Плотность вероятности

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Пло́тность вероя́тности — один из способов задания вероятностной меры на евклидовом пространстве $\mathbb{R}^n$ . В случае когда вероятностная мера является распределением случайной величины, говорят о плотности случайной величины.

Содержание

1 Плотность вероятности
2 Свойства плотности вероятности
3 Плотность случайной величины
- 3.1 Замечания
- 3.2 Плотность преобразования случайной величины
4 Примеры абсолютно непрерывных распределений
5 См. также

[править] Плотность вероятности

Пусть $\mathbb{P}$ является вероятностной мерой на $\mathbb{R}^n$ , то есть определено вероятностное пространство $\left(\mathbb{R}^n,\mathcal{B}(\mathbb{R}^n),\mathbb{P}\right)$ , где $\mathcal{B}(\mathbb{R}^n)$ обозначает борелевскую σ-алгебру на $\mathbb{R}^n$ . Пусть $m$ обозначает меру Лебега на $\mathbb{R}^n$ .

Определение 1. Вероятность $\mathbb{P}$ называется абсолютно непрерывной (относительно меры Лебега) ( $\mathbb{P} \ll m$ ), если любое борелевское множество нулевой меры Лебега также имеет вероятность ноль:

$\forall B \in \mathcal{B}(\mathbb{R}^n),\; ( m(B) = 0 ) \Rightarrow ( \mathbb{P}(B) = 0 ) .$

Если вероятность $\mathbb{P}$ абсолютно непрерывна, то согласно теореме Радона-Никодима существует неотрицательная борелевская функция $f:\mathbb{R} \to [0,\infty)$ такая, что

$\mathbb{P}(B) = \int\limits_{B} f(x)\, dx$ ,

где использовано общепринятое сокращение $m(dx) \equiv dx$ , и интеграл понимается в смысле Лебега.

Определение 2. Функция $f$ , определённая выше, называется производной Радона-Никодима вероятности $\mathbb{P}$ относительно меры $m$ или плотностью вероятности $\mathbb{P}$ (относительно меры $m$ ):

$f = \frac{d\mathbb{P}}{dx}$ .

[править] Свойства плотности вероятности

Плотность вероятности определена почти всюду. Если $f$ является плотностью вероятности $\mathbb{P}$ и $f (x) = g (x)$ почти всюду относительно меры Лебега, то и функция $g$ также является плотностью вероятности $\mathbb{P}$ .

Интеграл от плотности по всему пространству равен единице:

$\mathbb{P}\left(\mathbb{R}^n\right) = \int\limits_{\mathbb{R}^n} f(x)\, dx = 1$ .

Обратно, если $f (x)$ — неотрицательная п.в. функция, такая что $\int_{\mathbb{R}^n}f(x)\, dx = 1$ , то существует абсолютно непрерывная вероятностная мера $\mathbb{P}$ на $\mathbb{R}^n$ такая, что $f (x)$ является её плотностью.

Замена меры в интеграле Лебега:

$\int\limits_{\mathbb{R}^n} \varphi(x)\, \mathbb{P}(dx) = \int\limits_{\mathbb{R}^n}\varphi(x)\, f(x)\, dx$ ,

где $\varphi:\mathbb{R}^n \to \mathbb{R}$ любая борелевская функция, интегрируемая относительно вероятностной меры $\mathbb{P}$ .

[править] Плотность случайной величины

Пусть определено произвольное вероятностное пространство $(\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P})$ , и $X:\Omega \to \mathbb{R}^n$ случайная величина (или случайный вектор). $X$ индуцирует вероятностную меру $\mathbb{P}^X$ на $\left(\mathbb{R}^n,\mathcal{B}(\mathbb{R}^n)\right)$ , называемую распределением случайной величины $X$ .

Определение 3. Если распределение $\mathbb{P}^X$ абсолютно непрерывно относительно меры Лебега, то его плотность $f_X = \frac{d\mathbb{P}^X}{dx}$ называется плотностью случайной величины $X$ . Сама случайная величина $X$ называется абсолютно непрерывной.

Таким образом для абсолютно непрерывной случайной величины имеем:

$\mathbb{P}(X \in B) = \int\limits_{B} f_X(x)\, dx$ .

[править] Замечания

Не всякая случайная величина абсолютно непрерывна. Любое дискретное распределение, например, не является абсолютно непрерывным относительно меры Лебега, а потому дискретные случайные величины не имеют плотности.

Функция распределения абсолютно непрерывной случайной величины $X$ непрерывна и может быть выражена через плотность следующим образом:

$F_X(x_1,\ldots, x_n) = \mathbb{P}\left(X \in \prod\limits_{i=1}^n (-\infty,x_i]\right) = \int\limits_{-\infty}^{x_n} \!\! \ldots \!\! \int\limits_{-\infty}^{x_1} f_X(x'_1,\ldots, x'_n)\, dx'_1\ldots dx'_n$ .

В одномерном случае:

$F_X(x) = \int\limits_{-\infty}^x f_X(x')\, dx'$ .

Если $f_X \in C(\mathbb{R}^n)$ , то $F_X \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n)$ , и

$\frac{\partial^n}{\partial x_1 \ldots \partial x_n} F_X(x_1,\ldots, x_n) = f_X(x_1,\ldots, x_n)$ .

В одномерном случае:

$\frac{d}{dx} F_X(x) = f_X(x)$ .

Математическое ожидание функции от абсолютно непрерывной случайной величины может быть записано в виде:

$\mathbb{E}[g(X)] = \int\limits_{\mathbb{R}^n} g(x) \, \mathbb{P}^X(dx) = \int\limits_{\mathbb{R}^n} g(x)\, f_X(x)\, dx$ ,

где $g: \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}$ — борелевская функция, так что $\mathbb{E}[g(X)]$ определено и конечно.

[править] Плотность преобразования случайной величины

Пусть $X:\Omega \to \mathbb{R}^n$ — случайная величина, и $g:\mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^n$ — инъективная непрерывно дифференцируемая функция такая, что $J_g(x) \not=0,\; \forall x\in \mathbb{R}^n$ , где $J g (x)$ — якобиан функции $g$ в точке $x$ . Тогда случайная величина $Y = g (X)$ также абсолютно непрерывна, и её плотность имеет вид: