特征函数(CharacteristicFunction)地性质

第四章 大数定律与中心极限定理4.1特征函数内容提要1. 特征函数的定义 设X 是一个随机变量,称)()(itX e E t =ϕ为X 的特征函数,其表达式如下(),()().(), 在离散场合， 在连续场合，itx i iitX itx x e P X x t E e t e p x dx ϕ+∞-∞⎧=⎪==-∞<<+∞⎨⎪⎩∑⎰由于1sin cos 22=+=tx tx e itx ,所以随机变量X 的特征函数)(t ϕ总是存在的.2. 特征函数的性质 (1) 1)0()(=≤ϕϕt ;(2) ),()(t t ϕϕ=-其中)(t ϕ表示)(t ϕ的共 轭; (3) 若Y =aX +b ,其中a ,b 是常数.则);()(at e t X ibt Y ϕϕ=(4) 若X 与Y 是相互独立的随机变量,则);()()(t t t Y X Y X ϕϕϕ⋅=+(5) 若()l E X 存在,则)(t X ϕ可l 次求导,且对l k ≤≤1,有);()0()(k k k X E i =ϕ (6) 一致连续性 特征函数)(t ϕ在),(+∞-∞上一致连续(7) 非负定性 特征函数)(t ϕ是非负定的,即对任意正整数n ,及n 个实数n t t t ,,,21 和n 个复数n z z z ,,21,有 ;0)(11≥-∑∑==j k j nk nj k z z t t ϕ(8) 逆转公式 设F (x )和)(t ϕ分别为X 的分布函数和特征函数,则对F (x )的任意两个点21x x <,有=-+--+2)0()(2)0()(1122x F x F x F x F ;)(21lim21dt t it e e TT itx itx T ϕπ⎰-+∞→-特别对F (x )的任意两个连续点21x x <,有;)(21lim)()(2112dt t it e e x F x F TT itx itx T ϕπ⎰-+∞→-=-(9) 唯一性定理 随机变量的分布函数有其特征函数唯一决定；(10) 若连续随机变量X 的密度函数为p (x ),特征函数为).(t ϕ如果+∞<⎰+∞∞-dt t )(ϕ,则dt t e x p itx )(21)(ϕπ⎰∞+∞--=3. 常用的分布函数特征表习题与解答4.11. 设离散随机变量X 的分布列如下,试求X 的特征函数.解 t i t i it x e e e t 321.02.03.04.0)(+++=ϕ2. 设离散变量X 服从几何分布 .,2,1,)1()(1 =-===-k p p k X P k 试求X 的特征函数,并以此求E(X )和V a r(x ).解 记q =1-p , 则ititK itit k k itk itxqe pe q e pe p qe e E t -====∑∑+∞=+∞=-1)()()(111ϕ,()2'1)(it itqe ipe t -=ϕ,42'')1()1(2)1()(it itit it it it qe qe qe pe qe pe t -=----=ϕ, p q p i X E 1)1()0(1)(2'=-==ϕ,242''21)1()1(2)1()0(1)(pqq q pq q p i X E +=--+-==ϕ,22222)1(1)]([)()(p qp p q X E X E X Var =-+=-= 3．设离散随机变量X 服从巴斯卡分布 ,)1(11)(rk r p p r k k X P --⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--== ,1,k r r =+试求X 的特征函数.解 设r X X X ,,,21 是相互独立同分布的随机变量,且都服从参数为p 的几何分布Ge(p ),则由上一题知j X 的特征函数为,1)(X ititqepe t j -=ϕ 其中q =1-p . 又因为r X X X X +++= 21,所以X 的特征函数为∏=-==rj ritit x X qe pe t t j 1)1()()(ϕϕ. 4．求下列分布函数的特征函数,并由特征函数求其数学期望和方差.(1)dt e a x F x t a ⎰∞--=2)(1 (a >0); (2) dt a t a x F x⎰∞-+=2221)(π (a >0). 解 (1)因为此分布的密度函数为 ,2)(1xa e a x p -= .