隨機變數與其分布

從累積分布函數還原 pmf 或 pdf(recovering the pmf or pdf from the cdf)

cdf 累積機率;pmf 與 pdf 描述機率如何散布。既然這是同一件事的兩種觀點,你可以雙向往返。往前走,你用堆積質量或面積來建構 cdf。往回走,你再把 cdf 拆開,讀出局部的描述。這趟來回是處理分布最有用的技能之一,因為題目常常給你一種形式,而你想要的是另一種。

對離散變數,cdf 是一道階梯,每個跳躍對應一個帶有機率的值。所以 pmf 就是跳躍的大小:p(x) = F(x) - F(x-),其中 F(x-) 是緊鄰左方的值(從下方逼近 x 的極限)。用白話說,恰好坐落在 x 的機率,就是 cdf 在那裡往上躍升的幅度。在跳躍之間 cdf 是平的,代表那裡沒有機率。所以你藉由量測每一階的高度來讀懂階梯。

對連續變數,cdf 是平滑的,它攀升的速率正是密度。所以 pdf 是 cdf 的導數:f(x) = F'(x),在導數存在之處。這很合理,因為 F(x) = 從 -infinity 到 x 對 f(t) dt 積分,而由微積分基本定理,對累積的面積求導會還原被積函數。誠實的提醒:在 cdf 的轉折或跳躍處導數可能不存在,而混合分布需要同時用上兩種動作,對它的塊用跳躍、對它的平滑部分用導數。

若 F(x) = 1 - e^(-x)(x >= 0,之前為 0),求導即還原密度 f(x) = e^(-x),也就是指數 pdf。若 F 在 x = 5 處從 0.3 跳到 0.7,則 p(5) = 0.7 - 0.3 = 0.4 恰好坐落在值 5 上。

對平滑的 cdf 求導得到 pdf;量測階梯 cdf 的跳躍得到 pmf。

連續的 cdf 沒有跳躍,所以處處 P(X = x) = 0;純階梯的 cdf 在跳躍之間沒有斜率,所以沒有密度。混合分布正是那些 cdf 同時跳躍又攀升的分布。