Определение. Характеристической функцией случайной величины называется комплекснозначная функция, определенная при соотношением
. (1)
Пусть — функция распределения случайной величины, тогда формулу (15.1) можно записать в виде
.
В случае существования плотности случайной величины эту формулу можно переписать следующим образом
. (2)
Непосредственно из определения вытекают свойства характеристической функции:
1) , для всех действительных .
2) .
3) — равномерно непрерывная функция на всей числовой оси.
4) Характеристическая функция положительно определена, т.е. для любых действительных чисел и любых комплексных чисел .
5) Характеристическая функция суммы независимых случайных величин равна произведению характеристических функций слагаемых.
Действительно, пусть — характеристическая функция случайной величины , — случайной величины , тогда характеристическая функция их суммы равна
.
6) Если , где и — некоторые постоянные, то .
Не сложно видеть, что .
7) Характеристическая функция однозначно определяет распределение случайной величины.
Если случайная величина абсолютно непрерывна, выражение (2) есть преобразование Фурье функции . Для абсолютно непрерывной величины плотность восстанавливается по ее характеристической функции следующим образом:
.
Зная характеристическую функцию дискретной целочисленной случайной величины , такой что , можно восстановить ее распределение. Не трудно видеть, что справедливы равенства:
В силу того, что , имеем
.
Таким образом, закон распределения восстановлен.
Еще одно важное свойство характеристических функций сформулируем в виде теоремы.
Теорема. Если существует абсолютный начальный момент порядка , то функция имеет непрерывных производных и справедливо равенство
.
При этом имеет место соотношение
, (3)
здесь и при .
Доказательство. В силу того, что , интегралравномерно сходится по . Следовательно
, .
Далее, используя метод математической индукции, получим требуемое в теореме равенство
.
Запишем разложение функции в ряд Тейлора в окрестности нуля с остаточным членом в форме Лагранжа
,
здесь , . Поэтому
.
Таким образом,
,
где . Не трудно видеть, что . Из теоремы Лебега о предельном переходе под знаком интеграла следует, что при .