贝叶斯滤波(一)二维连续型随机变量的条件分布函数与贝叶斯公式


一. 二维离散型随机变量的条件分布

已知(X, Y)是二维离散型随机变量,其联合概率函数为

        

对于给定的,则有在的条件下随机变量X的条件概率函数:

        

通过全概率公式对分母进行展开,可得离散型随机变量的贝叶斯公式:

        

看到这里,有许多人就会说由于X, Y的分布是离散的,所以在分母处用的是求和符号,而如果X, Y的分布是连续的,就可以

把分母处换成积分符号,然后就能得到连续型随机变量的贝叶斯公式:

        

是这样的吗?请往下看,虽然结论是对的,但是需要经过一定量的推导才能得出,直接类比过去是没有根据的。


二. 二维连续型随机变量的条件分布

给定的的情况下,随机变量X的条件分布函数记为:

        

在这里我们跟二维离散型进行一个类比,如果把连续型随机变量X的条件分布也写成离散型的格式:

        

由于Y是一个连续型随机变量,在时,发生的概率为0,所以通过条件概率的定义进行

求解连续型随机变量的条件分布是走不通的,是无法进行条件概率计算的。

但是我们可以通过极限的做法做一点变形来进行求解,假设,这样就把问题从连续型随机变量在一点Y =

的概率转化为连续型随机变量在这个区域内的概率分布函数:

        

                             

根据联合分布函数与联合概率密度函数关系可知,对联合概率密度函数进行二重积分可得联合分布函数,此处设联合概率密度函数为;

根据边缘分布函数与边缘概率密度函数关系可知,对边缘概率密度函数进行一重积分可得边缘分布函数,此处设边缘概率密度函数为.

                                     

(根据积分中值定理可知,存在一个点,可以将含有形式的积分等效为乘积的方式,即等效为这种形式)

                                     

分子分母同时约掉一个

                                     

因为,且是连续随机变量,所以把,代入式子

                                     

推导到此处,可以看到积分处仅剩分子对从到对进行积分,分母里面不含有的变量,因此对积分分母可以看做一个常数,所以可以把积分提取出来,最终得到的概率分布函数为

                                     

仔细观察等式左右边,都是关于的函数,而左边是一个分布函数,右边又是对一个关于的函数从到进行积分,对进行积分得到分布函数,因此我们可以得出就为条件下X的条件概率密度函数

对等式两边同时求导,可得条件下X的条件概率密度函数为

                                     

对上式分母的,可以通过全概率公式展开

                                     

可以看到该式与离散型随机变量的概率分布是非常相似的,但是相似并不代表可以直接类比,可以看到,我们是经过了相对复杂的推导才得出的结论。

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