ปกติหารด้วยให้การแจกแจงแบบที - พิสูจน์ได้


10

ให้และ(s)Z∼N(0,1)W∼χ2(s)

หากและมีการกระจายอย่างอิสระแล้วตัวแปรดังต่อไปนี้การกระจายกับองศาอิสระsZWY=ZW/sts

ฉันกำลังมองหาหลักฐานของความจริงนี้การอ้างอิงที่ดีพอถ้าคุณไม่ต้องการที่จะเขียนอาร์กิวเมนต์ที่สมบูรณ์


1
สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างเป็นทางการที่stats.stackexchange.com/questions/52906 : อัตราส่วนเมื่อเขียนเป็นส่วนประกอบจะถูกมองว่าเป็นส่วนผสมของ Gaussians และการสาธิตนั้นแสดงให้เห็นว่าส่วนผสมนั้นมีการกระจาย
— whuber

ในหนังสือบางเล่มนี่เป็นคำจำกัดความของการแจกแจงแบบ t คุณไม่จำเป็นต้องพิสูจน์มัน วิธีหาไฟล์ PDF ที่ให้คำจำกัดความนั้นเป็นคำถามที่ถูกต้อง
— mpiktas

คำตอบ:


12

Letเป็นตัวแปรสุ่มไคสแควร์กับองศาอิสระ แล้วรากของ ,มีการกระจายเป็นไคกระจายกับองศาอิสระซึ่งมีความหนาแน่น YnYY≡Y^n

(1)fY^(y^)=21−n2Γ(n2)y^n−1exp⁡{−y^22}

กำหนดY จากนั้นและโดยสูตรการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรเรามีX≡1nY^∂Y^∂X=n

fX(x)=fY^(nx)|∂Y^∂X|=21−n2Γ(n2)(nx)n−1exp⁡{−(nx)22}n

(2)=21−n2Γ(n2)nn2xn−1exp⁡{−n2x2}

ให้เป็นตัวแปรสุ่มปกติมาตรฐานโดยอิสระจากตัวแปรก่อนหน้าและกำหนดตัวแปรสุ่มZ

T=ZYn=ZX
ZX

โดยสูตรมาตรฐานสำหรับฟังก์ชันความหนาแน่นของอัตราส่วนของตัวแปรสุ่มอิสระสองตัว

fT(t)=∫−∞∞|x|fZ(xt)fX(x)dx

แต่สำหรับช่วงเวลาเพราะเป็น rv ที่ไม่เป็นลบดังนั้นเราสามารถกำจัดค่าสัมบูรณ์และลดอินทิกรัลเป็นfX(x)=0[-∞,0]X

ฉT(เสื้อ)=∫0∞xฉZ(xเสื้อ)ฉX(x)dx

=∫0∞x12πประสบการณ์⁡{-(xเสื้อ)22}21-n2Γ(n2)nn2xn-1ประสบการณ์⁡{-n2x2}dx

(3)=12π21-n2Γ(n2)nn2∫0∞xnประสบการณ์⁡{-12(n+เสื้อ2)x2}dx

อินทิเกรตในดูเหมือนว่าจะกลายเป็นฟังก์ชันความหนาแน่นของแกมม่าในที่สุด ข้อ จำกัด ของการรวมเข้าด้วยกันถูกต้องดังนั้นเราจำเป็นต้องปรับใช้การรวมเข้ากับการกลายเป็นฟังก์ชันความหนาแน่นแกมมา กำหนดตัวแปร(3)

m≡x2⇒dม.=2xdx⇒dx=dม.2x,x=ม.12
สร้างการทดแทนในการรวมและที่เรามี

(4)ผม3=∫0∞xnประสบการณ์⁡{-12(n+เสื้อ2)ม.}dม.2x=12∫0∞ม.n-12ประสบการณ์⁡{-12(n+เสื้อ2)ม.}dม.

ความหนาแน่นแกมมาสามารถเขียนได้

Gamma(m;k,θ)=mk−1exp⁡{−mθ}θkΓ(k)

ค่าสัมประสิทธิ์การจับคู่เราต้องมี

k−1=n−12⇒k∗=n+12,1θ=12(n+t2)⇒θ∗=2(n+t2)

สำหรับค่าเหล่านี้ของและเงื่อนไขในการรวมและเกี่ยวข้องกับตัวแปรคือเคอร์เนลของความหนาแน่นแกมมา ดังนั้นถ้าเราหารอินทิกรัลโดยและคูณนอกอินทิกรัลด้วยขนาดเดียวกันอินทิกรัลจะเป็นแกมม่าดิฟ ฟังก์ชั่นและจะสามัคคีสามัคคี ดังนั้นเรามาถึงที่k∗θ∗(θ∗)k∗Γ(k∗)

I3=12(θ∗)k∗Γ(k∗)=12(2n+t2)n+12Γ(n+12)=2n−12n−n+12Γ(n+12)(1+t2n)−12(n+1)

การแทรกข้างต้นลงในสมการ เราได้รับ(3)

fT(t)=12π21−n2Γ(n2)nn22n−12n−n+12Γ(n+12)(1+t2n)−12(n+1)

