随机变量函数中包含Φ(X)的数学期望研究
Study on the Mathematical Expectation of Functions of Random Variables Involving Φ(X)
DOI: 10.12677/sa.2026.153053, PDF, HTML, XML,    科研立项经费支持
作者: 陈宣戈, 顾蓓青, 徐晓岭:上海对外经贸大学统计与数据科学学院,上海;雷 平:上海对外经贸大学国际经贸学院,上海
关键词: 正态分布分布函数数学期望Normal Distribution Distribution Function Mathematical Expectation
摘要: 论文研究随机变量函数中包含 Φ( X ) 的数学期望,给出了几个定理的证明,而证明方法上具有较好的借鉴作用。
Abstract: This paper studies the mathematical expectation of functions of random variables that involve Φ(X), provides proofs of several theorems, and the proof methods offer good reference value for related research.
文章引用:陈宣戈, 顾蓓青, 雷平, 徐晓岭. 随机变量函数中包含Φ(X)的数学期望研究[J]. 统计学与应用, 2026, 15(3): 35-42. https://doi.org/10.12677/sa.2026.153053

1. 引言

正态分布在概率论与数理统计中起着举足轻重的作用,也是最为重要的教学内容之一,具体可查阅文献[1]-[5]。设随机变量 X~N( 0,1 ) ,其密度函数与分布函数分别记为 φ( x )= 1 2π e x 2 /2 Φ( x )= x φ( t )dt 。若随机变量 X~N( μ, σ 2 ) ,其密度函数与分布函数分别记为 1 σ φ( xμ σ ),Φ( xμ σ ) 。本文研究随机变量函数中包含 Φ( X ) 的数学期望,给出了几个定理的证明,证明方法上具有较好的借鉴作用。

2. 随机变量函数中包含 Φ( X ) 的数学期望

引理1 t 的函数 g 1 ( t )= + xφ( x )Φ( tx )dx g 2 ( t )= + x 2 φ( x )Φ( tx )dx g 3 ( t )= + x| x |φ( x )Φ( tx )dx 以及 g 4 ( t )= 0 + φ( x )Φ( tx )dx ,则

g 1 ( t )= 1 2π t 1+ t 2 , g 2 ( t )= 1 2 , g 3 ( t )= 1 π ( t 1+ t 2 +arctant ), g 4 ( t )= 1 4 + arctant 2π

证明:(1) 易见 g 1 ( 0 )= 1 2 + xφ( x )dx =0

g ' 1 ( t )= + x 2 φ( x )φ( tx )dx = 1 2π + x 2 exp( 1+ t 2 2 x 2 )dx = 1 π 0 + x 2 exp( 1+ t 2 2 x 2 )dx = 2 π 1 ( 1+ t 2 ) 1+ t 2 0 + y 1 2 e y dy = 2 π 1 ( 1+ t 2 ) 1+ t 2 Γ( 3 2 )= 1 2π 1 ( 1+ t 2 ) 1+ t 2

g 1 ( t )= 0 t g 1 ( x )dx = 1 2π 0 t 1 ( 1+ x 2 ) 1+ x 2 dx = 1 2π t 1+ t 2

(2) 易见 g 2 ( t )= + x 2 φ( x )Φ( tx )dx = 0 + x 2 φ( x )Φ( tx )dx + 0 x 2 φ( x )Φ( tx )dx

= 0 + x 2 φ( x )Φ( tx )dx + 0 + x 2 φ( x )Φ( tx )dx = 0 + x 2 φ( x )dx = 1 2 + x 2 φ( x )dx = 1 2

(3) 易见 g 3 ( 0 )= 1 2 + x| x |φ( x )dx =0

g 3 ( t )= + x 2 | x |φ( x )φ( tx )dx =2 0 + x 3 φ( x )φ( tx )dx = 1 π 0 + x 3 exp{ ( 1+ t 2 ) x 2 2 }dx = 2 π 1 ( 1+ t 2 ) 2 0 + t e t dt = 2 π 1 ( 1+ t 2 ) 2

g 3 ( t )= 0 t g 3 ( z )dz = 0 t 2 π 1 ( 1+ z 2 ) 2 dz= 2 π [ 1 2 ( z 1+ z 2 +arctanz ) ]| 0 t = 1 π ( t 1+ t 2 +arctant )

