Случайные векторы

Дата публикации

18 октября 2026

ПредупреждениеЧерновик

Этот конспект ещё находится в процессе редактуры: в тексте могут встречаться опечатки, неточности и локально не проработанные места. Если что-то нашли — сообщите, пожалуйста, автору (контакты на странице курса).

Реальные данные почти никогда не одномерны: рост и вес, цена акции и цена нефти, время отклика и нагрузка сервера. Пара случайных величин — это не «две случайные величины», а один объект — случайный вектор: его распределение содержит информацию не только о каждой координате, но и о зависимости между ними. Потеря этой информации стоит дорого: финансовый кризис 2008 года в заметной части — история о том, как риск-модели знали маргинальные распределения дефолтов по отдельности, но неверно моделировали их совместное распределение. В этой теме мы научимся работать с совместными распределениями: находить маргиналы, проверять независимость и — главная вычислительная техника — преобразовывать плотности при гладких заменах (якобиан).

1 Совместное распределение

Определение 1 Случайный вектор — это измеримое отображение \(\xi = (\xi_1, \ldots , \xi_n)\colon \Omega \to \mathbb {R}^{n}\) (эквивалентно: каждая координата \(\xi_i\) — случайная величина). Его распределение — мера \(\mathbb {P}_\xi (B) = \mathbb {P}\left(\xi \in B\right)\), \(B \in \mathscr {B}\left(\mathbb {R}^{n}\right)\); совместная функция распределения — \[ F_\xi (x_1, \ldots , x_n) = \mathbb {P}\left(\xi _1 \leq x_1, \ldots , \xi _n \leq x_n\right). \]

Как и в одномерном случае, совместная ФР — полный паспорт распределения (лучи-«углы» образуют \(\pi\)-систему, порождающую \(\mathscr {B}\left(\mathbb {R}^{n}\right)\)). Но свойства «неубывающая + пределы» теперь не характеризуют ФР: нужно больше.

Утверждение 1 (вероятность прямоугольника) Для \(n = 2\) и любых \(a_1 < b_1\), \(a_2 < b_2\) \[ \mathbb {P}\left(\xi _1 \in (a_1, b_1], \; \xi _2 \in (a_2, b_2]\right) = F(b_1, b_2) - F(a_1, b_2) - F(b_1, a_2) + F(a_1, a_2) \geq 0. \] Неотрицательность этой комбинации (вместе с непрерывностью справа и «правильными» пределами; для \(n > 2\) — аналогичная знакопеременная сумма по вершинам параллелепипеда) — и есть характеризация совместных ФР.

Определение 2 Вектор \(\xi\) имеет (совместную) плотность \(p_\xi\), если \[ \mathbb {P}\left(\xi \in B\right) = \int _B p_\xi (x_1, \ldots , x_n) \, dx_1 \cdots dx_n \qquad \text{для всех } B \in \mathscr {B}\left(\mathbb {R}^{n}\right). \] Маргинальная (частная) плотность координаты получается интегрированием по остальным: \[ p_{\xi _1}(x_1) = \int _{\mathbb {R}^{n-1}} p_\xi (x_1, x_2, \ldots , x_n) \, dx_2 \cdots dx_n. \]

Направление «совместная \(\to\) маргинальные» — механическое интегрирование. Обратное направление не работает: маргиналы не определяют совместное распределение.

ExampleПример 1 - Маргиналы не определяют совместное распределение

Пусть \(X \sim \operatorname {U}[0,1]\). Рассмотрим два вектора: \((X, X)\) и \((X, Y)\), где \(Y \sim \operatorname {U}[0,1]\) не зависит от \(X\). Покажите, что у них одинаковые маргинальные распределения, но разные совместные.