+∞<<∞-x 所以此分布的特征函数为010()22itx ax itxax a at e e dx ee dx ϕ+∞--∞=⋅+⋅⎰⎰(cos sin )(cos sin )22ax axa atx i tx e dx tx i tx e dx +∞--∞=+⋅++⋅⎰⎰=.cos 222ta a dx txea ax+=⎰+∞-又因为,)(2)(2222'1t a ta t +-=ϕ ,0)0('1=ϕ ,)()3(2)(322222''1t a a t a t +-=ϕ ,2)0(2''1a -=ϕ 所以 0,(0)1)('1==ϕi X E V a r(X )= .a2(0)1)(2''122==ϕi X E(2) 因为此分布的密度函数为 ,1)(222a x ax p +⋅=π .+∞<<∞-x 所以此分布的特征函数为,cos 2)(022222⎰⎰+∞+∞∞-+=+=dx ax txadx a x e ax itx ππϕ 又因为当t >0时,有(见菲赫金哥尔茨《微积分学教程》第二卷第三分册或查积分表).2cos 022⎰+∞-=+ate a dx ax tx π 所以当t >0时,有 .22)(2at ate e aa t --=⋅=ππϕ 而当t <0时,有 ,)()(22t a e t t -=-=ϕϕ所以.22)(2ta at e e aa t --=⋅=ππϕ 又因为)(2t ϕ在t =0处不可导,故此分布(柯西积分)的数学期望不存在.注：⎰+∞∞-+=dx ax e ax itx222)(πϕ也可利用复变函数中的留数理论来计算,方法如下：t >0时,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+⋅=+=⎰+∞∞-ai z a z e i adx a x e ax itz itx ,Res 2)(22222πππϕ ta taitz ai z e ai e ai ai z e i a--→==+⋅=22lim 2ππ5. 设),,(~2σμN X 试用特征函数的方法求X 的3阶及4阶中心矩. 解 因为正态分布),(2σμN 的特征函数为,)(2/22t t i e t σμϕ-=所以,)0('μϕi = ,)0()('μϕ==iX E,)0(22''σμϕ--= ,)0()(222''2σμϕ+==i X E ,3)0(23'''μσμϕi i --= ,3)0()(333'''3μσμϕ+==i X E,36)0(4224''''σσμμϕ++= .36)0()(42244''''4σσμμϕ++==iX E由此得X 的3阶及4阶中心矩为,0)(3)(3)())((2233=+-=-μμX E X E X E X E X E.3)(4)(6)(4)())((44343344σμμμμ=+-+-=-X E X E X E X E X E X E6. 试用特征函数的方法证明二项分布的可加性：若X ~ b (n , p),Y ~ b(m , p),且 X 与Y 独立,则X+Y ~ b(n + m, p).证 记q=1-p, 因为 n it X q pe t )()(+=ϕ, m it Y q pe t )()(+=ϕ, 所以由 X 与Y 的独立性得()()()()it n m X Y X Y t t t pe q ϕϕϕ++==+,这正是二项分布b(n + m, p)的特征函数,由唯一性定理知X+Y~b(n+m,P ).7. 试用特征函数的方法证明泊松分布的可加性：若X ~P (λ1),Y ~ P (λ2),且X与Y 独立,则X +Y ~P (λ1+λ2).证：因为 ,)(,)()1()1(21====it ite Y eX et e t λλϕϕ 所以由X 与Y 独立性得,)()()()1)2(-+==+it e et t t Y X Y X λλϕϕϕ这正是泊松分布 P (λ1+λ2).的特征函数,由唯一性定理知X +Y ~ P (λ1+λ2). .8. 试用特征函数的方法证明伽玛分布的可加性：若),,(~1λa Ga X),(~2λa Ga Y ,且X 与Y 独立,则),(~21λa a Ga Y X ++.证 因为 1)1()(a X it t --=λϕ,2)1()(a Y itt --=λϕ,所以由X 与Y 的独立性得)(21)1()()()(a a Y X Y X itt t t +-+-==λϕϕϕ,这正是伽玛分布),(21λa a Ga +的特征函数,由唯一性定理知),(~21λa a Ga Y X ++.9.试用特征函数的方法证明2χ分布的可加性：若)(~2n X χ,)(~2m Y χ,且X 与Y 独立,则).