Biến ngẫu nhiên

Biến ngẫu nhiên là một thuật ngữ được dùng trong toán học và thống kê. Trong một phép thử ngẫu nhiên (Randomness tests), đầu ra (outcome) của nó có thể là giá trị số hoặc không phải. Ví dụ phép thử ngẫu nhiên là tung một đồng xu lên và xét mặt nào của đồng xu ở phía trên, thì kết quả đầu ra có thể là {sấp, ngửa} (đầu ra không phải là số). Ví dụ phép thử ngẫu nhiên là tung con súc sắc và xem mặt nằm phía trên là có mấy chấm, thì kết quả đầu ra có thể là {1,2,3,4,5,6} (đầu ra là số). Tuy nhiên, trong các ứng dụng của thống kê, người ta muốn mỗi đầu ra đều gắn với một đại lượng đo đạc được, hay còn gọi là thuộc tính có giá trị là số. Để thực hiện điều này, người ta định ra biến ngẫu nhiên để ánh xạ mỗi đầu ra của một phép thử ngẫu nhiên với một giá trị số.
Biến ngẫu nhiên là một hàm toán học với đặc điểm: nó gán một giá trị bằng số cho kết quả (đầu ra) của một phép thử ngẫu nhiên (thực nghiệm).
với  là đại diện cho đầu ra của một thực nghiệm,  là một số thực, X là hàm ánh xạ (hay là biến ngẫu nhiên). Vì thế, người ta còn gọi X là biến ngẫu nhiên giá trị thực (real-valued random variable).
Ví dụ: trong phép thử ngẫu nhiên tung đồng xu, ta định ra một biến ngẫu nhiên tương ứng
Ví dụ: trong phép thử ngẫu nhiên tung con xúc xắc, vì đầu ra vốn dĩ đã là số thực, nên ta có thể ánh xạ trực tiếp đầu ra bằng hàm đồng nhất thức
Phép thử ngẫu nhiên trong trường hợp tung con xúc xắc còn được gọi là phép thử ngẫu nhiên có giá trị bằng số (numerically valued random experiment) .
Thuật ngữ biến trong biến ngẫu nhiên không có nghĩa nó là một biến như các biến toán học khác, mà thực chất nó là một hàm số (hay ánh xạ). Ta không thể gán giá trị cụ thể cho một biến ngẫu nhiên; một biến ngẫu nhiên không mô tả kết quả thực tế của một thực nghiệm cụ thể, nó dùng các số thực để mô tả các kết quả có thể có nhưng chưa xác định.
Thuật ngữ ngẫu nhiên trong biến ngẫu nhiên không có nghĩa nó là một hàm số ngẫu nhiên, mà nó là một hàm số được xác định. Tính ngẫu nhiên được thể hiện ở tham số đầu vào . Điều này dẫn tới đầu ra của hàm (hay biến ngẫu nhiên) là ngẫu nhiên. Nói tóm lại, biến ngẫu nhiên có thể được xem là kết quả bằng số của việc vận hành một cơ chế không đơn định hoặc thực hiện một thực nghiệm không đơn định để tạo ra một kết quả ngẫu nhiên. Ví dụ, một biến ngẫu nhiên có thể mô tả các kết quả có thể của việc chọn ngẫu nhiên một người và đo chiều cao của người đó.
Tuy các ví dụ đơn giản như thả súc sắc và đo chiều cao (như miêu tả ở trên) giúp ta dễ dàng hình dung về ứng dụng thực tế của các biến ngẫu nhiên, cấu trúc toán học của chúng mang lại cho các nhà toán học sự thuận tiện khi làm việc với lý thuyết xác suất độ đo trong một môi trường quen thuộc hơn với các hàm số giá trị thực. Ngược lại, khái niệm này cũng đặt các thực nghiệm có liên quan đến các kết quả với giá trị là số thực vào trong khuôn khổ lý thuyết độ đo một cách vững chắc.

Các tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên

Đối với một biến ngẫu nhiên nếu đã xác định được quy luật phân phối của nó thì xem như ta đã 
nắm được toàn bộ thông tin về biến ngẫu nhiên đó. Tuy nhiên trong thực tế ta không thể nắm bắt được từng giá trị riêng của biến ngẫu nhiên. Một yêu cầu rất tự nhiên được đặt ra là phải có
giá trị đại diện phản ánh từng phần của biến ngẫu nhiên.
Ta có thể phân loại các tham số đặc trưng như sau:
- Các tham số đặc trưng cho xu hướng trung tâm của biến ngẫu nhiên: kỳ vọng toán (expected value), trung vị (median), mốt (mode),...
- Các tham số đặc trưng cho độ phân tán của biến ngẫu nhiên: phương sai, độ lệch chuẩn, hệ số biến thiên, giá trị tới hạn, mômen (moment)...
- Các tham số đặc trưng cho dạng phân phối xác suất; hệ số bất đối xứng (skewness), hệ số nhọn (kurtosis),...

Mômen

Phân bố xác suất của một biến ngẫu nhiên thường được đặc trưng bởi một số các tham số, các tham số này cũng có một cách hiểu thực dụng. Ví dụ, trong nhiều trường hợp, biết "giá trị trung bình" của biến ngẫu nhiên là đủ. Giá trị này được thể hiện bởi khái niệm toán học giá trị kỳ vọng của một biến ngẫu nhiên, được ký hiệu là E[X]. Lưu ý rằng, nói chung, E[f(X)] khác với f(E[X]). Một khi đã biết được "giá trị trung bình", người ta có thể đặt câu hỏi cái giá trị trung bình này cách bao xa đối với các giá trị điển hình của X, câu hỏi này được trả lời bởi các khái niệm phương sai và độ lệch tiêu chuẩn của một biến ngẫu nhiên.
Trong toán học, bài toán (mở rộng) về các mômen (generalised problem of moments) được phát biểu như sau: cho trước một lớp gồm các biến ngẫu nhiên X, tìm một tập hợp {fᵢ} gồm các hàm sao cho các giá trị kỳ vọng E[fᵢ(X)] đặc trưng đầy đủ cho phân bố của biến ngẫu nhiên X.

Tính tương đương của các biến ngẫu nhiên

Các biến ngẫu nhiên có thể được coi là tương đương theo một số nghĩa. Hai biến ngẫu nhiên có thể bằng nhau, gần như bằng nhau, trung bình bằng nhau, hoặc phân phối bằng nhau.
Định nghĩa chính xác của các khái niệm trên được cho dưới đây theo thứ tự tăng dần về độ mạnh.

Sự hội tụ của dãy các biến ngẫu nhiên

Một dãy  gồm các biến ngẫu nhiên có thể hội tụ thành một biến ngẫu nhiên  theo nhiều nghĩa khác nhau. Những kiểu đó được giải thích trong bài sự hội tụ của các biến ngẫu nhiên.
Các kết quả trong thống kê toán học dựa vào việc chứng minh sự hội tụ đối với một số dãy biến ngẫu nhiên nhất định. Một trong những định luật hội tụ quan trọng nhất đó là luật số lớn và định lý giới hạn trung tâm.