=Γ[(n+1)/2]nπΓ(n/2)(1+t2n)−12(n+1)

... ซึ่งเป็นสิ่งที่เรียกว่า (ฟังก์ชันความหนาแน่นของ) การแจกแจงแบบ t กับองศาอิสระn


23

แม้ว่า ES Pearson จะไม่ชอบก็ตามข้อโต้แย้งดั้งเดิมของฟิชเชอร์คือรูปทรงเรขาคณิตเรียบง่ายน่าเชื่อถือและเข้มงวด มันขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงจำนวนน้อยที่เข้าใจง่ายและเป็นที่ยอมรับได้ง่าย พวกมันจะมองเห็นได้ง่ายเมื่อหรือซึ่งสามารถมองเห็นรูปทรงเรขาคณิตในสองหรือสามมิติ ผลก็คือการใช้พิกัดทรงกระบอกในเพื่อวิเคราะห์ iid ตัวแปรปกติs=1s=2Rs×Rs+1

  1. s+1เป็นอิสระและกระจายเหมือนกันตัวแปรปกติมีความสมมาตรเป็นทรงกลม ซึ่งหมายความว่าการฉายในแนวรัศมีของจุดไปยังทรงกลมหน่วยมีการแจกแจงแบบสม่ำเสมอบน .X1,…,Xs+1(X1,…,Xs+1)Ss⊂Rs+1Ss

  2. Aการกระจายคือผลรวมของกำลังสองของอิสระมาตรฐานแปรปรวนปกติχ2(s)s

  3. ดังนั้นการตั้งค่าและอัตราส่วนคือแทนเจนต์ของละติจูดของจุดใน1}Z=Xs+1W=X12+⋯+Xs2Z/Wθ(X1,…,Xs,Xs+1)Rs+1

  4. tan⁡θมีการเปลี่ยนแปลงโดยการฉายรัศมีบน sSs

  5. ชุดที่กำหนดโดยทุกจุดของเส้นรุ้งในเป็นทรงกลมมิติของรัศมี\ การวัดมิติจึงเป็นสัดส่วนกับθSss−1cos⁡θs−1

    coss−1⁡θ=(1+tan2⁡θ)−(s−1)/2.

  6. องค์ประกอบที่แตกต่างคือd}d(tan⁡θ)=cos−2⁡θdθ=(1+tan2⁡θ)dθ

  7. การเขียนให้ดังนั้นและ ร่วมกันสมการเหล่านี้บ่งบอกถึงการรวมปัจจัยเข้ากับค่าคงที่ normalizingแสดงความหนาแน่นของเป็นสัดส่วนกับt=Z/W/s=stan⁡θtan⁡θ=t/s

    1+t2/s=1+tan2⁡θ
    dt=sdtan⁡θ=s(1+tan2⁡θ)dθ.
    dθ=1s(1+t2/s)−1dt.
    1/sC(s)t

    (1+tan2⁡θ)−(s−1)/2dθ=(1+t2/s)−(s−1)/2 (1+t2/s)−1dt=(1+t2/s)−(s+1)/2dt.

นั่นคือความหนาแน่นของนักเรียน

รูป

รูปที่แสดงให้เห็นถึงซีกโลกตอนบน (กับ ) ของใน1} แกนไขว้ครอบคลุม -hyperplane จุดสีดำเป็นส่วนหนึ่งของตัวอย่างแบบสุ่มของ -variate standard การแจกแจงปกติ: พวกมันคือค่าที่คาดว่าจะมีค่าละติจูดซึ่งแสดงเป็นแถบสีเหลือง ความหนาแน่นของจุดเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับปริมาณมิติของวงดนตรีที่ที่ตัวเองเป็นรัศมี\กรวยมากกว่าวงดนตรีที่ถูกดึงไปสิ้นสุดที่ความสูงของ\ มากถึงZ≥0SsRs+1Ws+1θs−1Ss−1θtan⁡θsการกระจายเสื้อนักศึกษาที่มีองศาอิสระคือการกระจายของความสูงนี้เป็นถ่วงน้ำหนักตามตัวชี้วัดของวงสีเหลืองเมื่อ normalizing พื้นที่ของหน่วยทรงกลมเพื่อความสามัคคีsSs

อนึ่งคง normalizing จะต้องเป็น (ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้) ครั้งเทียบปริมาณของทรงกลม ,1/s

C(s)=1s|Ss−1||Ss|=1ssπs/2Γ(s+12+1)(s+1)π(s+1)/2Γ(s2+1)=1ssπs/2(s+1)/2Γ(s+12)(s+1)π(s+1)/2(s/2)Γ(s2)=Γ(s+12)sπΓ(s2).

