เมื่อและอย่างอิสระ


12

Y X ∼ χ 2 ( n - 1 ) Y ∼ เบต้า( nXและมีการกระจายตัวแปรสุ่มแบบอิสระโดยที่และขวา) การกระจายของคืออะไร?YX∼χ(n−1)2Y∼Beta(n2−1,n2−1)Z=(2Y−1)X

ความหนาแน่นรอยต่อของได้รับจาก(X,Y)

fX,Y(x,y)=fX(x)fY(y)=e−x2xn−12−12n−12Γ(n−12)⋅yn2−2(1−y)n2−2B(n2−1,n2−1)1{x>0,0<y<1}

การใช้การเปลี่ยนแปลงของตัวแปรเช่นนั้นและ ,(X,Y)↦(Z,W)Z=(2Y−1)XW=X

ฉันได้ความหนาแน่นร่วมของตาม(Z,W)

fZ,W(z,w)=e−w22wn−3(14−z24w2)n2−22n−12Γ(n−12)B(n2−1,n2−1)1{w>0,|z|<w}

ไฟล์ PDF ส่วนขอบของนั้นคือ ซึ่งไม่ได้นำพาฉันไปทุกที่ฉZ ( Z ) = ∫ ∞ | z | f Z , W ( z , w )ZfZ(z)=∫|z|∞fZ,W(z,w)dw

อีกครั้งในขณะที่ค้นหาฟังก์ชันการกระจายของฟังก์ชันเบต้า / แกมม่าที่ไม่สมบูรณ์จะปรากฏขึ้น:Z

FZ(z)=Pr(Z≤z)

=Pr((2Y−1)X≤z)=∬(2y−1)x≤zfX,Y(x,y)dxdy

การเปลี่ยนแปลงตัวแปรที่เหมาะสมที่นี่คืออะไร? มีวิธีอื่นในการค้นหาการกระจายตัวของZหรือไม่?

ฉันพยายามใช้ความสัมพันธ์ที่แตกต่างกันระหว่างการกระจาย Chi-Squared, Beta, 'F' และ 't' แต่ดูเหมือนจะไม่มีอะไรทำงาน บางทีฉันอาจขาดอะไรบางอย่างที่ชัดเจน


ตามที่กล่าวถึงโดย @Francis การแปลงนี้เป็นลักษณะทั่วไปของการแปลง Box-Müller


4
ดูเหมือนการแปลงรูปแบบ Box-Muller ทั่วไป
— ฟรานซิส

คำตอบ:


10

นี่คือหลักฐานเชิงพีชคณิต ฉันจะไปแทนให้ (ไม่ยืด) เพื่อที่เราจะต้องพบ X ทั้งหมดนี้รับประกันว่าเป็นความหนาแน่นที่ถูกต้องดังนั้นฉันจะไม่ติดตามค่าคงที่การทำให้เป็นมาตรฐาน เรามี ให้และดังนั้นการแปลงผกผันคือและ12 สิ่งนี้ทำให้เรา{1} สิ่งนี้ทำให้เรา X∼χn−1Z:=(2Y−1)X

fX,Y(x,y)∝xn−2e−x2/2[y(1−y)]n/2−21{0<x,0<y<1}.
Z=(2y−1)XW=Xx(z,w)=wy(z,w)=z+w2w=z2w+12|J|=12w
fZ,W(z,w)∝wn−1e−w2/2[z+w2w(1−z+w2w)]n/2−21{0<w,−1<zw<1}
∝we−w2/2(w2−z2)n/2−21{|z|<w}.
ดังนั้น
fZ(z)∝∫w>|z|we−w2/2(w2−z2)n/2−2dw.

เพื่ออำนวยความสะดวกให้n ทวีคูณทั้งสองข้างด้วยเพื่อรับ ตอนนี้ขอดังนั้นDW นี่ทำให้เรา เนื่องจากอินทิกรัลสุดท้ายไม่ได้ขึ้นอยู่กับเราจึงแสดงให้เห็นว่าดังนั้น m=n/2−2ez2/2

ez2/2fZ(z)∝∫|z|∞we−(w2−z2)/2(w2−z2)mdw.
2u=w2−z2du=wdw
ez2/2fZ(z)∝2m∫0∞ume−udu=2mΓ(m+1).
zez2/2fZ(z)∝1
Z∼N(0,1).

