正态分布的均值(μ)与方差(σ²)的关系可以通过以下公式推导得出:
首先,我们知道正态分布的概率密度函数(PDF)为:
\[ f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} \]
接下来,我们计算正态分布的期望值(即均值μ):
\[ E(X) = \mu \]
期望值的计算公式是:
\[ E(X) = \int_{-\infty}^{+\infty} x f(x) dx \]
将正态分布的PDF代入期望值公式中,我们得到:
\[ \mu = \int_{-\infty}^{+\infty} x \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} dx \]
为了简化积分,我们进行变量替换,设 \( t = \frac{x-\mu}{\sigma} \),则 \( dt = \frac{dx}{\sigma} \),并且积分限变为从 \(-\infty\) 到 \(+\infty\):
\[ \mu = \int_{-\infty}^{+\infty} (\mu + \sigma t) \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} e^{-\frac{t^2}{2}} \sigma dt \]
展开并简化:
\[ \mu = \frac{\mu}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-\frac{t^2}{2}} dt + \frac{\sigma}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \int_{-\infty}^{+\infty} t e^{-\frac{t^2}{2}} dt \]
第一个积分是高斯积分,其值为1:
\[ \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-\frac{t^2}{2}} dt = 1 \]
第二个积分是奇函数的积分,其值为0:
\[ \int_{-\infty}^{+\infty} t e^{-\frac{t^2}{2}} dt = 0 \]
因此,我们得到:
\[ \mu = \frac{\mu}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \]
由于 \(\mu \neq 0\),我们可以得出:
\[ \sqrt{2\pi\sigma^2} = 1 \]
所以:
\[ \sigma^2 = \frac{1}{2\pi} \]
这就是正态分布均值与方差的关系。至于方差,我们有:
\[ \text{Var}(X) = E(X^2) - [E(X)]^2 \]
将 \( E(X) = \mu \) 和 \( E(X^2) \) 的计算代入,可以得到正态分布的方差公式:
\[ \text{Var}(X) = \frac{1}{2\pi\sigma^2} \]
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