机器学习的数学基础

Question

机器学习的数学基础

高等数学

导数定义：

导数和微分的概念

$f’(x_0)=lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}$

或者：

$f’(x_0)=lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$

左右导数导数的几何意义和物理意义

函数$f(x)$在$x_0$处的左、右导数分别定义为：

左导数：$f_-‘(x_0)=lim_{\Delta x\to 0^-}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}=lim_{x\to x_0^-}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0},(x=x_0+\Delta x)$

右导数：$f_+’(x_0)=lim_{\Delta x\to 0^+}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}=lim_{x\to x_0^+}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$

函数的可导性与连续性之间的关系

Th1: 函数$f(x)$在$x_0$处可微$\Leftrightarrow f(x)$在$x_0$处可导

Th2: 若函数在点$x_0$处可导，则$y=f(x)$在点$x_0$处连续，反之则不成立。即函数连续不一定可导。

Th3: $f’(x_0)$存在 $f’{-}(x_0)=f’{+}(x_0)$

平面曲线的切线和法线

切线方程 : $y-y_0=f’(x_0)(x-x_0)$
法线方程：$y-y_0=-\frac{1}{f’(x_0)}(x-x_0),f’(x_0)\ne 0$

四则运算法则

设函数$u=u(x)，v=v(x)$]在点$x$可导则
(1) $(u\pm v{)}’={u}’\pm {v}’ \ \ \ \ \ d(u\pm v)=du\pm dv$
(2)$(uv{)}’=u{v}’+v{u}’$ $d(uv)=udv+vdu$
(3) $(\frac{u}{v}{)}’=\frac{v{u}’-u{v}’}{v^2}(v\ne 0) \ \ \ \ \ d(\frac{u}{v})=\frac{vdu-udv}{v^2}$

基本导数与微分表

(1) $y=c$（常数） $y’=0$ $dy=0$

(2) $y=x^\alpha$($\alpha $为实数) ${y}’=\alpha x^{\alpha -1}$ $dy=\alpha x^{\alpha -1}dx$

(3) $y=a^x$ ${y}’=a^x\ln a$ $dy=a^x\ln adx$
特例: $(e^x)’=e^x \ \ \ \ \ \ \ d(e^x)=e^xdx$

(4) $y=\log _ax$ $y’=\frac{1}{x\ln a}$
$dy=\frac{1}{x\ln a}dx$
特例:$y=\ln x \ \ \ \ \ \ (\ln x)’=\frac{1}{x} \ \ \ \ \ \ d(\ln x)=\frac{1}{x}dx$

(5) $y=\sin x$
${y}’=\cos x$ $d(\sin x)=\cos xdx$

(6) $y=\cos x$
${y}’=-\sin x \ \ \ \ \ d(\cos x)=-\sin xdx$

(7) $y=\tan x$
${y}’=\frac{1}{\cos ^2x}={\sec ^2}x \ \ \ \ \ d(\tan x)=\sec ^2xdx$

(8) $y=\cot x \ \ \ \ \ {y}’=-\frac{1}{\sin ^2x}=-\csc ^2x \ \ \ \ \ d(\cot x)=-\csc ^2xdx$

(9) $y=\sec x \ \ \ \ \ y’=\sec x\tan x$
$d(\sec x)=\sec x\tan xdx$

(10) $y=\csc x \ \ \ \ \ y’=-\csc x\cot x$
$d(\csc x)=-\csc x\cot xdx$

(11) $y=\arcsin x$
${y}’=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$
$d(\arcsin x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx$

(12) $y=\arccos x$
${y}’=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$ $d(\arccos x)=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx$

(13) $y=\arctan x$
$y’=\frac{1}{1+x^2}$ $d(\arctan x)=\frac{1}{1+x^2}dx$

(14) $y=\operatorname{arc}\cot x$
${y}’=-\frac{1}{1+x^2}$
$d(\operatorname{arc}\cot x)=-\frac{1}{1+x^2}dx$

(15) $y=shx$
${y}’=chx \ \ \ \ \ d(shx)=chxdx$

(16) $y=chx$
${y}’=shx \ \ \ \ \ d(chx)=shxdx$

复合函数，反函数，隐函数以及参数方程所确定的函数的微分法

(1) 反函数的运算法则: 设$y=f(x)$在点$x$的某邻域内单调连续，在点$x$处可导且$f’(x)\ne 0$，则其反函数在点$x$所对应的$y$处可导，并且有$\frac{dy}{dx}=\frac{1}{\frac{dx}{dy}}$
(2) 复合函数的运算法则:若$\mu =\varphi (x)$在点$x$可导,而$y=f(\mu )$在对应点$\mu(\mu =\varphi (x))$可导,则复合函数$y=f(\varphi (x))$在点$x$可导,且$y’=f’(\mu )\cdot \varphi ‘(x)$
(3) 隐函数导数$\frac{dy}{dx}$的求法一般有三种方法：
1) 方程两边对$x$求导，要记住$y$是$x$的函数，则$y$的函数是$x$的复合函数.例如$\frac{1}{y}$，$y^2$，$ln y$，$e^y$等均是$x$的复合函数.
对$x$求导应按复合函数连锁法则做.
2) 公式法.由$F(x,y)=0$知 $\frac{dy}{dx}=-\frac{F’_x(x,y)}{F’_y(x,y)}$,其中，$F’_x(x,y)$，
$F’_y(x,y)$分别表示$F(x,y)$对$x$和$y$的偏导数
3) 利用微分形式不变性

常用高阶导数公式

（1）$(a^x)^{(n)}=(a^x){\ln }^na\quad (a>{0})\quad \quad (e^x)^{(n)}=e^{x}$
（2）$(\sin kx)^{(n)}=k^n\sin (kx+n\cdot \frac{\pi }{2})$
（3）$(\cos kx)^{(n)}=k^{n}\cos (kx+n\cdot \frac{\pi }{2})$
（4）$(x^m)^{(n)}=m(m-1)\cdots (m-n+1)x^{m-n}$
（5）$(\ln x)^n=(-1)^{(n-1)}\frac{(n-1)!}{x^n}$
（6）莱布尼兹公式：若$u(x),v(x)$均$n$阶可导，则
$(uv)^{(n)}=\sum\limits_{i=0}^nc_n^iu^{(i)}v^{(n-i)}$，其中$u^{(0)}=u$，$v^{(0)}=v$

微分中值定理，泰勒公式

Th1:(费马定理)

若函数$f(x)$满足条件：
(1) 函数$f(x)$在$x_0$的某邻域内有定义，并且在此邻域内恒有
$f(x)\le f(x_0)$或$f(x)\ge f(x_0)$,

(2) $f(x)$在$x_0$处可导,则有 $f’(x_0)=0$

Th2:(罗尔定理)

设函数$f(x)$满足条件：
(1) 在闭区间$[a,b]$上连续；

(2) 在$(a,b)$内可导；

(3)$f(a)=f(b)$；

则在$(a,b)$内一存在个$\xi $，使 $f’(\xi )=0$
Th3: (拉格朗日中值定理)

设函数$f(x)$满足条件：
(1) 在$[a,b]$上连续；

(2) 在$(a,b)$内可导；

则在$(a,b)$内一存在个$\xi $，使 $\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f’(\xi )$

Th4: (柯西中值定理)

设函数$f(x)$，$g(x)$满足条件：
(1) 在$[a,b]$上连续；

(2) 在$(a,b)$内可导且$f’(x)$，$g’(x)$均存在，且$g’(x)\ne 0$

则在$(a,b)$内存在一个$\xi $，使 $\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\frac{f’(\xi )}{g’(\xi )}$