1
+1 ฉันดีใจที่คุณกู้คืนคำตอบนี้เพราะมันครอบคลุมค่าทั้งหมดของไม่ใช่แค่อินทิกรัล n
— whuber

@ เมื่อไรขอบคุณฉันใส่แทนและฉันใช้เวลาสักครู่เพื่อคิดออกว่าทำไมฉันถึงได้รับพฤติกรรมแปลก ๆ เมื่อแปลกz2−w2w2−z2n
— jld

9

2Y−1มีการกระจายเหมือนหนึ่งพิกัดของการแจกแจงแบบสม่ำเสมอบนทรงกลมn−1 ; มีการแจกแจงของผลรวมของกำลังสองของ iid มาตรฐานตัวแปรปกติ และปริมาณสองอย่างนี้เป็นอิสระ ทางเรขาคณิตมีการแจกแจงของพิกัดเดียวนั่นคือมันจะต้องมีการแจกแจงแบบปกติมาตรฐานXn−1(2Y−1)X

(อาร์กิวเมนต์นี้ใช้กับอินทิกรัล )n=2,3,4,…

หากคุณต้องการความเชื่อมั่นเชิงตัวเลข (ซึ่งฉลาดเสมอเพราะสามารถเปิดเผยข้อผิดพลาดในการใช้เหตุผลและการคำนวณ) ให้จำลอง:

รูปที่แสดงฮิสโตแกรมสี่รายการสำหรับ n = 2,3,4,5

ข้อตกลงระหว่างผลการจำลองและอ้างว่าการกระจายปกติมาตรฐานเป็นที่ยอดเยี่ยมในช่วงของค่านี้nn

ทดลองเพิ่มเติมด้วยRรหัสที่สร้างแปลงเหล่านี้หากคุณต้องการ

n.sim <- 1e5
n <- 2:5
X <- data.frame(Z = c(sapply(n, function(n){
  y <- rbeta(n.sim, n/2-1, n/2-1)  # Generate values of Y
  x <- rchisq(n.sim, n-1)          # Generate values of X
  (2*y - 1) * sqrt(x)              # Return the values of Z
})), n=factor(rep(n, each=n.sim)))

library(ggplot2)
#--Create points along the graph of a standard Normal density
i <- seq(min(z), max(z), length.out=501)
U <- data.frame(X=i, Z=dnorm(i))

#--Plot histograms on top of the density graphs
ggplot(X, aes(Z, ..density..)) + 
  geom_path(aes(X,Z), data=U, size=1) +
  geom_histogram(aes(fill=n), bins=50, alpha=0.5) + 
  facet_wrap(~ n) + 
  ggtitle("Histograms of Simulated Values of Z",
          paste0("Sample size ", n.sim))

1
ขอบคุณ @ ปากแข็ง มันไม่สำคัญว่าพารามิเตอร์มีความสอดคล้องมิฉะนั้นข้อสรุปไม่ถูกต้อง ฉันจะแก้ไข
— whuber

3

ในฐานะผู้ใช้ @Chaconne ได้ทำไปแล้วฉันก็สามารถให้การพิสูจน์เกี่ยวกับพีชคณิตกับการเปลี่ยนแปลงนี้โดยเฉพาะ ฉันไม่ได้ข้ามรายละเอียดใด ๆ


(เรามีเพื่อให้ความหนาแน่นของนั้นถูกต้อง)n>2Y

ขอให้เราพิจารณาการเปลี่ยนแปลงเช่นที่และ X(X,Y)↦(U,V)U=(2Y−1)XV=X

ซึ่งหมายความและขวา)x=vy=12(uv+1)

