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分布函数

Cumulative distribution function · CDF

实值分布在每个阈值左侧累积的概率,是非降右连续且端点极限为零和一的函数。

条目类型
定义

形式陈述

对取值于实数系的随机变量 X,其分布函数定义为

FX(x)=P(Xx),xR.

FX 具有三类刻画性质:

xyFX(x)FX(y),limh0FX(x+h)=FX(x),

以及

limxFX(x)=0,limxFX(x)=1.

反过来,任何满足非降、右连续和这两个端点极限的函数 F,都唯一确定实直线上的一个概率分布 μ,使

μ((a,b])=F(b)F(a).

由半开区间生成 Borel σ-代数,这个区间赋值通过 Lebesgue–Stieltjes 构造唯一扩张为概率测度。因此 CDF 在一维中完整编码分布,信息量远超过一个粗略摘要。

直觉

F(x) 从左向右扫描实线,把阈值 x 左侧的全部概率质量累积起来。质量只能增加,所以函数非降;扫过一个原子时会跳跃,跳跃大小正是

F(x)F(x)=P(X=x).

平坦区间表示变量不会落入该区间,而斜率只在分布确有密度的部分才代表局部概率强度。

右连续性来自事件的连续性。若 xnx,则事件 {Xxn} 递减到 {Xx},故概率也递减到 F(x)。端点极限同理:{Xn}Ω,而 {Xn}。这些形状约束直接投影了概率测度的可数可加性,并未额外要求函数光滑。

例子与边界

X 以概率 1/20,其余概率均匀铺在 [0,1]。它的 CDF 为

F(x)={0,x<0,12+x2,0x<1,1,x1.

x=0 处的跳跃记录原子质量,(0,1) 上的线性增长记录连续部分。同一个分布同时拥有离散与连续成分,CDF 不需要先把它们拆开便能完整表示。

端点是否包含会影响区间概率。一般有

P(a<Xb)=F(b)F(a),

P(aXb)=F(b)F(a).

a 是原子,两式恰好相差 P(X=a)。把所有区间概率都机械写成 F(b)F(a),会悄悄丢掉左端点质量。

CDF 连续只表示没有原子,不保证存在概率密度函数。Cantor 分布的 CDF 连续、非降且在许多区间上平坦,却对应一个集中在 Lebesgue 零测集上的奇异分布。反之,有密度的分布必有绝对连续 CDF,而且其导数只需几乎处处等于密度。

标准约定使用 P(Xx),因此得到右连续函数;使用 P(X<x) 会得到左连续版本。两者都携带分布信息,但混用约定会在原子位置产生错误。

推论与应用

广义分位数定义为

F1(u)=inf{x:F(x)u},0<u<1.

即使 F 有跳跃或平坦区间,这个定义仍然有效;它不要求普通反函数存在。若 UU(0,1),则 F1(U) 具有 CDF F,这给出逆变换采样的统一形式。跳跃会把一段 u 值映到同一个原子,恰好产生所需点质量。

尾概率可由 1F(x) 读取,但要注意它表示 P(X>x);若要 P(Xx),还需保留 x 处跳跃。依分布收敛则要求 Fn(x)F(x) 只在极限 CDF 的连续点上成立,因为跳跃点无法同时从左右稳定约束。

一维中 CDF 兼容离散、连续、混合和奇异分布,是最稳健的通用表示。高维联合 CDF 仍能确定联合分布,但单变量的区间差公式会变成矩形上的多重容斥,分位数也不再有唯一自然的全序定义。

参考资料
  • Patrick Billingsley, Probability and Measure, 3rd ed., Wiley, 1995, Chapter 2.
  • Rick Durrett, Probability: Theory and Examples, 5th ed., Cambridge University Press, 2019, §1.2.
  • Sheldon Ross, A First Course in Probability, 10th ed., Pearson, 2019, Chapter 4.
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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