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概率论与数理统计

高数预备知识

∫−∞+∞e−x2dx=π

 

伽马函数

Γ(α)=∫0+∞xα−1e−xdx=(α−1)Γ(α−1)
Γ(12)=π

贝塔函数(p>0,q>0)

B(p,q)=Γ(p)Γ(q)Γ(p+q)=∫01xp−1(1−x)q−1dx

分布函数

0-1分布

X∼b(1,p)
P{X=k}=pk(1−p)1−k,k=0,1
E(X)=p
D(X)=p(1−p)

二项分布

X∼b(n,p)
P{X=k}=Cnkpk(1−p)n−k,k=0,1,...,n
E(X)=np
D(X)=np(1−p)

泊松分布

X∼π(λ)
P{X=k}=λke−λk!,k=0,1,2,...
E(X)=λ
D(X)=λ

均匀分布

X∼U(a,b)
f(x)={1b−a,b<x<a0,else
E(X)=a+b2
D(X)=(b−a)212

指数分布

f(x)={1θe−xθ,x>00,else
E(X)=θ
D(X)=θ2

正态分布

X∼N(μ,σ2)
f(x)=12πσe−(x−μ)22σ2
E(X)=μ
D(X)=σ2

抽样分布

卡方分布

X1,X2,...,Xn是来自正态总体N(0,1)的样本,则

χ2=X12+X22+...+Xn2∼χ2(n)

若 χ12∼χ2(n1), χ22∼χ2(n2),则

χ12+χ22∼χ2(n1+n2)

若 χ2∼χ2(n1), 则

E(χ2)=n
D(χ2)=2n

上分位数

P{χ2>χα2(n)}=α

t分布

X∼N(0,1), Y∼χ2(n),则:

XYn∼t(n)

上分位数

P{t>tα(n)}=α
t1−α(n)=−tα(n)

F分布

U∼χ2(n1), V∼χ2(n2), 则:

Un1Vn2∼F(n1,n2)
1F∼F(n2,n1)

 

上分位数

P{F>Fα(n1,n2)}=α
F1−α(n1,n2)=1Fα(n2,n1)

正态分布的样本均值和样本方差的分布

E(X―)=μ
D(X―)=σ2n
E(S2)=σ2
X―∼N(μ,σ2n)
(n−1)S2σ2∼χ2(n−1)

X―和S2相互独立

X―−μSn∼t(n−1)

两个样本的平均值:

X―=1n1∑i=1n1Xi
Y―=1n2∑i=1n2Yi

两个样本的样本方差

S12=1n1−1∑i=1n1(Xi−X―)2
S22=1n2−1∑i=1n2(Yi−Y―)2

满足以下性质

S12S22σ12σ22∼F(n1−1,n2−1)

当σ12=σ22=σ2时,

(X―−Y―)−(μ1−μ2)SW1n1+1n2∼t(n1+n2−2)

其中

SW2=(n1−1)S12+(n2−1)S22n1+n2−2

 

正态总体均值、方差的置信区间与单侧置信限

(置信水平为1−α)

单个正态总体

估计μ,已知σ2

根据

X―−μσn∼N(0,1)

置信区间

(X―−σnzα2,X―+σnzα2)

置信上界

μ―=X―+σnzα

置信下界

μ―=X―−σnzα

估计μ,未知σ2

根据

X―−μSn∼t(n−1)

置信区间

(X―−Sntα2(n−1),X―+Sntα2(n−1))

置信上界

μ―=X―+Sntα(n−1)

置信下界

μ―=X―−Sntα(n−1)

估计σ2,未知μ

根据

(n−1)S2σ2∼χ2(n−1)

置信区间

((n−1)S2χα22(n−1),(n−1)S2χ1−α22(n−1))

置信上界

σ2―=(n−1)S2χ1−α2(n−1)

置信下界

σ2―=(n−1)S2χα2(n−1)

两个正态总体

估计μ1−μ2,已知σ12和σ22

根据

(X―−Y―)−(μ1−μ2)σ12n1+σ22n2∼N(0,1)

置信区间

(X―−Y―−zα2σ12n1+σ22n2,X―−Y―+zα2σ12n1+σ22n2)

置信上界

μ1−μ2―=X―−Y―+zασ12n1+σ22n2

置信下界

μ1−μ2―=X―−Y―−zασ12n1+σ22n2

估计μ1−μ2,未知σ12=σ22=σ2

根据

(X―−Y―)−(μ1−μ2)SW1n1+1n2∼t(n1+n2−2)

其中:

SW2=(n1−1)S12+(n2−1)S22n1+n2−2

置信区间

(X―−Y―−SW1n1+1n2tα2(n1+n2−2),X―−Y―+SW1n1+1n2tα2(n1+n2−2))

置信上界

μ1−μ2―=X―−Y―+SW1n1+1n2tα(n1+n2−2)

置信下界

μ1−μ2―=X―−Y―−SW1n1+1n2tα(n1+n2−2)

