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矩母函数（MGF）

news 来源：原创 2025/5/15 16:39:10

矩母函数（MGF）简介

矩母函数（Moment Generating Function，MGF）是概率统计中描述随机变量分布特征的重要工具。MGF的主要用途是通过导数来计算随机变量的矩（比如均值、方差等），同时它也能帮助确定随机变量的分布。

定义

对于随机变量 X X X，其矩母函数 M X ( t ) M_X(t) MX​(t) 定义为：

M X ( t ) = E [ e t X ] = ∫ − ∞ ∞ e t x f X ( x ) d x M_X(t) = \mathbb{E}[e^{tX}] = \int_{-\infty}^{\infty} e^{tx} f_X(x) dx MX​(t)=E[etX]=∫−∞∞​etxfX​(x)dx

  • t t t 是实数；
  • f X ( x ) f_X(x) fX​(x) 是随机变量 X X X 的概率密度函数（对于离散分布，积分换成求和）。

矩母函数在 t = 0 t=0 t=0 的值总是 1，即 M X ( 0 ) = 1 M_X(0) = 1 MX​(0)=1。

性质

  1. 矩的生成：随机变量的 n n n 阶原点矩可由 M X ( t ) M_X(t) MX​(t) 的 n n n 阶导数得到：
    E [ X n ] = M X ( n ) ( 0 ) \mathbb{E}[X^n] = M_X^{(n)}(0) E[Xn]=MX(n)​(0)
    即在 t = 0 t=0 t=0 处对 t t t 求 n n n 阶导数。

  2. 分布唯一性：如果两个随机变量 X X X 和 Y Y Y 的矩母函数在某个区间内一致，则它们具有相同的分布。

  3. 独立性：如果 X X X 和 Y Y Y 独立，则 Z = X + Y Z = X + Y Z=X+Y 的矩母函数是 X X X 和 Y Y Y 的矩母函数的乘积：
    M Z ( t ) = M X ( t ) ⋅ M Y ( t ) M_Z(t) = M_X(t) \cdot M_Y(t) MZ​(t)=MX​(t)⋅MY​(t)

例子：指数分布的矩母函数

1. 指数分布定义

假设随机变量 X X X 遵循参数为 λ > 0 \lambda > 0 λ>0 的指数分布，其概率密度函数为：
f X ( x ) = λ e − λ x , x ≥ 0 f_X(x) = \lambda e^{-\lambda x}, \quad x \geq 0 fX​(x)=λe−λx,x≥0

2. 矩母函数计算

根据矩母函数的定义：
M X ( t ) = E [ e t X ] = ∫ 0 ∞ e t x ⋅ λ e − λ x d x M_X(t) = \mathbb{E}[e^{tX}] = \int_{0}^{\infty} e^{tx} \cdot \lambda e^{-\lambda x} dx MX​(t)=E[etX]=∫0∞​etx⋅λe−λxdx

合并指数项 e t x ⋅ e − λ x = e − ( λ − t ) x e^{tx} \cdot e^{-\lambda x} = e^{-(\lambda - t)x} etx⋅e−λx=e−(λ−t)x，得：
M X ( t ) = λ ∫ 0 ∞ e − ( λ − t ) x d x M_X(t) = \lambda \int_{0}^{\infty} e^{-(\lambda - t)x} dx MX​(t)=λ∫0∞​e−(λ−t)xdx

积分结果为：
∫ 0 ∞ e − a x d x = 1 a , a > 0 \int_{0}^{\infty} e^{-ax} dx = \frac{1}{a}, \quad a > 0 ∫0∞​e−axdx=a1​,a>0

因此，当 t < λ t < \lambda t<λ 时：
M X ( t ) = λ λ − t M_X(t) = \frac{\lambda}{\lambda - t} MX​(t)=λ−tλ​

而当 t ≥ λ t \geq \lambda t≥λ 时，积分发散，MGF 不存在。

3. 利用 MGF 计算均值和方差

  • 均值：随机变量的均值是矩母函数的导数在 t = 0 t = 0 t=0 处的值：
    E [ X ] = M X ′ ( 0 ) \mathbb{E}[X] = M_X'(0) E[X]=MX′​(0)
    对 M X ( t ) = λ λ − t M_X(t) = \frac{\lambda}{\lambda - t} MX​(t)=λ−tλ​ 求导：
    M X ′ ( t ) = λ ( λ − t ) 2 M_X'(t) = \frac{\lambda}{(\lambda - t)^2} MX′​(t)=(λ−t)2λ​
    当 t = 0 t = 0 t=0 时：
    M X ′ ( 0 ) = λ λ 2 = 1 λ M_X'(0) = \frac{\lambda}{\lambda^2} = \frac{1}{\lambda} MX′​(0)=λ2λ​=λ1​
    所以，均值 E [ X ] = 1 λ \mathbb{E}[X] = \frac{1}{\lambda} E[X]=λ1​。

  • 方差：随机变量的方差可以由 E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 \mathbb{E}[X^2] - (\mathbb{E}[X])^2 E[X2]−(E[X])2 得到，而 E [ X 2 ] = M X ′ ′ ( 0 ) \mathbb{E}[X^2] = M_X''(0) E[X2]=MX′′​(0)。对 M X ′ ( t ) M_X'(t) MX′​(t) 再求导：
    M X ′ ′ ( t ) = 2 λ ( λ − t ) 3 M_X''(t) = \frac{2\lambda}{(\lambda - t)^3} MX′′​(t)=(λ−t)32λ​
    当 t = 0 t = 0 t=0 时：
    M X ′ ′ ( 0 ) = 2 λ λ 3 = 2 λ 2 M_X''(0) = \frac{2\lambda}{\lambda^3} = \frac{2}{\lambda^2} MX′′​(0)=λ32λ​=λ22​
    所以：
    方差 Var ( X ) = E [ X 2 ] − ( E [ X ] ) 2 = 2 λ 2 − ( 1 λ ) 2 = 1 λ 2 \text{方差 } \text{Var}(X) = \mathbb{E}[X^2] - (\mathbb{E}[X])^2 = \frac{2}{\lambda^2} - \left(\frac{1}{\lambda}\right)^2 = \frac{1}{\lambda^2} 方差 Var(X)=E[X2]−(E[X])2=λ22​−(λ1​)2=λ21​

总结

矩母函数是分析随机变量特性的重要工具，其计算遵循积分定义。通过矩母函数，能有效推导随机变量的均值、方差及高阶矩等信息。在实际应用中，掌握如何从分布定义出发计算 MGF 是关键步骤。

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