(4) 易见 g 4 ( 0 )= 1 2 0 + φ( x )dx = 1 4

g 4 ( t )= 0 + xφ( x )φ( tx )dx = 1 2π 0 + xexp( 1+ t 2 2 x 2 )dx = 1 2π 1 1+ t 2

g 4 ( t )= g 4 ( 0 )+ 1 2π 0 t 1 1+ x 2 dx = 1 4 + arctant 2π

定理1设随机变量 X~N( 0,1 ) ,则(1) E[ Φ( X ) ]= 1 2 ;(2) E[ XΦ( X ) ]= 1 2 π ; (3) E[ X 2 Φ( X ) ]= 1 2 ;(4) E[ | X |Φ( X ) ]= 1 2π ;(5) E[ X| X |Φ( X ) ]= 1 4 + 1 2π

证明:(1) 由于 Φ( X )~U( 0,1 ) ,则 E[ Φ( X ) ]= 1 2 ,并由引理1可知:

(2) E[ XΦ( X ) ]= + xφ( x )Φ( x )dx = g 1 ( 1 )= 1 2 π

(3) E[ X 2 Φ( X ) ]= + x 2 φ( x )Φ( x )dx = g 2 ( 1 )= 1 2

(4) E[ | X |Φ( X ) ]= + | x |φ( x )Φ( x )dx = 0 + xφ( x )Φ( x )dx 0 xφ( x )Φ( x )dx = 0 + xφ( x )Φ( x )dx + 0 + xφ( x )Φ( x )dx = 0 + xφ( x )dx = 1 2π

(5) E[ X| X |Φ( X ) ]= + x| x |φ( x )Φ( x )dx = g 3 ( 1 )= 1 π ( 1 2 + π 4 )= 1 4 + 1 2π

引理2 t 的函数 I( t )= + x n φ( x )Φ( tx )dx ,则

(1) 若 n 为偶数, I( t )= 1 π 2 n/2 1 Γ( n+1 2 )

(2) 若 n 为奇数,

I( t )= 1 π 2 n/2 Γ( n 2 +1 ) 0 t 1 ( 1+ x 2 ) n/2 +1 dx = 1 π 2 n/2 Γ( n 2 +1 ) t 1+ t 2 i=0 ( n+1 )/2 1 ( 1 ) i C ( n+1 )/2 1 i 2i+1 ( t 2 1+ t 2 ) i

证明:(1)若 n 为偶数,

I( t )= 0 + x n φ( x )Φ( tx )dx + 0 x n φ( x )Φ( tx )dx = 0 + x n φ( x )Φ( tx )dx + 0 + x n φ( x )Φ( tx )dx = 0 + x n φ( x )dx = 1 2π 0 + x n e x 2 /2 dx = 1 π 2 n/2 1 Γ( n+1 2 )

(2) 若 n 为奇数,

I( t )= 0 + x n φ( x )Φ( tx )dx + 0 x n φ( x )Φ( tx )dx = 0 + x n φ( x )Φ( tx )dx 0 + x n φ( x )Φ( tx )dx =2 0 + x n φ( x )Φ( tx )dx 0 + x n φ( x )dx

易见 I( 0 )=0

I ( t )=2 0 + x n+1 φ( x )φ( tx )dx = 1 π 0 + x n+1 exp[ ( 1+ t 2 ) x 2 2 ]dx = 1 π 2 n/2 ( 1+ t 2 ) n/2 +1 0 + x n/2 e x dx = 1 π 2 n/2 ( 1+ t 2 ) n/2 +1 Γ( n 2 +1 )

I( t )= 0 t I ( x )dx = 1 π 2 n/2 Γ( n 2 +1 ) 0 t 1 ( 1+ x 2 ) n/2 +1 dx

由于 n 是奇数,记 n=2k1,k=1,2, ,考虑不定积分:

