在概率论与数理统计中,指数分布是一种重要的连续型概率分布,广泛应用于描述事件发生的时间间隔或等待时间等场景。例如,在排队系统中,顾客到达的时间间隔可能服从指数分布;在可靠性工程中,设备故障之间的时间也可能符合这一分布。
指数分布的概率密度函数通常表示为:
\[ f(x; \lambda) =
\begin{cases}
\lambda e^{-\lambda x}, & x \geq 0, \\
0, & x < 0,
\end{cases} \]
其中,\( \lambda > 0 \) 是分布的参数,代表事件发生的平均速率。
关于指数分布的一个重要特性是其方差的计算。对于一个随机变量 \( X \) 来说,其方差定义为:
\[ \text{Var}(X) = E(X^2) - [E(X)]^2 \]
对于指数分布而言,已知期望值 \( E(X) = \frac{1}{\lambda} \),而二阶矩 \( E(X^2) \) 的计算可以通过积分得到:
\[ E(X^2) = \int_0^\infty x^2 \cdot \lambda e^{-\lambda x} dx \]
通过分部积分法可以求得 \( E(X^2) = \frac{2}{\lambda^2} \)。因此,指数分布的方差为:
\[ \text{Var}(X) = E(X^2) - [E(X)]^2 = \frac{2}{\lambda^2} - \left(\frac{1}{\lambda}\right)^2 = \frac{1}{\lambda^2} \]
综上所述,指数分布的方差等于其均值的平方,即 \( \text{Var}(X) = \frac{1}{\lambda^2} \)。这一结果不仅体现了指数分布在实际应用中的简洁性,也进一步加深了我们对其特性的理解。在具体问题分析时,合理利用这一性质能够简化许多复杂的推导过程,提高工作效率。