SolutionРешение

Маргиналы обоих векторов — \(\operatorname {U}[0,1]\) по каждой координате. Но совместные распределения различны радикально: вектор \((X,X)\) живёт на диагонали квадрата \([0,1]^2\) — множестве нулевой площади, у него даже нет совместной плотности! — а \((X,Y)\) равномерно размазан по всему квадрату. Например, \[ \mathbb {P}\left(X = X\right) = 1, \qquad \mathbb {P}\left(X = Y\right) = 0. \] Вся разница — в структуре зависимости. Именно поэтому в риск-менеджменте нельзя «склеить» модель портфеля из маргинальных моделей активов: нужна совместная модель (в актуарной практике этот зазор закрывают копулами — функциями, кодирующими зависимость отдельно от маргиналов).

2 Независимость и критерии

Из темы 1: величины независимы, если независимы порождённые ими \(\sigma\)-алгебры, и по критерию через \(\pi\)-системы достаточно факторизации совместной ФР. Для векторов с плотностью всё ещё удобнее:

Утверждение 2 (критерии независимости) Пусть \(\xi = (\xi_1, \ldots , \xi_n)\). Следующие условия эквивалентны:

  1. \(\xi_1, \ldots , \xi_n\) независимы;

  2. \(F_\xi (x_1, \ldots , x_n) = F_{\xi_1}(x_1) \cdots F_{\xi_n}(x_n)\) для всех \(x_i\);

  3. (если есть совместная плотность) \(p_\xi (x_1, \ldots , x_n) = p_{\xi_1}(x_1) \cdots p_{\xi_n}(x_n)\) почти всюду. Практическое усиление пункта 3: если \(p_\xi (x_1, \ldots , x_n) = g_1(x_1) \cdots g_n(x_n)\) для каких-нибудь неотрицательных функций \(g_i\), то координаты независимы (нормировочные константы разберутся сами).

Mn-remarkЗамечание

Типичная ошибка — проверять факторизацию формулы, забыв про носитель. Если носитель совместной плотности — не декартово произведение (круг, треугольник, область \(\left\{ 0 \leq y \leq \sqrt{x}\right\}\)), то координаты зависимы, какой бы «произведённой» ни выглядела формула: индикатор носителя не факторизуется.

3 Замена переменных

Главный вычислительный инструмент темы — перенос плотности под гладкую замену координат. Одномерный случай (тема 1) обобщается так:

Теорема 1 (о замене переменных) Пусть случайный вектор \(\xi\) имеет плотность \(p_\xi\), сосредоточенную на открытом множестве \(D \subseteq \mathbb {R}^{n}\), и \(\Psi \colon D \to G \subseteq \mathbb {R}^{n}\) — диффеоморфизм (биекция, гладкая вместе с обратной). Тогда вектор \(\eta = \Psi (\xi )\) имеет плотность \[ p_\eta (y) = p_\xi \left(\Psi ^{-1}(y)\right) \cdot \left|\det J_{\Psi ^{-1}}(y)\right|, \qquad y \in G, \] где \(J_{\Psi^{-1}}\) — матрица Якоби обратного отображения.

Смысл якобиана — локальный коэффициент искажения объёма: маленький параллелепипед объёма \(dv\) около точки \(y\) — это образ параллелепипеда объёма \(\left|\det J_{\Psi^{-1}}(y)\right| \, dv\) около точки \(\Psi^{-1}(y)\), а вероятность попадания в него должна сохраниться. Доказательство — ровно это соображение, применённое через формулу замены переменных в кратном интеграле Лебега (ОВиТМ).

УведомлениеЗдесь будет интерактивная иллюстрация

Интерактивная иллюстрация ещё не создана. См. исходник: /home/nedosh/Documents/online_math_notes/math-notes_FPMI_2/courses/nedosh_courses/courses/04-probability/02_PT/contents/specials/020/01_jacobian_grid_fig.tex.

Рабочий протокол применения теоремы Теорема 1 (выучите его как алгоритм):

  1. выписать \(\Psi\) и найти образ \(G\) носителя (не забыть индикаторы!);

  2. найти обратное отображение \(\Psi^{-1}\);

  3. посчитать \(\det J_{\Psi^{-1}}\) (часто проще посчитать \(\det J_{\Psi }\) и обратить: \(\det J_{\Psi^{-1}}(y) = 1\big/\det J_\Psi \left(\Psi^{-1}(y)\right)\));

  4. собрать формулу и проверить нормировку хотя бы прикидкой.

