pdf ของผลิตภัณฑ์ของตัวแปรสุ่มอิสระสองตัวคือปกติและไคสแควร์


17

pdf ของผลิตภัณฑ์ของตัวแปรสุ่มอิสระ X และ Y คืออะไรหาก X และ Y เป็นอิสระ X คือการแจกแจงแบบปกติและ Y เป็นการแจกแจงแบบไคสแควร์

Z = XY

ถ้าXมีการแจกแจงปกติ

XN(μx,σx2)
fX(x)=1σx2πe12(xμxσx)2
และYมีการกระจาย Chi-square กับkระดับของเสรีภาพ
Yχk2
fY(y)=y(k/2)1ey/22k/2Γ(k2)u(y)
whreu(y)เป็นฟังก์ชั่นหน่วยขั้นตอน

ทีนี้ pdf ของคืออะไรถ้าXและYเป็นอิสระ?ZXY

วิธีหนึ่งในการหาคำตอบคือใช้ผลลัพธ์ที่รู้จักกันดีของ Rohatgi (1976, p.141) หากเป็น pdf ร่วมของXและYของ RV ต่อเนื่อง, ไฟล์ PDF ของZคือ f Z ( z ) = - 1fXY(x,y)XYZ

fZ(z)=1|y|fXY(zy,y)dy

ตั้งแต่และYเป็นอิสระf X Y ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) f ZXYfXY(x,y)=fX(x)fY(y) f Z ( z ) = 1

fZ(z)=1|y|fX(zy)fY(y)dy
ที่เราต้องเผชิญกับปัญหาของการแก้ปัญหาการหนึ่ง01
fZ(z)=1σx2π12k/2Γ(k2)01|y|e12(zyμxσx)2y(k/2)1ey/2dy
Y ทุกคนสามารถช่วยฉันด้วยปัญหานี้01|y|e12(zyμxσx)2y(k/2)1ey/2dy

มีวิธีอื่นในการแก้ปัญหานี้หรือไม่?


2
ขั้นตอนสุดท้ายนั้นดูไม่ถูกต้องนัก " "ดูเหมือนจะหมายถึงfXแต่ - ที่สำคัญกว่า - คุณไม่สามารถเปลี่ยนขีด จำกัด ล่างเป็น0 ได้: คุณต้องแยกอินทิกรัลเป็นสองตัวแยกกันที่0เปลี่ยนy-yสำหรับช่วงลบ และจากนั้นรวมทั้งสองเข้าด้วยกันฉันเชื่อว่านี่อาจทำให้การรวมกลุ่มเป็นไปได้ง่าย ๆ : ดูเหมือนว่าจะเป็นการรวมกันเชิงเส้นของฟังก์ชัน hypergeometric ทั่วไปfXYfX00yy
whuber

ใช่นั่นเป็นความผิดพลาดควรเป็นfX(zfZY(zy) ) fX(zy)
robin

แต่ผมคิดว่าการเปลี่ยนวงเงินที่ต่ำกว่า 0 ถูกต้องเพราะเป็นฟังก์ชั่นได้ที่( 0 , )ซึ่งถูกระบุด้วยฟังก์ชั่นขั้นตอนหน่วยU ( Y ) fY(y)(0,)u(y)
robin

ฉันไม่ได้รับการฝึกอบรมเกี่ยวกับการคำนวณประเภทนี้อีกต่อไป แต่ดูเหมือนว่ามันจะเป็นไปได้ที่จะปิดท้ายด้วยสูตรปิด หากคุณต้องการสิ่งนี้สำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้งานได้จริงฉันคิดว่าคุณควรมุ่งเน้นที่ "วิธีการคำนวณอย่างมีประสิทธิภาพ"
เอลวิส

4
มีแรงจูงใจสำหรับคำถามนี้หรือไม่? ปกติแบ่งออกโดยเป็นนักเรียนทีแต่ทำไมคุณจะพิจารณาปกติคูณหรือแบ่งแยกออกจากกันโดยχ 2 ? χtχ2
ซีอาน

คำตอบ:


1

simplify the term in the integral to

T=e12((zyμxσx)2y)yk/22

ค้นหาพหุนามp(y) such that

[p(y)e12((zyμxσx)2y)]=p(y)e12((zyμxσx)2y)+p(y)[12((zyμxσx)2y)]e12((zyμxσx)2y)=T

which reduces to finding p(y) such that

p(y)+p(y)[12((zyμxσx)2y)]=yk/22

or

p(y)12p(y)(zμxσx2y2z2σx2y31)=yk/22

which can be done evaluating all powers of y seperately


edit after comments

Above solution won't work as it diverges.

Yet, some others have worked on this type of product.

Using Fourrier transform:

Schoenecker, Steven, and Tod Luginbuhl. "Characteristic Functions of the Product of Two Gaussian Random Variables and the Product of a Gaussian and a Gamma Random Variable." IEEE Signal Processing Letters 23.5 (2016): 644-647. http://ieeexplore.ieee.org/document/7425177/#full-text-section

For the product Z=XY with XN(0,1) and YΓ(α,β) they obtained the characteristic function:

φZ=1βα|t|αexp(14β2t2)Dα(1β|t|)

with Dα Whittaker's function ( http://people.math.sfu.ca/~cbm/aands/page_686.htm )

Using Mellin transform:

Springer and Thomson have described more generally the evaluation of products of beta, gamma and Gaussian distributed random variables.

Springer, M. D., and W. E. Thompson. "The distribution of products of beta, gamma and Gaussian random variables." SIAM Journal on Applied Mathematics 18.4 (1970): 721-737. http://epubs.siam.org/doi/10.1137/0118065

They use the Mellin integral transform. The Mellin transform of Z is the product of the Mellin transforms of X and Y (see http://epubs.siam.org/doi/10.1137/0118065 or https://projecteuclid.org/euclid.aoms/1177730201). In the studied cases of products the reverse transform of this product can be expressed as a Meijer G-function for which they also provide and prove computational methods.

They did not analyze the product of a Gaussian and gamma distributed variable, although you might be able to use the same techniques. If I try to do this quickly then I believe it should be possible to obtain an H-function (https://en.wikipedia.org/wiki/Fox_H-function ) although I do not directly see the possibility to get a G-function or make other simplifications.

M{fY(x)|s}=2s1Γ(12k+s1)/Γ(12k)

and

M{fX(x)|s}=1π2(s1)/2σs1Γ(s/2)

you get

M{fZ(x)|s}=1π232(s1)σs1Γ(s/2)Γ(12k+s1)/Γ(12k)

and the distribution of Z is:

fZ(y)=12πicic+iysM{fZ(x)|s}ds

which looks to me (after a change of variables to eliminate the 232(s1) term) as at least a H-function

what is still left is the puzzle to express this inverse Mellin transform as a G function. The occurrence of both s and s/2 complicates this. In the separate case for a product of only Gaussian distributed variables the s/2 could be transformed into s by substituting the variable x=w2. But because of the terms of the chi-square distribution this does not work anymore. Maybe this is the reason why nobody has provided a solution for this case.


1
... which yields ...?
wolfies

it gives the antiderivative of the term in the integral that is to be solved according to the question
Sextus Empiricus

It is unclear what progress this analysis represents. Do you obtain a solution or not?
whuber

Finding the coefficients of the polynomial p(y) (which closes the solution) is a tedious, but straightforward, task which I left open. I will soon enter some examples for some k.
Sextus Empiricus
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.