离散型随机变量的均值(数学期望)和方差是描述其分布特征的重要统计量。
均值(数学期望)
定义:均值是离散型随机变量所有可能取值与其对应概率乘积的和。对于离散型随机变量 $X$ ,其均值 $E(X)$ 定义为:
$$
E(X) = \sum_{i=1}^{n} x_i p_i
$$
其中,$x_i$ 是 $X$ 的取值,$p_i$ 是 $X$ 取 $x_i$ 的概率,$n$ 是所有可能取值的总数。
性质:
$E(C) = C$,其中 $C$ 是常数。
若 $Y = aX + b$,其中 $a$ 和 $b$ 是常数,则 $E(Y) = aE(X) + b$。
若 $X_1$ 和 $X_2$ 相互独立,则 $E(X_1 \cdot X_2) = E(X_1) \cdot E(X_2)$。
方差
定义:方差是离散型随机变量与其均值之间平均偏离程度的度量。方差 $D(X)$ 定义为:
$$
D(X) = E[(X - E(X))^2]
$$
或者等价地,
$$
D(X) = \sum_{i=1}^{n} (x_i - E(X))^2 p_i
$$
性质:
若 $Y = aX + b$,其中 $a$ 和 $b$ 是常数,则 $D(Y) = a^2 D(X)$。
方差的算术平方根是标准差 $\sigma$,即 $\sigma = \sqrt{D(X)}$。
计算步骤
理解随机变量 $X$ 的意义 ,并写出 $X$ 可能取的全部值。求 $X$ 取每个值时的概率
。
写出 $X$ 的分布列。
由均值的定义求 $E(X)$
$$
E(X) = \sum_{i=1}^{n} x_i p_i
$$
由方差的定义求 $D(X)$
$$
D(X) = \sum_{i=1}^{n} (x_i - E(X))^2 p_i
$$
示例
假设随机变量 $X$ 表示掷一枚骰子出现的点数,其概率分布函数为 $P(X=x) = \frac{1}{6}$,对于 $x = 1, 2, 3, 4, 5, 6$,则:
均值 $E(X) = 1 \cdot \frac{1}{6} + 2 \cdot \frac{1}{6} + 3 \cdot \frac{1}{6} + 4 \cdot \frac{1}{6} + 5 \cdot \frac{1}{6} + 6 \cdot \frac{1}{6} = \frac{21}{6} = 3.5$
方差 $D(X) = \sum_{i=1}^{6} (x_i - 3.5)^2 \cdot \frac{1}{6} = (1-3.5)^2 \cdot \frac{1}{6} + (2-3.5)^2 \cdot \frac{1}{6} + \cdots + (6-3.5)^2 \cdot \frac{1}{6} = 2.9167$
通过上述步骤和示例,可以计算出离散型随机变量的均值和方差,并理解其物理意义和应用。