洛必达法则

法则Ⅰ ($\frac{0}{0}$型)
设函数$f(x),g(x)$满足条件：
$lim_{x\to x_0}f(x)=0,lim_{x\to x_0}g(x)=0$;
$f(x),g(x)$在$x_0$的邻域内可导，(在$x_0$处可除外) 且$g’(x)\ne 0$;
$lim_{x\to x_0}\frac{f’(x)}{g’(x)}$存在（或$\infty $)。
则:
$lim_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=lim_{x\to x_0}\frac{f’(x)}{g’(x)}$。
法则$I’$ ($\frac{0}{0}$型) 设函数$f(x),g(x)$满足条件：
$lim_{x\to \infty }f(x)=0,lim_{x\to \infty }g(x)=0$;
存在一个$X>0$,当$|x|>X$时,$f(x),g(x)$可导,且${g}’(x)\ne 0$;$lim_{x\to x_0}\frac{f’(x)}{g’(x)}$存在（或$\infty $)。
则:
$lim_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=lim_{x\to x_0}\frac{f’(x)}{g’(x)}$

法则Ⅱ($\frac{\infty }{\infty }$型)
设函数$f(x),g(x)$满足条件：
$lim_{x\to x_0}f(x)=\infty ,lim_{x\to x_0}g(x)=\infty $;
$f(x),g(x)$在$x_0$ 的邻域内可导（在$x_0$处可除外) 且$g’(x)\ne 0$;$lim_{x\to x_0}\frac{f’(x)}{g’(x)}$存在（或$\infty $)。则
$lim_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=lim_{x\to x_0}\frac{f’(x)}{g’(x)}.$同理法则${II’}$($\frac{\infty }{\infty }$型) 仿法则${I’}$可写出。

泰勒公式

设函数$f(x)$在点$x_0$处的某邻域内具有$n+1$阶导数，则对该邻域内异于$x_0$的任意点$x$，在$x_0$与$x$之间至少存在
一个$\xi $，使得：
$f(x)=f(x_0)+f’(x_0)(x-x_0)+\frac{1}{2!}f’’(x_0)(x-x_0)^2+\cdots +\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n+R_n(x)$ 其中
$R_n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\xi )}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1}$称为$f(x)$在点$x_0$处的$n$阶泰勒余项。
令$x_0=0$，则$n$阶泰勒公式
$f(x)=f(0)+f’(0)x+\frac{1}{2!}f’’(0)x^2+\cdots +\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n+R_n(x) \ \ \ 麦克劳林公式$
其中 $R_n(x)=\frac{f^{(n+1)}(\xi )}{(n+1)!}x^{n+1}$，$\xi $在 0 与$x$之间.

常用五种函数在${x_0}=0$处的泰勒公式

(1) $e^x=1+x+\frac{1}{2!}x^2+\cdots +\frac{1}{n!}x^n+\frac{x^{n+1}}{(n+1)!}e^{\xi }$
或 $=1+x+\frac{1}{2!}x^2+\cdots +\frac{1}{n!}x^n+o(x^n)$

(2) $\sin x=x-\frac{1}{3!}x^3+\cdots +\frac{x^n}{n!}\sin \frac{n\pi }{2}+\frac{x^{n+1}}{(n+1)!}\sin (\xi +\frac{n+1}{2}\pi )$
或 $=x-\frac{1}{3!}x^3+\cdots +\frac{x^n}{n!}\sin \frac{n\pi }{2}+o(x^n)$

(3) $\cos x=1-\frac{1}{2!}x^2+\cdots +\frac{x^n}{n!}\cos \frac{n\pi }{2}+\frac{x^{n+1}}{(n+1)!}\cos (\xi +\frac{n+1}{2}\pi )$
或 $=1-\frac{1}{2!}x^2+\cdots +\frac{x^n}{n!}\cos \frac{n\pi }{2}+o(x^n)$

(4) $\ln (1+x)=x-\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{3}x^3-\cdots +(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n}+\frac{(-1)^nx^{n+1}}{(n+1)(1+\xi )^{n+1}}$
或 $=x-\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{3}x^3-\cdots +(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n}+o(x^n)$

(5) $(1+x)^m=1+mx+\frac{m(m-1)}{2!}x^2+\cdots +\frac{m(m-1)\cdots (m-n+1)}{n!}x^n+\frac{m(m-1)\cdots (m-n+1)}{(n+1)!}x^{n+1}(1+\xi )^{m-n-1}$
或 $(1+x)^m=1+mx+\frac{m(m-1)}{2!}x^2+\cdots $ $+\frac{m(m-1)\cdots (m-n+1)}{n!}x^n+o(x^n)$

函数单调性的判断

Th1: 设函数$f(x)$在$(a,b)$区间内可导，如果对$\forall x\in (a,b)$，都有$f’(x)>0$（或$f’(x)<0$），则函数$f(x)$在$(a,b)$内是单调增加的（或单调减少）

Th2: （取极值的必要条件）设函数$f(x)$在$x_0$处可导，且在$x_0$处取极值，则$f’(x_0)=0$。

Th3: （取极值的第一充分条件）设函数$f(x)$在$x_0$的某一邻域内可微，且$f’(x_0)=0$（或$f(x)$在$x_0$处连续，但$f’(x_0)$不存在。）
(1) 若当$x$经过$x_0$时，$f’(x)$由“+”变“-”，则$f(x_0)$为极大值；
(2) 若当$x$经过$x_0$时，$f’(x)$由“-”变“+”，则$f(x_0)$为极小值；
(3) 若$f’(x)$经过$x=x_0$的两侧不变号，则$f(x_0)$不是极值。

Th4: (取极值的第二充分条件) 设$f(x)$在点$x_0$处有$f’’(x)\ne 0$，且$f’(x_0)=0$，则 当$f’’(x_0)<0$时，$f(x_0)$为极大值；
当$f’’(x_0)>0$时，$f(x_0)$为极小值。
注：如果$f’’(x_0)<0$，此方法失效。

渐近线的求法

(1) 水平渐近线 若$lim_{x\to +\infty }f(x)=b$，或$lim_{x\to -\infty }f(x)=b$，则

$y=b$称为函数$y=f(x)$的水平渐近线。

(2) 铅直渐近线 若$lim_{x\to x_0^-}f(x)=\infty $，或$lim_{x\to x_0^+}f(x)=\infty $，则

$x=x_0$称为$y=f(x)$的铅直渐近线。

(3) 斜渐近线 若$a=lim_{x\to \infty }\frac{f(x)}{x},\quad b=lim_{x\to \infty }[f(x)-ax]$，则
$y=ax+b$称为$y=f(x)$的斜渐近线。

函数凹凸性的判断

Th1: (凹凸性的判别定理）若在 I 上$f’’(x)<0$（或$f’’(x)>0$），则$f(x)$在 I 上是凸的（或凹的）。

Th2: (拐点的判别定理 1) 若在$x_0$处$f’’(x)=0$，（或$f’’(x)$不存在），当$x$变动经过$x_0$时，$f’’(x)$变号，则$(x_0,f(x_0))$为拐点。

Th3: (拐点的判别定理 2) 设$f(x)$在$x_0$点的某邻域内有三阶导数，且$f’’(x)=0$，$f’’’(x)\ne 0$，则$(x_0,f(x_0))$为拐点。

弧微分

$dS=\sqrt{1+y’^2}dx$

曲率

曲线$y=f(x)$在点$(x,y)$处的曲率$k=\frac{|y’’|}{(1+y’^2)^{\tfrac{3}{2}}}$。

对于参数方程

$\begin{cases} x=\varphi (t)\\
y=\psi (t) \end{cases}$ $k=\frac{|\varphi(t)’\psi (t)’’-\varphi (t)’’\psi (t)’|}{[\varphi ‘^2(t)+\psi ‘^2(t)]^{\frac{3}{2}}}$

曲率半径

曲线在点$M$处的曲率$k(k\ne 0)$与曲线在点$M$处的曲率半径$\rho $有如下关系：$\rho =\frac{1}{k}$。

线性代数

行列式

行列式按行（列）展开定理

(1) 设$A=(a_{ij}){n\times n}$，则：$a{i1}A_{j1} +a_{i2}A_{j2} + \cdots + a_{in}A_{jn} = \begin{cases}|A|,i=j\\ 0,i \neq j\end{cases}$

