Xk)=npV(X)=∑k=0nV(Xk)=np(1−p)

泊松分布 ​

若 X∼P(λ) 则

P(X=k)=e−λλkk!(k=0,1,2,⋯)E(X)=λV(X)=λ
证
E(X)=∑k=0∞k⋅P(X=k)=∑k=0∞k⋅e−λλkk!=λe−λ∑k=1∞λk−1(k−1)!=λe−λeλ=λE(X2)=∑k=0∞k2⋅P(X=k)=∑k=0∞k2⋅e−λλkk!=∑k=0∞k(k−1)⋅e−λλkk!+∑k=0∞k⋅e−λλkk!=λ2e−λ∑k=2∞λk−2(k−2)!+E(X)=λ2e−λeλ+λ=λ2+λV(X)=E(X2)−[E(X)]2=λ2+λ−λ=λ

几何分布 ​

若 X∼G(p) 则

P(X=k)=(1−p)k−1p(k=1,2,⋯)E(X)=1pV(X)=1−pp2
证
E(X)=∑k=1∞k⋅(1−p)k−1p=p∑k=1∞k(1−p)k−1====q=1−pp⋅1(1−q)2=p⋅1p2=1pE(X2)=∑k=1∞k2⋅(1−p)k−1p=p∑k=1∞k2qk−1====q=1−pp⋅1+q(1−q)3=p⋅2−pp3=2−pp2V(X)=E(X2)−[E(X)]2=2−pp2−(1p)2=1−pp2

超几何分布 ​

若 X∼H(N,00M,00n) 则

P(X=k)=(Mk)(N−Mn−k)(Nn)(k=max{0,n−(N−M)},⋯,min{n,M})E(X)=nMNV(X)=n(N−n)(N−M)MN2(N−1)
证

没有必要。

均匀分布 ​

若 X∼U(a,00b) 则

fX(x)={1b−aa<x<b0otherE(X)=a+b2V(X)=112(b−a)2
证
E(X)=∫−∞+∞xfX(x)dx=1b−a∫abxdx=b2−a22(b−a)=a+b2E(X2)=∫−∞+∞x2fX(x)dx=1b−a∫abx2dx=b3−a33(b−a)=a2+ab+b23V(X)=E(X2)−[E(X)]2=a2+ab+b23−(a+b2)2=(b−a)212

指数分布 ​

若 X∼E(λ) 则

fX(x)={λe−λxx>00x≤0E(X)=1λV(X)=1λ2
证
E(X)=∫−∞+∞xfX(x)dx=∫0+∞x⋅λe−λxdx=∫0+∞x⋅d(−e−λx)=[−xe−λx]0+∞−∫0+∞e−λxdx=[−1λe−λx]0+∞=1λE(X2)=∫0∞x2λe−λxdx=[−x2e−λx]0∞+2∫0∞xe−λxdx=0+2⋅1λ2=2λ2V(X)=E(X2)−[E(X)]2=2λ2−(1λ)2=1λ2

正态分布 ​

若 X∼N(μ,00σ2) 则

fX(x)=1σ2πe−12(x−μσ)2E(X)=μV(X)=σ2
证
E(X)=∫−∞+∞x1σ2πe−12(x−μσ)2dx=====t=x−μσ∫−∞+∞(σt+μ)1σ2πe−12t2σdt=∫−∞+∞(σt+μ)12πe−12t2dt=μ∫−∞+∞12πe−12t2dt+σ∫−∞+∞t12πe−12t2dt=μ⋅1+σ⋅0=μE[(X−E(X))2]=∫−∞+∞(x−μ)21σ2πe−12(x−μσ)2dx=====t=x−μσ∫−∞+∞σ2t21σ2πe−12t2σdt=σ2∫−∞+∞t212πe−12t2dt=σ2⋅1=σ2V(X)=E[(X−E(X))2]=σ2
INFO

若 X∼N(0,001) 服从标准正态分布则

E(Xn)={0n=2k+1(n−1)!!n=2k(k∈N)E(X2)=1E(X4)=3V(X2)=E(X4)−[E(X2)]2=2