ตอนนี้และ ,x>0⟹v>00<y<1⟹−v<u<v

เพื่อให้การสนับสนุนของสองตัวแปรเป็นเพียง\}(U,V)S={(u,v):0<u2<v<∞,u∈R}

ค่าสัมบูรณ์ของจาโคเบียนของการเปลี่ยนแปลงคือ{V}}|J|=12v

ความหนาแน่นรอยต่อของจึงเป็น(U,V)

fU,V(u,v)=e−v2vn−12−1(uv+1)n2−2(12−u2v)n2−2Γ(n−2)(2v)2n−12+n2−2Γ(n−12)(Γ(n2−1))21S

=e−v2vn−42(v+u)n2−2(v−u)n2−2Γ(n−2)22n−32+n2−2(v)n−4Γ(n−12)(Γ(n−22))21S

ตอนนี้ใช้สูตรการทำซ้ำของ Legendre

Γ(n−2)=2n−3πΓ(n−22)Γ(n−22+12)=2n−3πΓ(n−22)Γ(n−12)ที่ 2n>2

ดังนั้นสำหรับ ,n>2

fU,V(u,v)=2n−3e−v2(v−u2)n2−2π23n−72Γ(n2−1)1S

ไฟล์ PDF ส่วนขอบของนั้นถูกกำหนดโดยU

fU(u)=12n−12πΓ(n2−1)∫u2∞e−v2(v−u2)n2−2dv

=e−u222n−12πΓ(n2−1)∫0∞e−t2t(n2−1−1)dt

=12n−12π(12)n2−1e−u22

=12πe−u2/2,u∈R

2

นี้เป็นมากกว่าคำตอบที่กล่องสีดำ (เช่นรายละเอียดเกี่ยวกับพีชคณิตจะหายไป) โดยใช้Mathematica ในระยะสั้นเป็น @whuber ระบุคำตอบก็คือการกระจายตัวของคือการกระจายปกติมาตรฐานZ

(* Transformation *)
f = {(2 y - 1) Sqrt[x], Sqrt[x]};
sol = Solve[{z == (2 y - 1) Sqrt[x], w == Sqrt[x]}, {x, y}][[1]]
(*{x -> w^2,y -> (w+z)/(2 w)} *)
(* Jacobian *)
J = D[f, {{x, y}}]

(* Joint pdf of Z and W *)
{jointpdf, conditions} = FullSimplify[PDF[BetaDistribution[n/2 - 1, n/2 - 1], y] 
  PDF[ChiSquareDistribution[n - 1], x] Abs[Det[J]] /. sol,
  Assumptions -> {w >= 0, 0 <= y <= 1}][[1, 1]]

(* Integrate over W *)
Integrate[jointpdf Boole[conditions], {w, 0, \[Infinity]}, Assumptions -> {n > 2, z == 0}]
(* 1/Sqrt[2 \[Pi]] *)

Integrate[jointpdf Boole[conditions], {w, 0, \[Infinity]}, Assumptions -> {n > 2, z > 0}]
(* Exp[-(z^2/2)]/Sqrt[2 \[Pi]] *)

Integrate[jointpdf Boole[conditions], {w, 0, \[Infinity]}, Assumptions -> {n > 2, z < 0}]
(* Exp[-(z^2/2)]/Sqrt[2 \[Pi]] *)

1

ไม่ใช่คำตอบต่อ seแต่อาจคุ้มค่าที่จะชี้ให้เห็นการเชื่อมต่อกับการแปลง Box-Muller

พิจารณาการเปลี่ยนแปลงกล่อง-Mullerที่(0,1) เราสามารถแสดงให้เห็นว่าคือU บนมืออื่น ๆ ที่เราสามารถแสดงให้เห็นว่ามีสถานที่ตั้งขนาดการกระจาย arcsineซึ่งเห็นด้วยกับการกระจายตัวของ2ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงกล่องมุลเลอร์เป็นกรณีพิเศษเมื่อ 3Z=−2ln⁡Usin⁡(2πV)U,V∼U(0,1) −ln⁡U∼Exp⁡(1)−2ln⁡U∼χ22 sin⁡(2πV)2B⁡(1/2,1/2)−1(2Y−1)Xn=3

ที่เกี่ยวข้อง :

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