或$a_{1i}A_{1j} + a_{2i}A_{2j} + \cdots + a_{ni}A_{nj} = \begin{cases}|A|,i=j\ 0,i \neq j\end{cases}$即 $AA^*=A^A = |A|E,$其中：$A^= \begin{pmatrix} A_{11} & A_{12} & \ldots & A_{1n} \ A_{21} & A_{22} & \ldots & A_{2n} \ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \ A_{n1} & A_{n2} & \ldots & A_{nn} \ \end{pmatrix} = (A_{ji}) = {(A_{ij})}^{T}$

$D_{n} = \begin{vmatrix} 1 & 1 & \ldots & 1 \ x_{1} & x_{2} & \ldots & x_{n} \ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \ x_{1}^{n - 1} & x_{2}^{n - 1} & \ldots & x_{n}^{n - 1} \ \end{vmatrix} = \prod_{1 \leq j < i \leq n}^{},(x_{i} - x_{j})$

(2) 设$A,B$为$n$阶方阵，则$\left| {AB} \right| = \left| A \right|\left| B \right| = \left| B \right|\left| A \right| = \left| {BA} \right|$，但$\left| A \pm B \right| = \left| A \right| \pm \left| B \right|$不一定成立。

(3) $\left| {kA} \right| = k^{n}\left| A \right|$,$A$为$n$阶方阵。

(4) 设$A$为$n$阶方阵，$|A^{T}| = |A|;|A^{- 1}| = |A|^{- 1}$（若$A$可逆），$|A^{*}| = |A|^{n - 1}$

$n \geq 2$

(5) $\left| \begin{matrix} & {A\quad O} \ & {O\quad B} \ \end{matrix} \right| = \left| \begin{matrix} & {A\quad C} \ & {O\quad B} \ \end{matrix} \right| = \left| \begin{matrix} & {A\quad O} \ & {C\quad B} \ \end{matrix} \right| =| A||B|$
，$A,B$为方阵，但$\left| \begin{matrix} {O} & A_{m \times m} \ B_{n \times n} & { O} \ \end{matrix} \right| = ({- 1)}^|A||B|$ 。

(6) 范德蒙行列式$D_{n} = \begin{vmatrix} 1 & 1 & \ldots & 1 \ x_{1} & x_{2} & \ldots & x_{n} \ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \ x_{1}^{n - 1} & x_{2}^{n 1} & \ldots & x_{n}^{n - 1} \ \end{vmatrix} = \prod_{1 \leq j < i \leq n}^{},(x_{i} - x_{j})$

设$A$是$n$阶方阵，$\lambda_{i}(i = 1,2\cdots,n)$是$A$的$n$个特征值，则
$|A| = \prod_{i = 1}^{n}\lambda_{i}$

矩阵

矩阵：$m \times n$个数$a_ij$排成$m$行$n$列的表格$\begin{bmatrix} a_{11}\quad a_{12}\quad\cdots\quad a_{1n} \ a_{21}\quad a_{22}\quad\cdots\quad a_{2n} \ \quad\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots \ a_{m1}\quad a_{m2}\quad\cdots\quad a_{mn} \ \end{bmatrix}$ 称为矩阵，简记为$A$，或者$\left( a_{ij} \right)_{m \times n}$ 。若$m = n$，则称$A$是$n$阶矩阵或$n$阶方阵。

矩阵的线性运算

1.矩阵的加法

设$A = (a_{ij}),B = (b_{ij})$是两个$m \times n$矩阵，则$m \times n$ 矩阵$C = c_{ij} = a_{ij} + b_{ij}$称为矩阵$A$与$B$的和，记为$A + B = C$ 。

2.矩阵的数乘

设$A = (a_{ij})$是$m \times n$矩阵，$k$是一个常数，则$m \times n$矩阵$(ka_{ij})$称为数$k$与矩阵$A$的数乘，记为${kA}$。

3.矩阵的乘法

设$A = (a_{ij})$是$m \times n$矩阵，$B = (b_{ij})$是$n \times s$矩阵，那么$m \times s$矩阵$C = (c_{ij})$，其中$c_{ij} = a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \cdots + a_{in}b_{nj} = \sum_{k =1}^na_{ik}b_{kj}$称为${AB}$的乘积，记为$C = AB$ 。

4. $\mathbf{A}^{\mathbf T}$、$\mathbf{A}^{\mathbf -1}$、$\mathbf A^{\mathbf \star}$三者之间的关系

(1) $(A^T)^T = A,(AB)^T = B^TA^T,(kA)^T = kA^T,{(A \pm B)}^T = A^T \pm B^T$

(2) $(A^{- 1})^{- 1} = A,(AB)^{- 1} = B^{- 1}A^{- 1},({kA})^{- 1} = \frac{1}{k}A^{- 1},$

但 ${(A \pm B)}^{- 1} = A^{- 1} \pm B^{- 1}$不一定成立。

(3) $(A^\star )^\star = |A|^{n - 2}\ A\ \ (n \geq 3)$，$(AB)^\star = B^\star A^\star ,$ $({kA})^\star = k^{n -1}A^\star {\ \ }(n \geq 2)$

但$(A \pm B)^\star = A^\star \pm B^\star $不一定成立。

(4) $(A^{- 1})^T = (A^T)^{- 1},\ (A^{- 1})^\star =(AA^\star )^{- 1},(A^\star )^T = (A^T)^\star $

5.有关$\mathbf A^{\mathbf \star}$的结论

(1) $AA^\star = A^\star A = |A|E$

(2) $|A^\star | = |A|^{n -1}\ (n \geq 2),\ \ \ \ {(kA)}^\star = k^{n -1}A^\star ,\ \ (A^\star )^\star = |A|^{n - 2}A(n \geq 3)$

(3) 若$A$可逆，则$A^\star = |A|A^{-1},(A^\star )^\star = \frac{1}{|A|}A$(4) 若$A$为$n$阶方阵，则：

$r(A^*)=\begin{cases}n,\quad r(A)=n\ 1,\quad r(A)=n-1\ 0,\quad r(A)<n-1\end{cases}$

6.有关$\mathbf{A}^{\mathbf{-1}}$的结论

$A$可逆$\Leftrightarrow AB = E; \Leftrightarrow |A| \neq 0; \Leftrightarrow r(A) = n;$

$\Leftrightarrow A$可以表示为初等矩阵的乘积；$\Leftrightarrow A;\Leftrightarrow Ax = 0$。

7.有关矩阵秩的结论

(1) 秩$r(A)$=行秩=列秩；

(2) $r(A_{m \times n}) \leq \min(m,n);$

(3) $A \neq 0 \Rightarrow r(A) \geq 1$；

(4) $r(A \pm B) \leq r(A) + r(B);$

(5) 初等变换不改变矩阵的秩

(6) $r(A) + r(B) - n \leq r(AB) \leq \min(r(A),r(B)),$特别若$AB = O$
则：$r(A) + r(B) \leq n$

(7) 若$A^{-1}$存在$\Rightarrow r(AB) = r(B);$ 若$B^{-1}$存在
$\Rightarrow r(AB) = r(A);$
若$r(A_{m \times n}) = n \Rightarrow r(AB) = r(B);$ 若$r(A_{m \times s}) = n\Rightarrow r(AB) = r(A)$。

(8) $r(A_{m \times s}) = n \Leftrightarrow Ax = 0$只有零解

8.分块求逆公式

$\begin{pmatrix} A & O \ O & B \ \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & O \ O & B^{-1} \ \end{pmatrix}$； $\begin{pmatrix} A & C \ O & B \\end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1}& - A^{-1}CB^{-1} \ O & B^{-1} \ \end{pmatrix}$；

$\begin{pmatrix} A & O \ C & B \ \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1}&{O} \ - B^{-1}CA^{-1} & B^{-1} \\end{pmatrix}$； $\begin{pmatrix} O & A \ B & O \ \end{pmatrix}^{-1} =\begin{pmatrix} O & B^{-1} \ A^{-1} & O \ \end{pmatrix}$

这里$A$，$B$均为可逆方阵。

向量

1.有关向量组的线性表示

(1)$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$线性相关$\Leftrightarrow$至少有一个向量可以用其余向量线性表示。

(2)$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$线性无关，$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$，$\beta$线性相关$\Leftrightarrow \beta$可以由$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$唯一线性表示。

(3) $\beta$可以由$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$线性表示
$\Leftrightarrow r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}) =r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s},\beta)$ 。

2.有关向量组的线性相关性

(1) 部分相关，整体相关；整体无关，部分无关.

(2) ① $n$个$n$维向量
$\alpha_{1},\alpha_{2}\cdots\alpha_{n}$线性无关$\Leftrightarrow \left|\left\lbrack \alpha_{1}\alpha_{2}\cdots\alpha_{n} \right\rbrack \right| \neq0$， $n$个$n$维向量$\alpha_{1},\alpha_{2}\cdots\alpha_{n}$线性相关
$\Leftrightarrow |\lbrack\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n}\rbrack| = 0$

② $n + 1$个$n$维向量线性相关。

③ 若$\alpha_{1},\alpha_{2}\cdots\alpha_{S}$线性无关，则添加分量后仍线性无关；或一组向量线性相关，去掉某些分量后仍线性相关。

3.有关向量组的线性表示

(1) $\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$线性相关$\Leftrightarrow$至少有一个向量可以用其余向量线性表示。

(2) $\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$线性无关，$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$，$\beta$线性相关$\Leftrightarrow\beta$ 可以由$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$唯一线性表示。

(3) $\beta$可以由$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$线性表示
$\Leftrightarrow r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}) =r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s},\beta)$

4.向量组的秩与矩阵的秩之间的关系

设$r(A_{m \times n}) =r$，则$A$的秩$r(A)$与$A$的行列向量组的线性相关性关系为：

(1) 若$r(A_{m \times n}) = r = m$，则$A$的行向量组线性无关。

(2) 若$r(A_{m \times n}) = r < m$，则$A$的行向量组线性相关。

(3) 若$r(A_{m \times n}) = r = n$，则$A$的列向量组线性无关。

(4) 若$r(A_{m \times n}) = r < n$，则$A$的列向量组线性相关。

5.$\mathbf{n}$维向量空间的基变换公式及过渡矩阵

若$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n}$与$\beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n}$是向量空间$V$的两组基，则基变换公式为：
$$
(\beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n}) = (\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n})\begin{bmatrix} c_{11}& c_{12}& \cdots & c_{1n} \ c_{21}& c_{22}&\cdots & c_{2n} \ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \ c_{n1}& c_{n2} & \cdots & c_{nn} \\end{bmatrix} = (\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n})C
$$

其中$C$是可逆矩阵，称为由基$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n}$到基$\beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n}$的过渡矩阵。

6.坐标变换公式

若向量$\gamma$在基$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n}$与基$\beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n}$的坐标分别是
$X = {(x_{1},x_{2},\cdots,x_{n})}^{T}$，

$Y = \left( y_{1},y_{2},\cdots,y_{n} \right)^{T}$ 即： $\gamma =x_{1}\alpha_{1} + x_{2}\alpha_{2} + \cdots + x_{n}\alpha_{n} = y_{1}\beta_{1} +y_{2}\beta_{2} + \cdots + y_{n}\beta_{n}$，则向量坐标变换公式为$X = CY$ 或$Y = C^{- 1}X$，其中$C$是从基$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n}$到基$\beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n}$的过渡矩阵。

7.向量的内积

$(\alpha,\beta) = a_{1}b_{1} + a_{2}b_{2} + \cdots + a_{n}b_{n} = \alpha^{T}\beta = \beta^{T}\alpha$

8.Schmidt 正交化

若$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$线性无关，则可构造$\beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{s}$使其两两正交，且$\beta_{i}$仅是$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{i}$的线性组合$(i= 1,2,\cdots,n)$，再把$\beta_{i}$单位化，记$\gamma_{i} =\frac{\beta_{i}}{\left| \beta_{i}\right|}$，则$\gamma_{1},\gamma_{2},\cdots,\gamma_{i}$是规范正交向量组。其中
$\beta_{1} = \alpha_{1}$， $\beta_{2} = \alpha_{2} -\frac{(\alpha_{2},\beta_{1})}{(\beta_{1},\beta_{1})}\beta_{1}$ ， $\beta_{3} =\alpha_{3} - \frac{(\alpha_{3},\beta_{1})}{(\beta_{1},\beta_{1})}\beta_{1} -\frac{(\alpha_{3},\beta_{2})}{(\beta_{2},\beta_{2})}\beta_{2}$ ，

…………

$\beta_{s} = \alpha_{s} - \frac{(\alpha_{s},\beta_{1})}{(\beta_{1},\beta_{1})}\beta_{1} - \frac{(\alpha_{s},\beta_{2})}{(\beta_{2},\beta_{2})}\beta_{2} - \cdots - \frac{(\alpha_{s},\beta_{s - 1})}{(\beta_{s - 1},\beta_{s - 1})}\beta_{s - 1}$

9.正交基及规范正交基

向量空间一组基中的向量如果两两正交，就称为正交基；若正交基中每个向量都是单位向量，就称其为规范正交基。

线性方程组

1．克莱姆法则

线性方程组$\begin{cases} a_{11}x_{1} + a_{12}x_{2} + \cdots +a_{1n}x_{n} = b_{1} \ a_{21}x_{1} + a_{22}x_{2} + \cdots + a_{2n}x_{n} =b_{2} \ \quad\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots \ a_{n1}x_{1} + a_{n2}x_{2} + \cdots + a_{nn}x_{n} = b_{n} \ \end{cases}$，如果系数行列式$D = \left| A \right| \neq 0$，则方程组有唯一解，$x_{1} = \frac{D_{1}}{D},x_{2} = \frac{D_{2}}{D},\cdots,x_{n} =\frac{D_{n}}{D}$，其中$D_{j}$是把$D$中第$j$列元素换成方程组右端的常数列所得的行列式。

2. $n$阶矩阵$A$可逆$\Leftrightarrow Ax = 0$只有零解。$\Leftrightarrow\forall b,Ax = b$总有唯一解，一般地，$r(A_{m \times n}) = n \Leftrightarrow Ax= 0$只有零解。

3.非奇次线性方程组有解的充分必要条件，线性方程组解的性质和解的结构

(1) 设$A$为$m \times n$矩阵，若$r(A_{m \times n}) = m$，则对$Ax =b$而言必有$r(A) = r(A \vdots b) = m$，从而$Ax = b$有解。

(2) 设$x_{1},x_{2},\cdots x_{s}$为$Ax = b$的解，则$k_{1}x_{1} + k_{2}x_{2}\cdots + k_{s}x_{s}$当$k_{1} + k_{2} + \cdots + k_{s} = 1$时仍为$Ax =b$的解；但当$k_{1} + k_{2} + \cdots + k_{s} = 0$时，则为$Ax =0$的解。特别$\frac{x_{1} + x_{2}}{2}$为$Ax = b$的解；$2x_{3} - (x_{1} +x_{2})$为$Ax = 0$的解。

(3) 非齐次线性方程组${Ax} = b$无解$\Leftrightarrow r(A) + 1 =r(\overline{A}) \Leftrightarrow b$不能由$A$的列向量$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n}$线性表示。

4.奇次线性方程组的基础解系和通解，解空间，非奇次线性方程组的通解

(1) 齐次方程组${Ax} = 0$恒有解（必有零解)。当有非零解时，由于解向量的任意线性组合仍是该齐次方程组的解向量，因此${Ax}= 0$的全体解向量构成一个向量空间，称为该方程组的解空间，解空间的维数是$n - r(A)$，解空间的一组基称为齐次方程组的基础解系。

(2) $\eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t}$是${Ax} = 0$的基础解系，即：

1. $\eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t}$是${Ax} = 0$的解；
2. $\eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t}$线性无关；

3. ${Ax} = 0$的任一解都可以由$\eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t}$线性表出.
   $k_{1}\eta_{1} + k_{2}\eta_{2} + \cdots + k_{t}\eta_{t}$是${Ax} = 0$的通解，其中$k_{1},k_{2},\cdots,k_{t}$是任意常数。

矩阵的特征值和特征向量

1.矩阵的特征值和特征向量的概念及性质

(1) 设$\lambda$是$A$的一个特征值，则 ${kA},{aA} + {bE},A^{2},A^{m},f(A),A^{T},A^{- 1},A^{*}$有一个特征值分别为
${kλ},{aλ} + b,\lambda^{2},\lambda^{m},f(\lambda),\lambda,\lambda^{- 1},\frac{|A|}{\lambda},$且对应特征向量相同（$A^{T}$ 例外）。

(2) 若$\lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{n}$为$A$的$n$个特征值，则$\sum_{i= 1}^{n}\lambda_{i} = \sum_{i = 1}^{n}a_,\prod_{i = 1}^{n}\lambda_{i}= |A|$ ,从而$|A| \neq 0 \Leftrightarrow A$没有特征值。

(3) 设$\lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{s}$为$A$的$s$个特征值，对应特征向量为$\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}$，

若: $\alpha = k_{1}\alpha_{1} + k_{2}\alpha_{2} + \cdots + k_{s}\alpha_{s}$ ,

则: $A^{n}\alpha = k_{1}A^{n}\alpha_{1} + k_{2}A^{n}\alpha_{2} + \cdots +k_{s}A^{n}\alpha_{s} = k_{1}\lambda_{1}^{n}\alpha_{1} +k_{2}\lambda_{2}^{n}\alpha_{2} + \cdots k_{s}\lambda_{s}^{n}\alpha_{s}$ 。

2.相似变换、相似矩阵的概念及性质

(1) 若$A \sim B$，则

1. $A^{T} \sim B^{T},A^{- 1} \sim B^{- 1},,A^{\star} \sim B^{\star}$

2. $|A| = |B|,\sum_{i = 1}^{n}A_ = \sum_{i =1}^{n}b_,r(A) = r(B)$

3. $|\lambda E - A| = |\lambda E - B|$，对$\forall\lambda$成立

3.矩阵可相似对角化的充分必要条件

(1) 设$A$为$n$阶方阵，则$A$可对角化$\Leftrightarrow$对每个$k_{i}$重根特征值$\lambda_{i}$，有$n-r(\lambda_{i}E - A) = k_{i}$

(2) 设$A$可对角化，则由$P^{- 1}{AP} = \Lambda,$有$A = {PΛ}P^{-1}$，从而$A^{n} = P\Lambda^{n}P^{- 1}$

(3) 重要结论

1. 若$A \sim B,C \sim D$，则$\begin{bmatrix} A & O \ O & C \\end{bmatrix} \sim \begin{bmatrix} B & O \ O & D \\end{bmatrix}$.

2. 若$A \sim B$，则$f(A) \sim f(B),\left| f(A) \right| \sim \left| f(B)\right|$，其中$f(A)$为关于$n$阶方阵$A$的多项式。

3. 若$A$为可对角化矩阵，则其非零特征值的个数（重根重复计算)＝秩($A$)

4.实对称矩阵的特征值、特征向量及相似对角阵

(1) 相似矩阵：设$A,B$为两个$n$阶方阵，如果存在一个可逆矩阵$P$，使得$B =P^{- 1}{AP}$成立，则称矩阵$A$与$B$相似，记为$A \sim B$。

(2) 相似矩阵的性质：如果$A \sim B$则有：

1. $A^{T} \sim B^{T}$
2. $A^{- 1} \sim B^{- 1}$ （若$A$，$B$均可逆）
3. $A^{k} \sim B^{k}$ （$k$为正整数）

4. $\left| {λE} - A \right| = \left| {λE} - B \right|$，从而$A,B$
   有相同的特征值

5. $\left| A \right| = \left| B \right|$，从而$A,B$同时可逆或者不可逆

6. 秩$\left( A \right) =$秩$\left( B \right),\left| {λE} - A \right| =\left| {λE} - B \right|$，$A,B$不一定相似

二次型

1.$\mathbf{n}$个变量$\mathbf{x}{\mathbf{1}}\mathbf{,}\mathbf{x}{\mathbf{2}}\mathbf{,\cdots,}\mathbf{x}_{\mathbf{n}}$的二次齐次函数

$f(x_1,x_2,\cdots,x_n) = \sum_{i = 1}^n{\sum_{j =1}^n{a_{ij}x_iy_j}}$，其中$a_ = a_(i,j =1,2,\cdots,n)$，称为$n$元二次型，简称二次型. 若令$x = \ \begin{bmatrix}x_{1} \ x_{1} \ \vdots \ x_{n} \ \end{bmatrix},A = \begin{bmatrix} a_{11}& a_{12}& \cdots & a_{1n} \ a_{21}& a_{22}& \cdots & a_{2n} \ \cdots &\cdots &\cdots &\cdots \ a_{n1}& a_{n2} & \cdots & a_{nn} \\end{bmatrix}$,这二次型$f$可改写成矩阵向量形式$f =x^{T}{Ax}$。其中$A$称为二次型矩阵，因为$a_ =a_(i,j =1,2,\cdots,n)$，所以二次型矩阵均为对称矩阵，且二次型与对称矩阵一一对应，并把矩阵$A$的秩称为二次型的秩。

2.惯性定理，二次型的标准形和规范形

(1) 惯性定理

对于任一二次型，不论选取怎样的合同变换使它化为仅含平方项的标准型，其正负惯性指数与所选变换无关，这就是所谓的惯性定理。

(2) 标准形

二次型$f = \left( x_{1},x_{2},\cdots,x_{n} \right) =x^{T}{Ax}$经过合同变换$x = {Cy}$化为$f = x^{T}{Ax} =y^{T}C^{T}{AC}$

$y = \sum_{i = 1}^{r}{d_{i}y_{i}^{2}}$称为 $f(r \leq n)$的标准形。在一般的数域内，二次型的标准形不是唯一的，与所作的合同变换有关，但系数不为零的平方项的个数由$r(A)$唯一确定。

(3) 规范形

任一实二次型$f$都可经过合同变换化为规范形$f = z_{1}^{2} + z_{2}^{2} + \cdots z_{p}^{2} - z_{p + 1}^{2} - \cdots -z_{r}^{2}$，其中$r$为$A$的秩，$p$为正惯性指数，$r -p$为负惯性指数，且规范型唯一。

3.用正交变换和配方法化二次型为标准形，二次型及其矩阵的正定性

设$A$正定$\Rightarrow {kA}(k > 0),A^{T},A^{- 1},A^{*}$正定；$|A| >0$,$A$可逆；$a_ > 0$，且$|A_| > 0$

$A$，$B$正定$\Rightarrow A +B$正定，但${AB}$，${BA}$不一定正定

$A$正定$\Leftrightarrow f(x) = x^{T}{Ax} > 0,\forall x \neq 0$

$\Leftrightarrow A$的各阶顺序主子式全大于零

$\Leftrightarrow A$的所有特征值大于零

$\Leftrightarrow A$的正惯性指数为$n$

$\Leftrightarrow$存在可逆阵$P$使$A = P^{T}P$

$\Leftrightarrow$存在正交矩阵$Q$，使$Q^{T}{AQ} = Q^{- 1}{AQ} =\begin{pmatrix} \lambda_{1} & & \ \begin{matrix} & \ & \ \end{matrix} &\ddots & \ & & \lambda_{n} \ \end{pmatrix},$

其中$\lambda_{i} > 0,i = 1,2,\cdots,n.$正定$\Rightarrow {kA}(k >0),A^{T},A^{- 1},A^{*}$正定； $|A| > 0,A$可逆；$a_ >0$，且$|A_| > 0$ 。

概率论和数理统计

随机事件和概率

1.事件的关系与运算

(1) 子事件：$A \subset B$，若$A$发生，则$B$发生。

(2) 相等事件：$A = B$，即$A \subset B$，且$B \subset A$ 。

(3) 和事件：$A\bigcup B$（或$A + B$），$A$与$B$中至少有一个发生。

(4) 差事件：$A - B$，$A$发生但$B$不发生。

(5) 积事件：$A\bigcap B$（或${AB}$），$A$与$B$同时发生。

(6) 互斥事件（互不相容）：$A\bigcap B$=$\varnothing$。

(7) 互逆事件（对立事件）：
$A\bigcap B=\varnothing ,A\bigcup B=\Omega ,A=\bar{B},B=\bar{A}$
2.运算律
(1) 交换律：$A\bigcup B=B\bigcup A,A\bigcap B=B\bigcap A$
(2) 结合律：$(A\bigcup B)\bigcup C=A\bigcup (B\bigcup C)$
(3) 分配律：$(A\bigcap B)\bigcap C=A\bigcap (B\bigcap C)$
3.德$\centerdot $摩根律

$\overline{A\bigcup B}=\bar{A}\bigcap \bar{B}$ $\overline{A\bigcap B}=\bar{A}\bigcup \bar{B}$
4.完全事件组

$A_1A_2\cdots A_n$两两互斥，且和事件为必然事件，即$A_i\bigcap A_j=\varnothing, i\ne j ,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \bigcup }},=\Omega $

5.概率的基本公式
(1) 条件概率:
$P(B|A)=\frac{P(AB)}{P(A)}$,表示$A$发生的条件下，$B$发生的概率。
(2) 全概率公式：
$P(A)=\sum\limits_{i=1}^{n}{P(A|B_i)P(B_i),B_iB_j}=\varnothing ,i\ne j,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop{\bigcup }}},B_i=\Omega $
(3) Bayes 公式：

$P(B_j|A)=\frac{P(A|B_j)P(B_j)}{\sum\limits_{i=1}^{n}{P(A|B_i)P(B_i)}},j=1,2,\cdots ,n$
注：上述公式中事件$B_i$的个数可为可列个。
(4) 乘法公式：
$P(A_1A_2)=P(A_1)P(A_2|A_1)=P(A_2)P(A_1|A_2)$
$P(A_1A_2\cdots A_n)=P(A_1)P(A_2|A_1)P(A_3|A_1A_2)\cdots P(A_n|A_1A_2\cdots A_{n-1})$

6.事件的独立性
(1)$A$与$B$相互独立$\Leftrightarrow P(AB)=P(A)P(B)$
(2)$A$，$B$，$C$两两独立
$\Leftrightarrow P(AB)=P(A)P(B)$;$P(BC)=P(B)P(C)$ ;$P(AC)=P(A)P(C)$;
(3)$A$，$B$，$C$相互独立
$\Leftrightarrow P(AB)=P(A)P(B)$; $P(BC)=P(B)P(C)$ ;
$P(AC)=P(A)P(C)$ ; $P(ABC)=P(A)P(B)P(C)$

7.独立重复试验

将某试验独立重复$n$次，若每次实验中事件 A 发生的概率为$p$，则$n$次试验中$A$发生$k$次的概率为：
$P(X=k)=C_{n}^{k}p^k(1-p)^{n-k}$
8.重要公式与结论
$(1)P(\bar{A})=1-P(A)$
$(2)P(A\bigcup B)=P(A)+P(B)-P(AB)$
$P(A\bigcup B\bigcup C)=P(A)+P(B)+P(C)-P(AB)-P(BC)-P(AC)+P(ABC)$
$(3)P(A-B)=P(A)-P(AB)$
$(4)P(A\bar{B})=P(A)-P(AB),P(A)=P(AB)+P(A\bar{B}),$
$P(A\bigcup B)=P(A)+P(\bar{A}B)=P(AB)+P(A\bar{B})+P(\bar{A}B)$
(5) 条件概率$P(\centerdot |B)$满足概率的所有性质，
例如：. $P(\bar{A}{1}|B)=1-P(A_1|B)$
$P(A_1\bigcup A_2|B)=P(A_1|B)+P(A_2|B)-P(A_1A_2|B)$
$P(A_1A_2|B)=P(A_1|B)P(A_2|A_1B)$
(6) 若$A_1,A_2,\cdots ,A_n$相互独立，则$P(\bigcap\limits{i=1}^{n}{A_i})=\prod\limits_{i=1}^{n}{P(A_i)},$
$P(\bigcup\limits_{i=1}^{n}{A_i})=\prod\limits_{i=1}^{n}{(1-P(A_i))}$
(7) 互斥、互逆与独立性之间的关系：
$A$与$B$互逆$\Rightarrow$ $A$与$B$互斥，但反之不成立，$A$与$B$互斥（或互逆）且均非零概率事件$\Rightarrow $$A$与$B$不独立.
(8) 若$A_1,A_2,\cdots ,A_m,B_1,B_2,\cdots ,B_n$相互独立，则$f(A_1,A_2,\cdots ,A_m)$与$g(B_1,B_2,\cdots ,B_n)$也相互独立，其中$f(\centerdot ),g(\centerdot )$分别表示对相应事件做任意事件运算后所得的事件，另外，概率为 1（或 0）的事件与任何事件相互独立.

随机变量及其概率分布

1.随机变量及概率分布

取值带有随机性的变量，严格地说是定义在样本空间上，取值于实数的函数称为随机变量，概率分布通常指分布函数或分布律

2.分布函数的概念与性质

定义： $F(x) = P(X \leq x), - \infty < x < + \infty$

性质：(1)$0 \leq F(x) \leq 1$

(2) $F(x)$单调不减

(3) 右连续$F(x + 0) = F(x)$

(4) $F( - \infty) = 0,F( + \infty) = 1$

3.离散型随机变量的概率分布

$P(X = x_{i}) = p_{i},i = 1,2,\cdots,n,\cdots\quad\quad p_{i} \geq 0,\sum_{i =1}^{\infty}p_{i} = 1$

4.连续型随机变量的概率密度

概率密度$f(x)$;非负可积，且:

(1)$f(x) \geq 0,$

(2)$\int_{- \infty}^{+\infty}{f(x){dx} = 1}$

(3)$x$为$f(x)$的连续点，则:

$f(x) = F’(x)$分布函数$F(x) = \int_{- \infty}^{x}{f(t){dt}}$

5.常见分布

(1) 0-1 分布:$P(X = k) = p^{k}(1 - p)^{1 - k},k = 0,1$

(2) 二项分布:$B(n,p)$： $P(X = k) = C_n^kp^k(1 - p)^{n - k},k =0,1,\cdots,n$

(3) Poisson分布:$p(\lambda)$： $P(X = k) = \frac{\lambda^{k}}{k!}e^{-\lambda},\lambda > 0,k = 0,1,2\cdots$

(4) 均匀分布$U(a,b)$：$f(x) = { \begin{matrix} & \frac{1}{b - a},a < x< b \ & 0, \ \end{matrix} $

(5) 正态分布:$N(\mu,\sigma^{2}):$ $\varphi(x) =\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{- \frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2},\sigma > 0,\infty < x < + \infty$

(6) 指数分布:$E(\lambda):f(x) ={ \begin{matrix} & \lambda e^{-{λx}},x > 0,\lambda > 0 \ & 0, \ \end{matrix} $

(7) 几何分布:$G(p):P(X = k) = (1-p)^{k - 1}p,0 < p < 1,k = 1,2,\cdots.$

(8) 超几何分布: $H(N,M,n):P(X = k) = \frac{C_{M}^{k}C_{N - M}^{n -k}}{C_{N}^{n}},k =0,1,\cdots,min(n,M)$

6.随机变量函数的概率分布

(1) 离散型：$P(X = x_{1}) = p_{i},Y = g(X)$

则: $P(Y = y_{j}) = \sum_{g(x_{i}) = y_{i}}^{}{P(X = x_{i})}$

(2) 连续型：$X\tilde{\ }f_{X}(x),Y = g(x)$

则:$F_{y}(y) = P(Y \leq y) = P(g(X) \leq y) = \int_{g(x) \leq y}^{}{f_{x}(x)dx}$， $f_{Y}(y) = F’_{Y}(y)$

7.重要公式与结论

(1) $X\sim N(0,1) \Rightarrow \varphi(0) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}},\Phi(0) =\frac{1}{2},$ $\Phi( - a) = P(X \leq - a) = 1 - \Phi(a)$

(2) $X\sim N\left( \mu,\sigma^{2} \right) \Rightarrow \frac{X -\mu}{\sigma}\sim N\left( 0,1 \right),P(X \leq a) = \Phi(\frac{a -\mu}{\sigma})$

(3) $X\sim E(\lambda) \Rightarrow P(X > s + t|X > s) = P(X > t)$

(4) $X\sim G(p) \Rightarrow P(X = m + k|X > m) = P(X = k)$

(5) 离散型随机变量的分布函数为阶梯间断函数；连续型随机变量的分布函数为连续函数，但不一定为处处可导函数。

(6) 存在既非离散也非连续型随机变量。

多维随机变量及其分布

1.二维随机变量及其联合分布

由两个随机变量构成的随机向量$(X,Y)$， 联合分布为$F(x,y) = P(X \leq x,Y \leq y)$

2.二维离散型随机变量的分布

(1) 联合概率分布律 $P{ X = x_{i},Y = y_{j}} = p_{ij};i,j =1,2,\cdots$

(2) 边缘分布律 $p_{i \cdot} = \sum_{j = 1}^{\infty}p_{ij},i =1,2,\cdots$ $p_{\cdot j} = \sum_{i}^{\infty}p_{ij},j = 1,2,\cdots$

(3) 条件分布律 $P{ X = x_{i}|Y = y_{j}} = \frac{p_{ij}}{p_{\cdot j}}$
$P{ Y = y_{j}|X = x_{i}} = \frac{p_{ij}}{p_{i \cdot}}$

3. 二维连续性随机变量的密度

(1) 联合概率密度$f(x,y):$

1. $f(x,y) \geq 0$
2. $\int_{- \infty}^{+ \infty}{\int_{- \infty}^{+ \infty}{f(x,y)dxdy}} = 1$

(2) 分布函数：$F(x,y) = \int_{- \infty}^{x}{\int_{- \infty}^{y}{f(u,v)dudv}}$

(3) 边缘概率密度： $f_{X}\left( x \right) = \int_{- \infty}^{+ \infty}{f\left( x,y \right){dy}}$ $f_{Y}(y) = \int_{- \infty}^{+ \infty}{f(x,y)dx}$

(4) 条件概率密度：$f_{X|Y}\left( x \middle| y \right) = \frac{f\left( x,y \right)}{f_{Y}\left( y \right)}$ $f_{Y|X}(y|x) = \frac{f(x,y)}{f_{X}(x)}$

4.常见二维随机变量的联合分布

(1) 二维均匀分布：$(x,y) \sim U(D)$ ,$f(x,y) = \begin{cases} \frac{1}{S(D)},(x,y) \in D \ 0,其他 \end{cases}$

(2) 二维正态分布：$(X,Y)\sim N(\mu_{1},\mu_{2},\sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2},\rho)$,$(X,Y)\sim N(\mu_{1},\mu_{2},\sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2},\rho)$

$f(x,y) = \frac{1}{2\pi\sigma_{1}\sigma_{2}\sqrt{1 - \rho^{2}}}.\exp\left{ \frac{- 1}{2(1 - \rho^{2})}\lbrack\frac{(x - \mu_{1})^{2}}{\sigma_{1}^{2}} - 2\rho\frac{(x - \mu_{1})(y - \mu_{2})}{\sigma_{1}\sigma_{2}} + \frac{(y - \mu_{2})^{2}}{\sigma_{2}^{2}}\rbrack \right}$

5.随机变量的独立性和相关性

$X$和$Y$的相互独立:$\Leftrightarrow F\left( x,y \right) = F_{X}\left( x \right)F_{Y}\left( y \right)$:

$\Leftrightarrow p_{ij} = p_{i \cdot} \cdot p_{\cdot j}$（离散型）
$\Leftrightarrow f\left( x,y \right) = f_{X}\left( x \right)f_{Y}\left( y \right)$（连续型）

$X$和$Y$的相关性：

相关系数$\rho_{XY} = 0$时，称$X$和$Y$不相关，
否则称$X$和$Y$相关

6.两个随机变量简单函数的概率分布

离散型： $P\left( X = x_{i},Y = y_{i} \right) = p_{ij},Z = g\left( X,Y \right)$ 则：

$P(Z = z_{k}) = P\left{ g\left( X,Y \right) = z_{k} \right} = \sum_{g\left( x_{i},y_{i} \right) = z_{k}}^{}{P\left( X = x_{i},Y = y_{j} \right)}$

连续型： $\left( X,Y \right) \sim f\left( x,y \right),Z = g\left( X,Y \right)$
则：

$F_{z}\left( z \right) = P\left{ g\left( X,Y \right) \leq z \right} = \iint_{g(x,y) \leq z}^{}{f(x,y)dxdy}$，$f_{z}(z) = F’_{z}(z)$

7.重要公式与结论

(1) 边缘密度公式： $f_{X}(x) = \int_{- \infty}^{+ \infty}{f(x,y)dy,}$
$f_{Y}(y) = \int_{- \infty}^{+ \infty}{f(x,y)dx}$

(2) $P\left{ \left( X,Y \right) \in D \right} = \iint_{D}{f\left( x,y \right){dxdy}}$

(3) 若$(X,Y)$服从二维正态分布$N(\mu_{1},\mu_{2},\sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2},\rho)$
则有：

1. $X\sim N\left( \mu_{1},\sigma_{1}^{2} \right),Y\sim N(\mu_{2},\sigma_{2}^{2}).$
2. $X$与$Y$相互独立$\Leftrightarrow \rho = 0$，即$X$与$Y$不相关。

3. $C_{1}X + C_{2}Y\sim N(C_{1}\mu_{1} + C_{2}\mu_{2},C_{1}^{2}\sigma_{1}^{2} + C_{2}^{2}\sigma_{2}^{2} + 2C_{1}C_{2}\sigma_{1}\sigma_{2}\rho)$

4. ${\ X}$关于$Y=y$的条件分布为： $N(\mu_{1} + \rho\frac{\sigma_{1}}{\sigma_{2}}(y - \mu_{2}),\sigma_{1}^{2}(1 - \rho^{2}))$

5. $Y$关于$X = x$的条件分布为： $N(\mu_{2} + \rho\frac{\sigma_{2}}{\sigma_{1}}(x - \mu_{1}),\sigma_{2}^{2}(1 - \rho^{2}))$

(4) 若$X$与$Y$独立，且分别服从$N(\mu_{1},\sigma_{1}^{2}),N(\mu_{1},\sigma_{2}^{2}),$
则：$\left( X,Y \right)\sim N(\mu_{1},\mu_{2},\sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2},0),$

$C_{1}X + C_{2}Y\tilde{\ }N(C_{1}\mu_{1} + C_{2}\mu_{2},C_{1}^{2}\sigma_{1}^{2} C_{2}^{2}\sigma_{2}^{2}).$

(5) 若$X$与$Y$相互独立，$f\left( x \right)$和$g\left( x \right)$为连续函数， 则$f\left( X \right)$和$g(Y)$也相互独立。

随机变量的数字特征

1.数学期望

离散型：$P\left{ X = x_{i} \right} = p_{i},E(X) = \sum_{i}{x_{i}p_{i}}$；

连续型： $X\sim f(x),E(X) = \int_{- \infty}^{+ \infty}{xf(x)dx}$

性质：

(1) $E(C) = C,E\lbrack E(X)\rbrack = E(X)$

(2) $E(C_{1}X + C_{2}Y) = C_{1}E(X) + C_{2}E(Y)$

(3) 若$X$和$Y$独立，则$E(XY) = E(X)E(Y)$

(4)$\left\lbrack E(XY) \right\rbrack^{2} \leq E(X^{2})E(Y^{2})$

2.方差：$D(X) = E\left\lbrack X - E(X) \right\rbrack^{2} = E(X^{2}) - \left\lbrack E(X) \right\rbrack^{2}$

3.标准差：$\sqrt{D(X)}$，

4.离散型：$D(X) = \sum_{i}^{}{\left\lbrack x_{i} - E(X) \right\rbrack^{2}p_{i}}$

5.连续型：$D(X) = {\int_{- \infty}^{+ \infty}\left\lbrack x - E(X) \right\rbrack}^{2}f(x)dx$

性质：

(1)$\ D(C) = 0,D\lbrack E(X)\rbrack = 0,D\lbrack D(X)\rbrack = 0$

(2) $X$与$Y$相互独立，则$D(X \pm Y) = D(X) + D(Y)$

(3)$\ D\left( C_{1}X + C_{2} \right) = C_{1}^{2}D\left( X \right)$

(4) 一般有 $D(X \pm Y) = D(X) + D(Y) \pm 2Cov(X,Y) = D(X) + D(Y) \pm 2\rho\sqrt{D(X)}\sqrt{D(Y)}$

(5)$\ D\left( X \right) < E\left( X - C \right)^{2},C \neq E\left( X \right)$

(6)$D(X)=0 \Leftrightarrow P\left{ X = C \right}=1$

6.随机变量函数的数学期望

(1) 对于函数$Y = g(x)$

$X$为离散型：$P{ X = x_{i}} = p_{i},E(Y) = \sum_{i}^{}{g(x_{i})p_{i}}$；

$X$为连续型：$X\sim f(x),E(Y) = \int_{- \infty}^{+ \infty}{g(x)f(x)dx}$

(2) $Z = g(X,Y)$;$\left( X,Y \right)\sim P{ X = x_{i},Y = y_{j}} = p_{ij}$; $E(Z) = \sum_{i}^{}{\sum_{j}^{}{g(x_{i},y_{j})p_{ij}}}$ $\left( X,Y \right)\sim f(x,y)$;$E(Z) = \int_{- \infty}^{+ \infty}{\int_{- \infty}^{+ \infty}{g(x,y)f(x,y)dxdy}}$

7.协方差

$Cov(X,Y) = E\left\lbrack (X - E(X)(Y - E(Y)) \right\rbrack$

8.相关系数

$\rho_{XY} = \frac{Cov(X,Y)}{\sqrt{D(X)}\sqrt{D(Y)}}$,$k$阶原点矩 $E(X^{k})$;
$k$阶中心矩 $E\left{ {\lbrack X - E(X)\rbrack}^k \right}$

性质：

(1)$\ Cov(X,Y) = Cov(Y,X)$

(2)$\ Cov(aX,bY) = abCov(Y,X)$

(3)$\ Cov(X_{1} + X_{2},Y) = Cov(X_{1},Y) + Cov(X_{2},Y)$

(4)$\ \left| \rho\left( X,Y \right) \right| \leq 1$

(5) $\ \rho\left( X,Y \right) = 1 \Leftrightarrow P\left( Y = aX + b \right) = 1$ ，其中$a > 0$

$\rho\left( X,Y \right) = - 1 \Leftrightarrow P\left( Y = aX + b \right) = 1$
，其中$a < 0$

9.重要公式与结论

(1)$\ D(X) = E(X^{2}) - E^{2}(X)$

(2)$\ Cov(X,Y) = E(XY) - E(X)E(Y)$

(3) $\left| \rho\left( X,Y \right) \right| \leq 1,$且 $\rho\left( X,Y \right) = 1 \Leftrightarrow P\left( Y = aX + b \right) = 1$，其中$a > 0$

$\rho\left( X,Y \right) = - 1 \Leftrightarrow P\left( Y = aX + b \right) = 1$，其中$a < 0$

(4) 下面 5 个条件互为充要条件：

$\rho(X,Y) = 0$ $\Leftrightarrow Cov(X,Y) = 0$ $\Leftrightarrow E(X,Y) = E(X)E(Y)$ $\Leftrightarrow D(X + Y) = D(X) + D(Y)$ $\Leftrightarrow D(X - Y) = D(X) + D(Y)$

注：$X$与$Y$独立为上述 5 个条件中任何一个成立的充分条件，但非必要条件。

数理统计的基本概念

1.基本概念

总体：研究对象的全体，它是一个随机变量，用$X$表示。

个体：组成总体的每个基本元素。

简单随机样本：来自总体$X$的$n$个相互独立且与总体同分布的随机变量$X_{1},X_{2}\cdots,X_{n}$，称为容量为$n$的简单随机样本，简称样本。

统计量：设$X_{1},X_{2}\cdots,X_{n},$是来自总体$X$的一个样本，$g(X_{1},X_{2}\cdots,X_{n})$）是样本的连续函数，且$g()$中不含任何未知参数，则称$g(X_{1},X_{2}\cdots,X_{n})$为统计量。

样本均值：$\overline{X} = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_{i}$

样本方差：$S^{2} = \frac{1}{n - 1}\sum_{i = 1}^{n}{(X_{i} - \overline{X})}^{2}$

样本矩：样本$k$阶原点矩：$A_{k} = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_{i}^{k},k = 1,2,\cdots$

样本$k$阶中心矩：$B_k = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^n(X_{i} - \bar{X})^k,k = 1,2,\cdots$

2.分布

$\chi^{2}$分布：$\chi^{2} = X_{1}^{2} + X_{2}^{2} + \cdots + X_{n}^{2}\sim\chi^{2}(n)$，其中$X_{1},X_{2}\cdots,X_{n},$相互独立，且同服从$N(0,1)$

$t$分布：$T = \frac{X}{\sqrt{Y/n}}\sim t(n)$ ，其中$X\sim N\left( 0,1 \right),Y\sim\chi^{2}(n),$且$X$，$Y$ 相互独立。

$F$分布：$F = \frac{X/n_{1}}{Y/n_{2}}\sim F(n_{1},n_{2})$，其中$X\sim\chi^{2}\left( n_{1} \right),Y\sim\chi^{2}(n_{2}),$且$X$，$Y$相互独立。

分位数：若$P(X \leq x_{\alpha}) = \alpha,$则称$x_{\alpha}$为$X$的$\alpha$分位数

3.正态总体的常用样本分布

(1) 设$X_{1},X_{2}\cdots,X_{n}$为来自正态总体$N(\mu,\sigma^{2})$的样本，

$\overline{X} = \frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}X_{i},S^{2} = \frac{1}{n - 1}\sum_{i = 1}^{n}{(X_{i} - \overline{X})^{2},}$则：

1. $\overline{X}\sim N\left( \mu,\frac{\sigma^{2}}{n} \right){\ \ }$或者$\frac{\overline{X} - \mu}{\frac{\sigma}{\sqrt{n}}}\sim N(0,1)$

2. $\frac{(n - 1)S^{2}}{\sigma^{2}} = \frac{1}{\sigma^{2}}\sum_{i = 1}^{n}{(X_{i} - \overline{X})^{2}\sim\chi^{2}(n - 1)}$

3. $\frac{1}{\sigma^{2}}\sum_{i = 1}^{n}{(X_{i} - \mu)^{2}\sim\chi^{2}(n)}$

4)${\ \ }\frac{\overline{X} - \mu}{S/\sqrt{n}}\sim t(n - 1)$

4.重要公式与结论

(1) 对于$\chi^{2}\sim\chi^{2}(n)$，有$E(\chi^{2}(n)) = n,D(\chi^{2}(n)) = 2n;$

(2) 对于$T\sim t(n)$，有$E(T) = 0,D(T) = \frac{n}{n - 2}(n > 2)$；

(3) 对于$F\tilde{\ }F(m,n)$，有 $\frac{1}{F}\sim F(n,m),F_{a/2}(m,n) = \frac{1}{F_{1 - a/2}(n,m)};$

(4) 对于任意总体$X$，有 $E(\overline{X}) = E(X),E(S^{2}) = D(X),D(\overline{X}) = \frac{D(X)}{n}$