概率论常用积分 | Integrals in Probability Theory
指数分布 | Exponential Distribution
指数分布的概率密度函数 | Probability Density Function of Exponential Distribution
fX(x)=λe−λxforx≥0
指数分布的期望值 | Expectation of Exponential Distribution
E(X)=∫0∞xλe−λxdx
积分过程:
E(X)令 u使用分部积分法 (∫udv=uv−∫vdu)uv∫ue−uduE(X)=∫0∞xλe−λxdx=λx, du=λdx=∫0∞λuλe−uλdu=∫0∞ue−udu=u, dv=e−udu=−e−u, du=du=−ue−u0∞+∫e−udu=−ue−u0∞−e−u0∞=0+1=1=1/λ
指数分布的方差 | Variance of Exponential Distribution
Var(X)=∫0∞x2λe−λxdx−(λ1)2=λ21
积分过程:
Var(X)令 u使用Gamma函数 Γ(n)=∫0∞xn−1e−xdx对于 Γ(3)Var(X)=∫0∞x2λe−λxdx−(λ1)2=λx, du=λdx=∫0∞(λu)2λe−uλdu=∫0∞λ2u2λe−uλdu=∫0∞u2e−udu=∫0∞u2e−udu=2!=2=λ22−(λ1)2=λ22−λ21=λ21
正态分布 | Normal Distribution
正态分布的概率密度函数 | Probability Density Function of Normal Distribution
fX(x)=2πσ1e−2σ2(x−μ)2
标准正态分布的积分 | Integral of Standard Normal Distribution
∫−∞∞e−2x2dx=2π
高斯积分 (Gaussian Integral) 积分过程:
II2转换为极坐标 x=rcosθ, y=rsinθ, dxdy=rdrdθI2令 uI2I=∫−∞∞e−2x2dx=(∫−∞∞e−2x2dx)(∫−∞∞e−2y2dy)=∫−∞∞∫−∞∞e−2x2+y2dxdy=∫02π∫0∞e−2r2rdrdθ=∫02πdθ∫0∞re−2r2dr=2r2, du=rdr=∫02πdθ∫0∞e−udu=2π[−e−u]0∞=2π[0−(−1)]=2π=2π
正态分布的期望值 | Expectation of Normal Distribution
E(X)=∫−∞∞x2πσ1e−2σ2(x−μ)2dx=μ
积分过程:
E(X)令 u=∫−∞∞x2πσ1e−2σ2(x−μ)2dx=σx−μ, x=σu+μ, dx=σdu=∫−∞∞(σu+μ)2πσ1e−2u2σdu=μ∫−∞∞2π1e−2u2du+σ∫−∞∞u2π1e−2u2du=μ[∫−∞∞2π1e−2u2du]+0(奇函数在对称区间内积分为零)=μ⋅1=μ
正态分布的方差 | Variance of Normal Distribution
Var(X)=∫−∞∞(x−μ)22πσ1e−2σ2(x−μ)2dx=σ2
积分过程:
Var(X)令 u使用分部积分法 (∫u2e−2u2du=2π)Var(X)=∫−∞∞(x−μ)22πσ1e−2σ2(x−μ)2dx=σx−μ, x=σu+μ, dx=σdu=∫−∞∞(σu)22πσ1e−2u2σdu=σ2∫−∞∞u22π1e−2u2du=σ2⋅1=σ2
fX(x)={b−a10a≤x≤botherwise
E(X)=∫abxb−a1dx=2a+b
积分过程:
E(X)=∫abxb−a1dx=b−a1∫abxdx=b−a1[2x2]ab=b−a1(2b2−2a2)=2(b−a)b2−a2=2(b−a)(b−a)(b+a)=2a+b
Var(X)=∫abx2b−a1dx−(2a+b)2=12(b−a)2
积分过程:
Var(X)=∫abx2b−a1dx−(2a+b)2=b−a1∫abx2dx−(2a+b)2=b−a1[3x3]ab−4(a+b)2=b−a1(3b3−3a3)−4(a2+2ab+b2)=3(b−a)b3−a3−4a2+2ab+b2=3(b−a)(b−a)(b2+ba+a2)−4a2+2ab+b2=3b2+ba+a2−4a2+2ab+b2=124(b2+ba+a2)−3(a2+2ab+b2)=124b2+4ba+4a2−3a2−6ab−3b2=12b2−2ab+a2=12(b−a)2