估计σ12σ22,未知μ1和μ2

根据

S12S22σ12σ22∼F(n1−1,n2−1)

置信区间

(S12S22Fα2(n1−1,n2−1),S12S22F1−α2(n1−1,n2−1))

置信上界

(σ12σ22)―=S12S22F1−α(n1−1,n2−1)

置信下界

(σ12σ22)―=S12S22Fα(n1−1,n2−1)

正态总体均值、方差的检验法

(显著性水平为α)

H0为原假设, H1为备择假设

单个正态总体均值的检验

总体X∼N(μ,σ2)

如果方差已知

已知σ2, 检验μ

利用检验统计量

Z=X―−μ0σn∼N(0,1)

若H0:μ≤μ0, H1:μ>μ0, 拒绝域为

z=x―−μ0σn≥zα

若H0:μ≥μ0, H1:μ<μ0, 拒绝域为

z=x―−μ0σn≤−zα

若H0:μ=μ0, H1:μ≠μ0, 拒绝域为

|z|=|x―−μ0σn|≥zα2

如果方差未知

未知σ2, 检验μ

利用检验统计量

t=X―−μ0Sn∼t(n−1)

若H0:μ≤μ0, H1:μ>μ0, 拒绝域为

t=x―−μ0Sn≥tα(n−1)

若H0:μ≥μ0, H1:μ<μ0, 拒绝域为

t=x―−μ0Sn≤−tα(n−1)

若H0:μ=μ0, H1:μ≠μ0, 拒绝域为

|t|=|x―−μ0Sn|≥tα2(n−1)

两个正态总体均值差的检验

如果两个总体方差已知

已知σ12, σ22, 检验μ1−μ2

利用检验统计量

Z=X―−Y―−δσ12n1+σ12n1∼N(0,1)

若H0:μ1−μ2≤δ, H1:μ1−μ2>δ, 拒绝域为

z=x―−y―−δσ12n1+σ12n1≥zα

若H0:μ1−μ2≥δ, H1:μ1−μ2<δ, 拒绝域为

z=x―−y―−δσ12n1+σ12n1≤−zα

若H0:μ1−μ2=δ, H1:μ1−μ2≠δ, 拒绝域为

|z|=|x―−y―−δσ12n1+σ12n1|≥zα2

如果两个总体方差未知

未知σ12, σ22, 检验μ1−μ2

利用检验统计量

t=X―−Y―−δSW1n1+1n2∼t(n1+n2−2)

其中

SW2=(n1−1)S12+(n2−1)S22n1+n2−2

若H0:μ1−μ2≤δ, H1:μ1−μ2>δ, 拒绝域为

t=x―−y―−δSW1n1+1n2≥tα(n1+n2−2)

若H0:μ1−μ2≥δ, H1:μ1−μ2<δ, 拒绝域为

t=x―−y―−δSW1n1+1n2≤−tα(n1+n2−2)

若H0:μ1−μ2=δ, H1:μ1−μ2≠δ, 拒绝域为

|t|=|x―−y―−δSW1n1+1n2|≥tα2(n1+n2−2)

正态总体方差的检验

单个总体的情况

检验σ2

利用检验统计量

χ2=(n−1)S2σ02∼χ2(n−1)

若H0:σ2≤σ02, H1:σ2>σ02, 拒绝域为

χ2=(n−1)S2σ02≥χα2(n−1)

若H0:σ2≥σ02, H1:σ2<σ02, 拒绝域为

χ2=(n−1)S2σ02≤χ1−α2(n−1)

若H0:σ2=σ02, H1:σ2≠σ02, 拒绝域为

χ2=(n−1)S2σ02≥χα22(n−1)

或

χ2=(n−1)S2σ02≤χ1−α22(n−1)

两个总体的情况

检验σ12σ22

利用检验统计量

F=S12S22σ12σ22∼F(n1−1,n2−1)

若H0:σ12≤σ22, H1:σ12>σ22, 拒绝域为

F=S12S22≥Fα(n1−1,n2−1)

若H0:σ12≥σ22, H1:σ12<σ22, 拒绝域为

F=S12S22≤F1−α(n1−1,n2−1)

若H0:σ12=σ22, H1:σ12≠σ22, 拒绝域为

F=S12S22≤F1−α2(n1−1,n2−1)

或

F=S12S22≥Fα2(n1−1,n2−1)

基于成对数据的检验

Di=Xi−Yi , i=1,2,...,n

Di∼N(μD,σD2)

利用检验统计量

t=D―−0SDn∼t(n−1)

若H0:μD≤0, H1:μD>0, 拒绝域为

t=D―−0SDn≥tα(n−1)

若H0:μD≥0, H1:μD<0, 拒绝域为

t=D―−0SDn≤−tα(n−1)

若H0:μD=0, H1:μD≠0, 拒绝域为

|t|=|D―−0SDn|≥tα2(n−1)