(~2m n Y X ++χ证 因为2)21()(nX it t --=ϕ,2)21()(mY it t --=ϕ,所以由X 与Y 的独立性得2)()21()()()(m n Y X Y X it t t t +-+-=+=ϕϕϕ,这正是2χ分布2χ(n+m)的特征函数,由唯一性定理知).(~2m n Y X ++χ10. 设i X 独立同分布,且n i Exp X i ,,2,1),(~ =λ.试用特征函数的方法证明:∑==ni i n n Ga X Y 1),(~λ.证 因为1)1()(--=λϕitt i X ,所以由诸i X 的相互独立性得n Y 的特征函数为n Y itt n--=)1()(λϕ,这正是伽玛分布),(λn Ga 的特征函数,由唯一性定理知),(~λn Ga Y n .11. 设连续随机变量X 服从柯西分布,其密度函数如下：+∞<<-∞-+⋅=x x x p ,)(1)(22μλλπ,其中参数+∞<<-∞>μλ,0,常记为),(~μλCh X ,(1) 试证X 的特征函数为{}t t i λμ-exp ,且利用此结果证明柯西分布的可加性；(2) 当1,0==λμ时,记Y =X,试证)()()(t t t Y X Y X ϕϕϕ=+,但是X 与不独立； (3) 若n X X X ,,,21 相互独立,且服从同一柯西分布,试证：)(121n X X X n+++ 与X i 同分布.证 (1) 因为μ-=X Y 的密度函数为+∞<<-∞+⋅=x yx p ,1)(22λλπ,由本节第4题(2)知Y 的特征函数为{}()exp ||Y t t φλ=-.由此得μ+=Y X 的特征函数{}{}t t i t t i t t Y Y X λμϕμϕϕμ-===+exp )(exp )()(.下证柯西分布的可加性: 设)2,1(=i X i 服从参数为i i λμ,的柯西分布,其密度函数为: 2,1,,)(1)(22=+∞<<-∞-+⋅=i x x x p i i μλλπ.若1X 与2X 相互独立,则(){}t t i t t t X X X X )(exp )()()(21212121λλμμϕϕϕ+-+==+,这正是参数为2121,λλμμ++柯西分布的特征函数.所以由唯一性定理知,21X X +服从参数为2121,λλμμ++的柯西分布.(2) 当1,0==λμ时有 {}t t X -=exp )(ϕ,{}t t Y -=exp )(ϕ,所以 )2()()(2t t t X X Y X ϕϕϕ==+{}{}{}t t t --=-=exp exp 2exp )()(t t Y X ϕϕ=. 由于Y=X,当然X 与Y 不独立.此题说明,由)()()(t t t Y X Y X ϕϕϕ=+不能推得X 与Y 独立.(3) 设i X 都服从参数为λμ,的柯西分布,则特征函数为{}t t i t λμϕ-=exp )(.由相互独立性得, ∑=n i i X n 11 的特征函数为 []{}t t i n t nλμϕ-=e x p )/(,即 ∑=n i i X n 11与X 1具有相同的特征函数,由唯一性定理知它们具有相同的分布.12.设连续随机变量X 的密度函数为p (x ),试证：p (x )关于原点对称的充要条件是它的特征函数是实的偶函数.证：记X 的特征函数为)(t X ϕ.先证充分性,若)(t X ϕ是实的偶函数,则)()(t t X X ϕϕ=-或)()(t t X X -=-ϕϕ,这表明X 与-X 有相同的特征函数,从而X 与-X有相同的密度函数,而-X 的密度函数为p (-x ),所以得p (x )=p (-x ),即p (x )关于原点是对称的.再证必要性.若p (x )=p (-x ),则X 与-X 有相同的密度函数,所以X 与-X 有相同的特征函数.由于-X 的特征函数为)(t X ϕ,所以)()(t t X X ϕϕ=-=________)(t X ϕ,故)(t X ϕ是实的偶函数.13.设n X X X ,,,21 独立同分布,且都服从N (2,σϕ)分布,试求∑==ni i X n X 1___1的分布.解：因为X j 的特征函数为2/22)(t t i j e t σϕϕ-=,所以由诸X i 互相独立得___X 的特征函数为)2/(22))/(()(n t t i n i X e n t t σϕϕϕ-==这是正态分布N (n /,2σϕ)的特征函数,所以由唯一性定理知∑==ni i X n X 1___1~N (n /,2σϕ)。

概率论_特征函数特征函数（characteristic function）是概率论中一个非常重要的工具，它能够完全描述一个随机变量的分布，并且可以用来推导和证明一系列的性质和定理。

特征函数具有许多重要的性质，如唯一决定定理、独立性的性质、收敛性的性质等。

特征函数的定义如下：对于一个随机变量X，它的特征函数$\varphi(t)$定义为$E[e^{itX}]$，其中 i 是复数单位，t 是实数。

特征函数是关于 t 的复数函数，其实部和虚部分别是 $\cos(tx)$ 和$\sin(tx)$。

特征函数的一个重要性质是唯一决定性（uniqueness），即对于一个分布，它的特征函数是唯一确定的，并且确定了分布的所有性质。

这一性质使得特征函数成为一种描述概率分布的有效工具。

对于连续分布，特征函数可以通过概率密度函数和积分的关系得到，对于离散分布，特征函数可以通过概率质量函数和求和的关系得到。

另一个重要的性质是独立性的性质。

如果两个随机变量 X 和 Y 是独立的，那么它们的特征函数的乘积等于它们各自的特征函数的乘积。

即$\varphi_{X+Y}(t)=\varphi_X(t)\varphi_Y(t)$。

这个性质可以用来推导和证明随机变量的和的分布。

特别地，如果 X 和 Y 是独立同分布的，那么它们的特征函数的乘积等于它们特征函数的平方。

特征函数还有一个重要的性质是收敛性的性质。

对于一个随机变量序列X₁,X₂,...，如果它们的特征函数逐点收敛于一个函数，那么这个函数也是一个随机变量的特征函数，且收敛到的分布是弱收敛的。

这个性质可以用来证明中心极限定理等重要的结果。

特征函数在概率论和统计学中有广泛的应用。

它被用来推导和证明许多重要的定理，如中心极限定理、大数定律、极限理论等。

它还可以用来计算随机变量的矩、协方差、相关系数等统计量，并且可以用来推导各种分布族的性质。

特征函数的计算通常比较简单，只需计算指数函数的期望。

第一章概率论基础1.1 概率公理与随机变量1.2多维随机变量与条件随机变量1.3 随机变量的函数1.4 数字特征与条件数学期望1.5 特征函数1.6 典型分布1.7 随机变量的仿真与实验1.5 特征函数(Characteristic Function)特征函数、矩发生函数和概率发生函数在分析随机变量和向量的各种问题中有着非常重要的意义，特别是在分析独立随机变量、向量和的概率与矩特性时，应用它们是十分方便的。

在分析特征函数、矩发生函数和概率发生函数时，我们特别强调了变换分析技术。

由此建立了傅立叶变换、Z变换等分析随机信号与系统的概率、矩特性的关系式，从而形成随机信号概率与矩特性的变换分析理论与技术。

一、特征函数及概率密度函数的傅立叶变换定义1.2随机变量，其特征函数定义为式中，v 为确定的实变量。

1.5 特征函数X ()[]j v X X v E e Φ=()X v Φ1.5 特征函数若随机变量的概率密度函数为，则其特征函数为:c.r.v .d.r.v . X )(x f ()()jvxX v f x e dxΔ+∞−∞Φ=∫1()ikjvxX i i v p e Δ=Φ=∑定理1.4随机变量X 的概率密度函数与其特征函数之间是一对傅立叶变换，或式中，表示傅立叶变换对。

()()X f x v ←⎯→Φ−F ()()X f x v −←⎯→ΦF ←⎯→F随机变量概率密度函数与特征函数关系()f x()X vΦ()j xf x e dx ω−+∞jvx dx+∞举例例:随机变量的特征函数为,求其概率密度函数。

X ()jv v pe q Φ=+)(x f 。

01()X [0],[1]()()(1)jv jv jv v pe q qe pe P X q P X p f x q x p x δδΦ=+=+∴====∴=+−∵随机变量有 解法1：举例-续解法2：()()()(1)()()(1)v f x q x p x x x f x q x p x δδδδΦ=++→−=+−此题亦可直接对进行反傅立叶变化得：将右端，有q p)(x f 0 1例1.20求二项分布Binomial的特征函数。

第七章 特征函数7.1 特征函数的定义及基本性质定义1：设X 为维实随机向量，称为n Xit TEe t =)(ϕX 的特征函数(characteristicfunction )。

一些常见分布的特征函数。

例1：，则其c.f.为),(~p n B X .1,)()(p q pe q t n it −=+=ϕ例2：X 服从参数为λ的Poisson 分布，则其c.f.为 ).1(exp )(−=it e t λϕ例3：，则其c.f.为),(~2σµN X .)(2221t t i e t σµϕ−=特征函数基本性质：1) 1)0(=ϕ；2) （有界）n R t t ∈∀≤,1)(ϕ 3) （共轭对称）；_______)()(t t −=ϕϕ4) （非负定）对任意给定正整数，任意t 和任意复数m n m R t t ∈L 21,m αααL 21,，0≥)(11−∑∑==m l mk k l k l t t ααϕ；5) )(t ϕ为n R 上的连续函数。

证明：4) 0)(2111)(11≥==−∑∑∑===−==ml Xit l ml mk k l X t t i ml mk k l k l TlTk l Ee E Ee t t αααααϕ∑∑。

定理1：（Bocher ）n R 上的函数)(t ϕ是某个随机变量的特征函数当且仅当)(t ϕ连续非负定且1)0(=ϕ。

定理2：（增量不等式）设)(t ϕ是X 的特征函数，则对任意t 有n R h ∈,[])(Re 12)()(2h t h t ϕϕϕ−≤−+由此)(t ϕ在n R 上一致连续。

证明：[][]∫∫−=−=−++dP ee dP ee t h t Xih Xit Xit Xh t i T T T T 1)()()(ϕϕ，由Schwarz 不等式[])(Re 121)()(222h dP edP et h t Xih Xit T T ϕϕϕ−=−≤−+∫∫。

特征函数（Characteristic Function ）的性质 1．;1)0(|)(|=≤ϕϕt).0(11|||||)(|ϕϕ==≤≤=E e E Ee t itX itX2. )()(t t ϕϕ=-.)()(t Ee e E Ee t itX itX itX ϕϕ====--.3. 若Y=aX+b, 其中a 和b 为常数，则).()(at e t X ibtYϕϕ= 4． 若X 的l 阶矩存在，则.1,|)(0l k EX i t dtd kk t k k ≤≤==ϕkk t itX k k t itX k k t k k EX i e X E i Ee dtd t dt d ======000|)(||)(ϕ. 注意求导和期望可交换的条件. 可利用特征函数求随机变量的各阶矩. 5. 特征函数具有一致连续性. ⎰><>∃>∀Mx dx x p t s M ||)(..,0,0εε⎰∞∞=-=-+|)()1(||)()(|x dF e e t h t itx ihx ϕϕ ⎰∞∞--≤)(|1|x dF e ihx⎰⎰->-+-=MMMx i h xi h xx dF ex dF e||)(|1|)(|1||||2sin |2)(||1|2/2/2/hx hxeee e ihx ihx ihx ihx≤=-=--x hxeeeeihx ihx ihx ihx ∀≤=-=--,2|2sin |2)(||1|2/2/2/⎰⎰>-+≤-+Mx MMx dF x dF x h t h t ||)(2)(|||)()(|ϕϕ⎰-+≤+≤MMhM x dF hM εε22)(.取,/M εδ=则 对任意实数t ，和),0(δ∈h 有.3|)()(|εϕϕ≤-+t h t所以，特征函数是一致连续的. 引理：狄利克雷积分).(21210021)sin(1)(0a sign a a a dt t at a I =⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<-=>==⎰∞+π 证明：⎰∞=sin )(1)(dt tta sign a I π以下证明⎰+∞=02sin πdu u u .⎰+∞-=01ds e u us ⎰⎰⎰⎰⎰-+∞+∞-==Tus TT usududse ds e u du uu 00000sin sin sin ⎰∞+-++-+=0222)cos sin 11(ds e Ts T T T s s s⎰+∞-++-=22cos sin 2ds e Ts T T T s sπs s T e e Ts T T T s T s T T T s --∞→<++=++|cos sin |,0cos sin lim 2222 2sin lim 0π=⎰∞→TT du u u 。