伽马分布 | Gamma Distribution
伽马分布的概率密度函数 | Probability Density Function of Gamma Distribution
fX(x)=Γ(α)βαxα−1e−βxforx≥0
伽马分布的期望值 | Expectation of Gamma Distribution
E(X)=∫0∞xΓ(α)βαxα−1e−βxdx=βα
积分过程:
E(X)令 u由于 Γ(α+1)E(X)=∫0∞xΓ(α)βαxα−1e−βxdx=Γ(α)βα∫0∞xαe−βxdx=βx, du=βdx=Γ(α)βα∫0∞(βu)αe−uβdu=Γ(α)βα∫0∞βαβuαe−udu=Γ(α)βα⋅βα+11∫0∞uαe−udu=βΓ(α)1Γ(α+1)=βΓ(α)Γ(α+1)=αΓ(α)=βΓ(α)αΓ(α)=βα
伽马分布的方差 | Variance of Gamma Distribution
Var(X)=∫0∞x2Γ(α)βαxα−1e−βxdx−(βα)2=β2α
积分过程:
Var(X)令 u由于 Γ(α+2)Var(X)=∫0∞x2Γ(α)βαxα−1e−βxdx−(βα)2=Γ(α)βα∫0∞xα+1e−βxdx=βx, du=βdx=Γ(α)βα∫0∞(βu)α+1e−uβdu=Γ(α)βα∫0∞βα+1βuα+1e−udu=Γ(α)βα⋅βα+21∫0∞uα+1e−udu=β2Γ(α)1Γ(α+2)=β2Γ(α)Γ(α+2)=(α+1)αΓ(α)=β2Γ(α)(α+1)αΓ(α)−(βα)2=β2(α+1)α−β2α2=β2α2+α−α2=β2α
贝塔分布 | Beta Distribution
贝塔分布的概率密度函数 | Probability Density Function of Beta Distribution
fX(x)=B(α,β)xα−1(1−x)β−1for0≤x≤1
其中,B(α,β) 是 Beta 函数
where B(α,β) is the Beta function
贝塔分布的期望值 | Expectation of Beta Distribution
E(X)=∫01xB(α,β)xα−1(1−x)β−1dx=α+βα
积分过程:
E(X)由于 B(α,β)E(X)使用Beta函数性质 B(α,β)B(α+1,β)E(X)=∫01xB(α,β)xα−1(1−x)β−1dx=B(α,β)1∫01xα(1−x)β−1dx=∫01xα−1(1−x)β−1dx=B(α,β)B(α+1,β)=Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)=Γ(α+1+β)Γ(α+1)Γ(β)=(α+β)Γ(α+β)αΓ(α)Γ(β)=(α+β)Γ(α+β)αΓ(α)Γ(β)⋅Γ(α)Γ(β)Γ(α+β)=α+βα
贝塔分布的方差 | Variance of Beta Distribution
Var(X)=∫01x2B(α,β)xα−1(1−x)β−1dx−(α+βα)2=(α+β)2(α+β+1)αβ
积分过程:
Var(X)=∫01x2B(α,β)xα−1(1−x)β−1dx−(α+βα)2=B(α,β)1∫01xα+1(1−x)β−1dx=B(α,β)B(α+2,β)−(α+βα)2=Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)Γ(α+2+β)Γ(α+2)Γ(β)−(α+βα)2=Γ(α+2+β)Γ(α)Γ(β)Γ(α+2)Γ(β)Γ(α+β)−(α+βα)2=(α+β+1)(α+β)Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)(α+1)αΓ(α)Γ(β)Γ(α+β)−(α+βα)2=(α+β+1)(α+β)(α+1)α−(α+βα)2=(α+β)2(α+β+1)α(α+1)−(α+β)2α2=(α+β)2(α+β+1)α(α+1)−α2=(α+β)2(α+β+1)α(α+1−α)=(α+β)2(α+β+1)αβ