Если нужна плотность одной функции от вектора (скажем, \(\xi_1 + \xi_2\)), дополните её до замены полной размерности (\(\eta_1 = \xi_1 + \xi_2\), \(\eta_2 = \xi_2\)), а потом проинтегрируйте лишнюю координату — этот трюк мы доведём до автоматизма в теме 3 на свёртках.

ProblemЗадача 1

Случайный вектор \((X, Y)\) имеет равномерное распределение в круге \(D=\left\{ (x, y)\colon x^{2}+y^{2} \leq 1\right\}\).

  1. Найдите плотности случайных величин \(X\) и \(Y\). Независимы ли они?

  2. Пусть \((R, \Theta )\) — полярные координаты точки \((X, Y)\). Найдите плотность вектора \((R, \Theta )\) и плотности \(R\) и \(\Theta\). Независимы ли \(R\) и \(\Theta\)?

ProblemЗадача 2

Является ли \(F(x, y)=\left(1-\frac{1}{x+y}\right) \; \mathbb {1}_{x+y \geq 1}\) функцией распределения какого-нибудь случайного вектора?

ProblemЗадача 3

Случайный вектор \((X, Y)\) имеет плотность \[ p_{X, Y}(x, y)= \begin{cases} c x y, & 0 \leq x \leq 1, \; 0 \leq y \leq \sqrt{x}, \\ 0, & \text{иначе}. \end{cases} \] Найдите \(c\) и маргинальные плотности. Независимы ли \(X\) и \(Y\)? Какова вероятность \(\mathbb {P}\left(2X + Y \leq 1\right)\)?

ProblemЗадача 4

Даны независимые \(\xi_{1}, \xi_{2} \sim \operatorname {U}[0,1]\) и \(\xi_{3} \sim \operatorname {Exp}(\lambda )\). Найдите \(\mathbb {P}\left(\xi_{1}+\xi_{3} \geq 3\right)\).

ProblemЗадача 5

Пусть \(\xi_{1}, \xi_{2} \sim \operatorname {Exp}(1)\) независимы. Докажите, что случайные величины \(\dfrac {\xi_{1}}{\xi_{1}+\xi_{2}}\) и \(\xi_{1}+\xi_{2}\) независимы, и найдите их распределения.

ProblemЗадача 6

\(X, Y, Z \sim \operatorname {Exp}(1)\) независимы. Какова вероятность, что существует треугольник со сторонами \(X, Y, Z\)?

ProblemЗадача 7

Даны независимые \(\xi_{1} \sim \operatorname {Exp}(\lambda_1)\) и \(\xi_{2} \sim \operatorname {Pois}(\lambda_2)\). Найдите \(\mathbb {P}\left(\xi_{1} \geq 2 \xi_{2}\right)\).

ProblemЗадача 8*

3.1 Порядковые статистики

Пусть \(\xi_{1}, \ldots , \xi_{n}\) — независимые одинаково распределённые величины с ФР \(F\) и плотностью \(p\). Обозначим \(\xi_{(1)} \leq \ldots \leq \xi_{(n)}\) их порядковые статистики (те же значения, упорядоченные по возрастанию). Найдите:

  1. плотность вектора \(\left(\xi_{(1)}, \ldots , \xi_{(n)}\right)\);

  2. плотность \(\xi_{(k)}\);

  3. плотность вектора \(\left(\xi_{(1)}, \xi_{(n)}\right)\).

УведомлениеЗдесь будет интерактивная иллюстрация

Интерактивная иллюстрация ещё не создана. См. исходник: /home/nedosh/Documents/online_math_notes/math-notes_FPMI_2/courses/nedosh_courses/courses/04-probability/02_PT/contents/specials/020/02_support_region_fig.tex.