特征函数的性质及其应用摘 要：本文讨论了特征函数概念，特征函数的若干性质并进一步探讨特征函数在 各个方面的应用以及它们的证明过程。

关键词：特征函数；随机变量Some properties of characteristic functionand its applicationClass3, 2008, Department of Mathematics XueEndeAbstract : This paper discusses the concept of characteristic function characteristicfunction, some properties and further explore the characteristic functionVarious aspects of the application as well as their process of proofKeywords : The characteristic function of random variables;1引言特征函数在概率统计领域中是研究极限定理的强有力的工具，虽然它的作用不像分布函数那样明显，但是它却有着很好的分析性质。

广大数学工作者对此也进行了深入的探讨，得到了特征函数的一些性质以及在各个方面中的应用等一系列成果。

它不是单一的学科，与其它学科也有着重要的联系，特别是在物理学上各种热力学关系都以特征函数为基础，所以它在热力学中占有很重要的地位。

鉴于此，我们有必要进一步讨论特征函数的相关性质。

本文将主要针对特征函数的性质和应用进行分开讨论。

2特征函数的定义及性质为了讨论方便，先给出特征函数的概念2.1基本概念 我们称(),()it t Ee t ξϕ=-∞<<+∞是ξ的特征函数.（其中令ξ是任一随机变量）上面介绍了特征函数的概念，接下来讨论一下特征函数的一些性质.2.2特征函数的性质 性质1 令1,ξ2ξ的特征函数分别为12(),(),t t ϕϕ且1ξ与2ξ相互独立，那么12ξξ+的特征函数为12()()()t t t ϕϕϕ=.证明 设1,ξ2ξ是两个相互独立的随机变量，则1,ξ2ξ的特征函数1212(),()it it t Ee t Ee ξξϕϕ==中的1it e ξ与2it e ξ也相互独立.由数学期望的性质可得121212()12()()()(),it it it it it t Ee E e e Ee Ee t t ξξξξξξϕϕϕ+==⋅=⋅=故性质1得证.性质2 令随机变量ξ存在有n 阶矩，那么ξ的特征函数()t ϕ可以微分n 次，且若,k n ≤则(0).k k k i E ϕξ=证明 ().k k itx k k itxkd e i x e x dt=≤根据假定(),k x dF x +∞-∞<∞⎰故下式中在积分号下对t 求导n 次，于是对0k n ≤≤，有()()()kk k itx k k it t i x e p x dx i E e ξϕξ+∞-∞==⎰令t=0，即(0)()k k k i E ϕξ=.性质3 若()t ϕ是特征函数，则（1）()t ϕ-，（2）2(),t ϕ（3）[]()()nt n N ϕ+∈也是特征函数.证明 （1）若()t ϕ是随机变量ξ的特征函数，那么()t ϕ-可以看作是随机变量（ξ-）的特征函数.（2）若1ξ与2ξ独立同分布，其特征函数为()t ϕ，那么2()()()t t t ϕϕϕ=-是随机变量12ξξ-的特征函数.（3）若12,,,m ξξξ 独立同分布，其特征函数为()t ϕ，那么[]()nt ϕ是随机变量12m ξξξ+++ 的特征函数.性质4（唯一性）随机变量ξ的分布函数()F x 仅由特征函数()t ϕ决定. 证明 设x 是任取的()F x 的连续点.令z 设在F 的连续点趋近-∞，则有1()lim lim()2itz itxA Az A e e F x t dt itϕπ---→-∞→∞-=⎰. 根据分布函数左连续，并且F 的连续点在直线上稠密， 即对每个(,)x ∈-∞+∞有F 的连续点,m x x <m x x <. 从而F 由其连续点上的值唯一确定.性质5 当且仅当()iat t e ϕ=时，函数()t ϕ与1()t ϕ都是一个特征函数. 证明 若()t ϕ与1()t ϕ都是特征函数，设随机变量1ξ与2ξ相互独立，且1ξ与2ξ的特征函数分别是()t ϕ和1()t ϕ.因为12ξξ+的特征函数为1()1()t t ϕϕ=，所以12(0)1P ξξ+==. 故有[]21121211()()(,)()()()()()F x P x P x x P x P x P x P x F x ξξξξξξξ=<=<<-=<<-=<<=.因此必存在常数a ,使得0()1x aF x x a≤⎧=⎨≥⎩所以ξ服从单点分布()1,P a ξ==即()iat t e ϕ=.