形式陈述
对取值于实数系公理库实数系Real number system · Ordered complete field满足序域公理与上确界完备性的数系。的随机变量 ,其分布函数定义为
具有三类刻画性质:
以及
反过来,任何满足非降、右连续和这两个端点极限的函数 ,都唯一确定实直线上的一个概率分布公理库概率分布Probability distribution · Law可测空间上总质量为一的测度;随机变量的律是由样本概率推出的一类分布。 ,使
由半开区间生成 Borel -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
从左向右扫描实线,把阈值 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
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 ,则事件 递减到 ,故概率也递减到 。端点极限同理:,而 。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
设 以概率 取 ,其余概率均匀铺在 。它的 CDF 为
处的跳跃记录原子质量, 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
而
若 是原子,两式恰好相差 。把所有区间概率都机械写成 ,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公理库概率密度函数Probability density function · PDF概率分布相对于指定参考测度的 Radon–Nikodym 导数。。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 ,因此得到右连续函数;使用 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
即使 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 ,则 具有 CDF ,这给出逆变换采样的统一形式。跳跃会把一段 值映到同一个原子,恰好产生所需点质量。
尾概率可由 读取,但要注意它表示 ;若要 ,还需保留 处跳跃。依分布收敛则要求 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.