I k = 1 ( 1+ x 2 ) n/2 +1 dx = 1 ( 1+ x 2 ) k+1/2 dx = sec 2 θ sec 2k+1 θ dθ = 1 sec 2k1 θ dθ = cos 2k1 θdθ = ( 1 sin 2 θ ) k1 dsinθ = ( 1 u 2 ) k1 du = i=0 k1 ( 1 ) i C k1 i u 2i du = i=0 k1 ( 1 ) i C k1 i 2i+1 u 2i+1 +C = x 1+ x 2 i=0 k1 ( 1 ) i C k1 i 2i+1 ( x 2 1+ x 2 ) i +C

由此 0 t 1 ( 1+ x 2 ) n/2 +1 dx = t 1+ t 2 i=0 ( n+1 )/2 1 ( 1 ) i C ( n+1 )/2 1 i 2i+1 ( t 2 1+ t 2 ) i

进而 I( t )= 1 π 2 n/2 Γ( n 2 +1 ) t 1+ t 2 i=0 ( n+1 )/2 1 ( 1 ) i C ( n+1 )/2 1 i 2i+1 ( t 2 1+ t 2 ) i

注: t 的函数 I( t )= + | x | n φ( x )Φ( tx )dx ,类似于引理的证明有:

I( t )= 1 π 2 n/2 1 Γ( n+1 2 )

由引理2易见如下定理2:

定理2(1) 若 n 为偶数, E[ X n Φ( X ) ]= 1 π 2 n/2 1 Γ( n+1 2 ) ;(2) 若 n 为奇数,

E[ X n Φ( X ) ]= 1 π 2 n/2 Γ( n 2 +1 ) 1 2 i=0 ( n+1 )/2 1 ( 1 ) i C ( n+1 )/2 1 i 2i+1 ( 1 2 ) i

(3) E[ | X | n Φ( X ) ]= 1 π 2 n/2 1 Γ( n+1 2 )

特别地,当 n=1 时,

I( t )= 1 π 2 1/2 Γ( 1 2 +1 ) 0 t 1 ( 1+ x 2 ) 1/2 +1 dx = 1 2π 0 t 1 ( 1+ x 2 ) 1/2 +1 dx = 1 2π t 1+ t 2

E[ XΦ( X ) ]= 1 2 π E[ | X |Φ( X ) ]= 1 2π

n=2 时,

E[ X 2 Φ( X ) ]= 1 π Γ( 2+1 2 )= 1 2

n=3 时,

I( t )= 1 π 2 3/2 Γ( 3 2 +1 ) 0 t 1 ( 1+ x 2 ) 3/2 +1 dx = 3 2π 0 t 1 ( 1+ x 2 ) 3/2 +1 dx = 1 2π t 1+ t 2 3+2 t 2 1+ t 2

E[ X 3 Φ( X ) ]= 5 4 π E[ | X | 3 Φ( X ) ]= 2 π

n=4 时,

E[ X 4 Φ( X ) ]= 1 π 2Γ( 4+1 2 )= 3 2

n=5 时,

I( t )= 1 π 2 5/2 Γ( 5 2 +1 ) 0 t 1 ( 1+ x 2 ) 5/2 +1 dx = 15 2π 0 t 1 ( 1+ x 2 ) 5/2 +1 dx = 1 2π t 1+ t 2 15+20 t 2 +8 t 4 ( 1+ t 2 ) 2

E[ X 5 Φ( X ) ]= 43 8 π E[ | X | 5 Φ( X ) ]=4 2 π

定理3设随机变量 X~N( μ, σ 2 ) ,则 E[ Φ( X ) ]=Φ( μ σ 2 +1 )

证明: E[ Φ( X ) ]= + Φ( x ) 1 2π σ exp[ ( xμ ) 2 2 σ 2 ]dx

= + 1 2π σ exp[ ( xμ ) 2 2 σ 2 ]dx x 1 2π exp( y 2 2 )dy

考虑如下问题:若 Z 1 ~N( μ, σ 2 ), Z 2 ~N( 0,1 ) ,且 Z 1 , Z 2 相互独立,求 P( Z 2 Z 1 <0 )