反过来，若()iat t e ϕ=，则1()iat e t ϕ-=也是特征函数. 所以当且仅当()iat t e ϕ=时，()t ϕ与1()t ϕ都是特征函数. 性质6 设a b ηξ=+（,a b 是任意常数），记η在Y Z =时条件特征函数为()k t ϕ，则()()ibt k k t e at ϕϕ=.证明()()()()()it a b itb itb itb k k t E e Y k E e Y k e e at ξξϕϕ+=/==/==. 3 特征函数的应用 3.1在证明极限定理的应用定理 1 （辛钦大数定律）设1,2,ξξ 是一列独立分布的随机变量，且数学期望存在(1,2,)i E a i ξ== ，则对任意的0ε>，有11n pi i a n ξ=−−→∑. 证明 因为1,2,ξξ 具有一样的分布，所以它们也有一样的特征函数.我们把这个特征函数记为()t ϕ，又由于i E a ξ=存在，从而特征函数()t ϕ有展开式()(0)(0)t t ϕϕϕ'=++ο()再由独立性知11n i i n ξ=∑的特征函数为()1m mt t t ia n n n ϕ⎡⎤⎡⎤=++ο()⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦.对任意t 有lim ()lim 1m miat n n t t t ia e n n n ϕ→∞→∞⎡⎤⎡⎤=++ο()=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦.已知iate 是退化分布的特征函数，对应的分布函数为()I x a -.根据连续性定理11ni i n ξ=∑的分布函数弱收敛于()F x ，因为a 是常数，则有11n pi i a n ξ=−−→∑.定理2 （林德贝格——勒维定理）若1,2,ξξ 是一列独立同分布的随机变量，且22,(0)1,2,k k E a D k ξξσσ==>=则有22lim )nt kxn nap x e dt ξ--∞→+∞-≤=∑.证明 设k a ξ-的特征函数()t ϕ1nknk naξ=-=∑nϕ⎡⎤⎢⎥⎣⎦. 又因为2()0,(),k k E a D a ξξσ-=-=所以2(0)0,(0)ϕϕσ'''==-.于是特征函数()t ϕ的展开式222221()(0)(0)(0)()1()22t t t t t t ϕϕϕϕσ'''=+++ο=-+ο.从而对任意固定的t有221().2nnt t nn ϕ⎡⎤⎡⎤=-+ο⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ 而22t e-是(0,1)N 分布的特征函数，从而定理得证.3.2在计算数字特征上的应用.例 求2(,)N μσ分布的数学期望与方差. 解 根据2(,)N μσ分布的函数222(),t i tt eσμϕ=再由性质2(0)kkikE ϕξ=知2222(0),(0)iE i i E ξϕμξϕμσ'''====--. 因此222,()E D E E ξμξξξσ==-=. 3.3在证明函数的随机变量和分布中的应用.利用归纳法：我们可以把性质1进行推广到n 个独立随机变量的场合，令12,,,nξξξ 为n 个相互独立的随机变量，它们所对应的特征函数为12(),(),,(),n t t t ϕϕϕ 则1n i i ξξ==∑的特征函数为1()().ni i t t ϕϕ==∑例 设(1,2,,)i i n ξ= 为n 个相互独立的随机变量，且它们服从2(,)i N μσ分布的正态随机变量，试求1nii ξξ==∑的分布.解 由i ξ得分布为2(,)i N μσ，所以它们对应的特征函数为22().2i i ti t t eμσϕ=我们根据特征函数的性质1()()ni i t t ϕϕ==∑可知ξ的特征函数12222111()()()22n i i i i t nn i ti i i i i tt t Eeet μμσϕϕσ=⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦==∑===+∑∑. 而它却是211(,)n ni ii i N μσ==∑∑分布的特征函数.从而根据分布函数与特征函数的一一对应关系即可知ξ服从211(,)nni ii i N μσ==∑∑分布.例 设随机变量12,,,n X X X 相互独立且分别服从为(1)k k m λ≤≤的普哇松分布，求1.nk K Y X ==∑解 对于任何一个k ，k X 服从参数为λ的普哇松分布，从而我们知道它的特征函数为1()(1)1()()nit k k n e k K t t eλϕϕ=-=∑==∑，而()t ϕ是参数为1nkK λ=∑的普哇松分布的特征函数，从而可知Y 服从参数为1nkK λ=∑的普哇松分布.。

