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定义Definition

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。

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(X≤x),x∈R.

FX 具有三类刻画性质:

x≤y⟹FX(x)≤FX(y),limh↓0FX(x+h)=FX(x),

以及

limx→−∞FX(x)=0,limx→∞FX(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 xn↓x,则事件 {X≤xn} 递减到 {X≤x},故概率也递减到 F(x)。端点极限同理:{X≤n}↑Ω,而 {X≤−n}↓∅。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 X 以概率 1/2 取 0,其余概率均匀铺在 [0,1]。它的 CDF 为

F(x)={0,x<0,12+x2,0≤x<1,1,x≥1.

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<X≤b)=F(b)−F(a),

而

P(a≤X≤b)=F(b)−F(a−).

若 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(X≤x),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

F−1(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 U∼U(0,1),则 F−1(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 1−F(x) 读取,但要注意它表示 P(X>x);若要 P(X≥x),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。

这一连续点限定可以直接看到:对 μn=12δ1/n+12Unif[1,2],有

Fn(x)=121{x≥1/n}+12H(x),H(x)={0,x<1,x−1,1≤x≤2,1,x>2.

极限 CDF 把第一项换为 121{x≥0}。故 Fn(0)=0 与 F(0)=1/2 始终不同,但在每个 x≠0 都收敛。Portmanteau 定理把原因定位为边界单点 {0} 的正质量;依分布收敛不要求在这个跳点也取极限等式。

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17 个相邻概念 · 3 类关系

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