由于 Z 2 Z 1 ~N( μ, σ 2 +1 ) Z 2 Z 1 +μ σ 2 +1 ~N( 0,1 ) ,则

P( Z 2 Z 1 <0 )=P( Z 2 Z 1 +μ σ 2 +1 < μ σ 2 +1 )=Φ( μ σ 2 +1 )

( Z 1 , Z 2 ) 视作二维正态分布,然后求 P( Z 2 Z 1 <0 )

易见 P( Z 2 Z 1 <0 )= + f Z 2 ( x )dx x f Z 1 ( y )dy

E[ Φ( X ) ]=Φ( μ σ 2 +1 )

另证: E[ Φ( X ) ]= + 1 σ φ( xμ σ )Φ( x )dx = + φ( x )Φ( σx+μ )dx = + φ( x )dx σx+μ φ( y )dy

考虑如下问题:若 Z 1 ~N( 0,1 ), Z 2 ~N( 0,1 ) ,且 Z 1 , Z 2 相互独立

( Z 1 , Z 2 ) 视作二维正态分布,则 P( Z 2 σ Z 1 μ )= + φ( x )dx σx+μ φ( y )dy

又易见 Z 2 σ Z 1 ~N( 0,1+ σ 2 ), Z 2 σ Z 1 1+ σ 2 ~N( 0,1 )

P( Z 2 σ Z 1 μ )=P( Z 2 σ Z 1 1+ σ 2 μ 1+ σ 2 )=Φ( μ 1+ σ 2 )

E[ Φ( X ) ]=Φ( μ σ 2 +1 )

定理4设随机变量 X~N( 0,1 ) σ>0 E[ Φ( Xμ σ ) ]=1Φ( μ σ 2 +1 )

注2:若将定理3改为:若随机变量 X~N( 0,1 ) σ>0 ,则

E[ Φ( Xμ σ ) ]= + φ( x )Φ( xμ σ )dx = + φ( x )dx xμ σ φ( y )dy = + φ( y )dy σy+μ + φ( x )dx

考虑如下问题:若 Z 1 ~N( 0,1 ), Z 2 ~N( 0,1 ) ,且 Z 1 , Z 2 相互独立

( Z 1 , Z 2 ) 视作二维正态分布,则 P( Z 1 σ Z 2 μ )= + φ( y )dy σy+μ + φ( x )dx

又易见 Z 1 σ Z 2 ~N( 0,1+ σ 2 ), Z 1 σ Z 2 1+ σ 2 ~N( 0,1 )

P( Z 2 σ Z 1 μ )=P( Z 1 σ Z 2 1+ σ 2 μ 1+ σ 2 )=1Φ( μ 1+ σ 2 )

E[ Φ( Xμ σ ) ]=1Φ( μ σ 2 +1 )

定理5设随机变量 X~ χ 2 ( 1 ) ,则 E[ Φ( X ) ]= 3 4

证明:易见 E[ Φ( X ) ]= 0 + 1 2πx e x/2 Φ( x )dx =2 0 + φ( x )Φ( x )dx =2 0 + φ( x )dx x φ( y )dy

考虑如下问题:若 Z 1 ~N( 0,1 ), Z 2 ~N( 0,1 ) ,且 Z 1 , Z 2 相互独立,则

0 + φ( x )dx x φ( y )dy = 1 8 + 1 4 = 3 8

E[ Φ( X ) ]= 3 4

另证:由引理1知: g 4 ( t )= 0 + φ( x )Φ( tx )dx = 1 4 + arctant 2π

E[ Φ( X ) ]=2 g 4 ( 1 )=2( 1 4 + 1 8 )= 3 4

注:定理3~5中引入随机变量 Z 1 , Z 2 也是求解这类题目的常用方法。

引理3 X~N( 0,1 ) k 为正整数,(1) 若 k 为奇数,则 E( X k )=0 ;(2) 若 k=2l 为偶数, l 为正整数,则 E( X k )= 2 k/2 π Γ( k+1 2 )= 2 l π Γ( l+ 1 2 )=( 2l1 )( 2l3 )31