高斯分布特征函数摘要：1.高斯分布概述2.高斯分布的特征函数定义3.高斯分布特征函数的性质4.高斯分布特征函数的应用正文：一、高斯分布概述高斯分布，又称正态分布，是一种常见的概率分布。

它具有一个对称的钟形曲线，其分布的均值（μ）和标准差（σ）决定了分布的形状。

高斯分布的概率密度函数具有一个唯一的峰值，这意味着在分布的均值附近，数据点出现的概率最高。

二、高斯分布的特征函数定义高斯分布的特征函数（Characteristic Function，简称CF）是描述高斯分布概率密度函数（Probability Density Function，简称PDF）的傅里叶变换。

对于一个随机变量X 服从高斯分布，其特征函数可以表示为：Φ(t) = P(X ≤t) = Φ(-t) = 1 -Φ(t)其中，Φ(t) 表示X 小于等于t 的概率。

三、高斯分布特征函数的性质1.奇偶性：高斯分布的特征函数是奇函数，即Φ(-t) = 1 - Φ(t)。

2.递增性：在负无穷到正无穷的区间内，特征函数Φ(t) 是递增的。

3.极限：当t 趋于负无穷时，Φ(t) 趋于0；当t 趋于正无穷时，Φ(t) 趋于1。

四、高斯分布特征函数的应用高斯分布特征函数在概率论和统计学中有广泛的应用，例如：1.求解高斯分布的累积分布函数（Cumulative Distribution Function，简称CDF）：Φ(t) = F(t) - F(-t)，其中F(t) 表示X 小于等于t 的累积概率。

2.求解高斯分布的概率密度函数：f(x) = Φ"(x) * √(2πσ^2)，其中Φ"(x) 表示特征函数的导数。

3.求解高斯分布的矩生成函数（Moment Generating Function，简称MGF）：M(t) = E[e^tX] = Φ(-t) + μt + 1/2 * σ^2 * t^2 + o(t^3)，其中E[·] 表示期望。