利用矩母函数求独立随机变量之和的分布

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在求独立的随机变量之和的分布时,可用矩母函数法。

1 矩母函数法

定理 已知X1,,XnX_1,\ldots,X_n为独立的随机变量,各种的矩母函数为M1,,MnM_1,\ldots,M_na1,,ana_1,\ldots,a_n为常数,则Y=i=1naiXiY=\sum_{i=1}^{n}a_i X_i的矩母函数为

MY(t)=E[exp(ti=1naiXi)]=i=1nMi(ait)M_Y(t)=\text{E}[\exp(t\sum_{i=1}^{n}a_iX_i)]=\prod_{i=1}^{n}M_i(a_i t)

2 案例

2.1 Bernoulli分布

X1,,XnX_1,\ldots,X_n为来自Bernoulli(p)\text{Bernoulli}(p)分布的随机样本,则XiX_i的矩母函数为

M(t)=1p+petM(t)=1-p+p e^t

那么Y=i=1nXiY=\sum_{i=1}^{n}X_i的矩母函数为

MY(t)=(1p+et)nM_Y(t)=(1-p+e^t)^n

这正是Binomial(n,p)\text{Binomial}(n,p)分布的矩母函数。

2.2 正态分布

XiN(μi,σi2)X_i\sim N(\mu_i,\sigma^2_i)i=1,,ni=1,\ldots,n,且相互独立,正态分布的矩母函数为

MX(t)=exp(tμ+12t2σ2)M_X(t) = \exp(t\mu+\dfrac{1}{2}t^2 \sigma^2)

那么Y=i=1naiXiY=\sum_{i=1}^{n}a_i X_i的矩母函数为

MY(t)=i=1nexp(aiμit+12ai2σi2t2)=exp(ti=1naiμi+t22i=1nai2σi2)\begin{aligned} M_Y(t)=&\prod_{i=1}^{n}\exp\left(a_i\mu_i t+\dfrac{1}{2}a_i^2 \sigma_i^2 t^2\right)\\ =&\exp\left(t\sum_{i=1}^{n}a_i\mu_i+\dfrac{t^2}{2}\sum_{i=1}^{n}a_i^2 \sigma_i^2 \right) \end{aligned}

因此YN(i=1naiμi,i=1nai2σi2)Y\sim N(\sum\limits_{i=1}^{n}a_i\mu_i,\sum\limits_{i=1}^{n}a_i^2 \sigma_i^2)