证明:易见,若 k 为奇数, E( X k )=0

n 为偶数,即 n=2l ,则 E( X k )= + x k 1 2π e x 2 /2 dx = 2 2π 0 + x k e x 2 /2 dx

= 2 k/2 π 0 + x ( k1 )/2 e t dt = 2 k/2 π Γ( k+1 2 )= 2 l π Γ( l+ 1 2 )

= 2 l π ( l+ 1 2 1 )( l+ 1 2 2 ) 3 2 1 2 Γ( 1 2 )=( 2l1 )( 2l3 )31

若记函数 M( k )={ 1, k 0, k ,于是 E( X k )=M( k ) 2 k/2 π Γ( k+1 2 )

特别地,若 X~N( 0,1 ) ,则 E( X )=E( X 3 )=E( X 5 )=E( X 7 )=0 E( X 2 )=1 D( X )=1

E( X 4 )=3 D( X 2 )=2 E( X 6 )=15 E( X 8 )=105

定理6设随机变量 X~N( 0,1 ) n 是正整数,则

E[ X n Φ( aX+b ) ]=M( n ) 2 n/2 π Γ( n+1 2 )Φ( b ) 0 1 exp{ b 2 2( a 2 x 2 +1 ) } 1 ( a 2 x 2 +1 ) n/2 +1 ( abx a 2 x 2 +1 ) n+1i dx

证明:记函数 I( t )= + x n φ( x )Φ( atx+b )dx

由引理3易见: I( 0 )= + x n φ( x )Φ( b )dx =M( n ) 2 n/2 π Γ( n+1 2 )Φ( b )

I( t )=I( 0 )+ a 2 π i=0 n+1 ( 1 ) n+1i M( i ) 2 i/2 C n+1 i Γ( i+1 2 ) 0 t exp{ b 2 2( a 2 x 2 +1 ) } 1 ( a 2 x 2 +1 ) n/2 +1 ( abx a 2 x 2 +1 ) n+1i dx

进而

E[ X n Φ( aX+b ) ]=M( n ) 2 n/2 π Γ( n+1 2 )Φ( b ) 0 1 exp{ b 2 2( a 2 x 2 +1 ) } 1 ( a 2 x 2 +1 ) n/2 +1 ( abx a 2 x 2 +1 ) n+1i dx

定理7设随机变量 X~N( 0,1 ) n 是正整数,则 E[ Φ n ( X ) ]= 1 n+1

证明: E[ Φ k ( X ) ]= + Φ k ( x )φ( x )dx = Φ k+1 ( x )| + k + Φ k ( x )φ( x )dx =1kE[ Φ k ( X ) ]

E[ Φ k ( X ) ]= 1 k+1

致 谢

作者非常感谢各位审稿专家提出的宝贵建议!

基金项目

(1) 上海对外经贸大学“应用统计学”国家一流专业建设项目资助;(2) 上海对外经贸大学“高水平地方高校建设项目–创新人才培养–特定领域急需人才精准培养教学资源建设–AI赋能教学‘1 + 1 + N’计划–商务统计”(A1A-7003-25-058-02)资助。

参考文献

[1] 徐晓岭, 王蓉华, 顾蓓青. 概率论与数理统计(第二版) [M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2021: 50-53.
[2] 方开泰, 许建伦. 统计分布[M]. 北京: 高等教育出版社, 2016: 102-112.
[3] 徐晓岭, 王蓉华. 概率论与数理统计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2014: 48-73.
[4] 王蓉华, 徐晓岭, 顾蓓青. 概率论与数理统计案例分析[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2023: 45-47, 48-52.
[5] 王蓉华, 徐晓岭, 顾蓓青, 雷平. 概率论与数理统计案例分析与提高[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2025: 99-102.