การแสดงออกสุดท้ายแม้ว่าธรรมดาเล็กน้อยปลอมแสดงออกเริ่มต้นที่เรียบง่ายสวยงามที่ชัดเจนแสดงให้เห็นถึงความหมายของ(s)C(s)


ฟิชเชอร์ได้อธิบายการสืบทอดมาถึง WS Gosset (ต้นฉบับ "นักเรียน") ในจดหมาย Gosset พยายามที่จะเผยแพร่ให้ฟิชเชอร์เครดิตเต็ม แต่เพียร์สันปฏิเสธกระดาษ วิธีการของฟิชเชอร์ซึ่งนำไปใช้กับปัญหาที่คล้ายกันอย่างมีนัยสำคัญ แต่ยากกว่าในการค้นหาการกระจายตัวของสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ตัวอย่างได้รับการตีพิมพ์ในที่สุด

อ้างอิง

ฟิชเชอร์ RA, การแจกแจงความถี่ของค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ในตัวอย่างจากประชากรจำนวนมากอย่างไม่มีกำหนด Biometrika ฉบับ 10, ฉบับที่ 4 (พฤษภาคม, 1915), หน้า 507-521 มีอยู่บนเว็บที่ https://stat.duke.edu/courses/Spring05/sta215/lec/Fish1915.pdf (และที่อื่น ๆ อีกมากมายผ่านการค้นหาเมื่อลิงค์นี้หายไป)

Joan Fisher Box, Gosset, Fisher และการแจกจ่าย สถิติอเมริกันฉบับ 35, ฉบับที่ 2 (พฤษภาคม, 1981), หน้า 61-66 ที่มีอยู่บนเว็บที่http://social.rollins.edu/wpsites/bio342spr13/files/2015/03/Studentttest.pdf

EL Lehmann, Fisher, Neyman และการสร้างสถิติแบบดั้งเดิม Springer (2011), บทที่ 2


นี่เป็นข้อพิสูจน์ที่น่าอัศจรรย์! ฉันหวังเป็นอย่างยิ่งว่าคุณจะพบข้อความนี้แม้ว่าจะเป็นเวลาหลายปีแล้วก็ตาม ในขั้นตอนที่หกของการพิสูจน์นี้ฉันเชื่อว่ามีข้อผิดพลาด Cos ^ -2 (theta) = (1 + tan ^ 2 (theta)) ไม่ใช่สิ่งที่ตรงกันข้าม สวดมนต์มีวิธีแก้ง่าย ๆ ?
— คนที่กระตือรือร้นคณิตศาสตร์

@Math ขอบคุณสำหรับคำพูดของคุณ ฉันไม่พบข้อผิดพลาดในขั้นตอนที่ 6 บางทีคุณพยายามอ่าน " " (ซึ่งหมายถึงพลังของ ) ราวกับว่ามันหมายถึง " "? cos−2⁡(θ)−2cos⁡(θ)(ArcCos⁡(θ))2
— whuber

1
ฉันใช้ข้อมูลประจำตัวอย่างง่าย ๆเพื่ออนุมานว่าในบรรทัดที่ 5 . แต่ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ในบรรทัดที่ 6, 1) สิ่งนี้ขัดแย้งกับการอ้างว่าองค์ประกอบที่แตกต่างเท่ากับsec2θ=tan2θ+1cosθ=(tan2θ+1)−1/2cos−2θ=sec2θ=(tan2θ+1)(tan2θ+1)−1
— ผู้ที่ชื่นชอบทางคณิตศาสตร์

@ คณิตศาสตร์ขอบคุณ - คุณพูดถูก ฉันมีคะแนนที่แก้ไข (6) และ (7) เพื่อแก้ไขพีชคณิต
— whuber

1
เฮ้โล่งอกจริงๆ! สุขสันต์วันหยุดให้คุณ
— ผู้ที่ชื่นชอบคณิตศาสตร์

1

ฉันจะลองเปลี่ยนตัวแปร ชุดและตัวอย่างเช่น ดังนั้น ,2} จากนั้น. ที่ไหนเป็นเมทริกซ์จาโคเบียนสำหรับฟังก์ชันหลายตัวแปรของและของและYจากนั้นคุณสามารถรวมออกจากความหนาแน่นของรอยต่อ , ,และY=ZWsX=ZZ=XW=sX2Y2fX,Y(x,y)=fZ,W(x,sx2y2)|det(J)|JZWXYx∂Z∂X=1∂Z∂Y=0∂W∂X=2sXY2∂W∂Y=−2sX2Y33}

J=(10∗−2sX2Y3)

ดังนั้น3} ฉันเอาดูที่องค์ประกอบของการกระจายทฤษฎีโดยโทมัสเอ Severini และมีพวกเขาใช้เวลา W การรวมสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกันง่ายขึ้นโดยใช้คุณสมบัติของการแจกแจงแบบ Gaama ถ้าฉันใช้ฉันอาจต้องเติมกำลังสองให้เสร็จ|det(J)|=2sx2y3X=WX=Z

แต่ฉันไม่ต้องการคำนวณ


1
ฉันไม่ได้ลงคะแนนคุณในความเป็นจริงฉันเพิ่งโหวตคุณ แต่ฉันคิดว่าบางที downvote มาถึงก่อนการแก้ไขของคุณ
— Monolite

ขออภัยที่ฉันจะต้องระวังจากนี้ไป
— ztyh
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.