标准正态随机变量的PDF和CDF函数的凸性


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请提供证明是凸。这里,和分别是标准的普通PDF和CDF。X>0φΦQ(x)=x2+xϕ(x)Φ(x)X>0ϕΦ

尝试的步骤

1)计算方法

我已经尝试了演算方法,并为第二个导数提供了一个公式,但是无法证明它是正。如果您需要更多详细信息,请告诉我。X>0

最后, QX

Let Q(x)=x2+XϕXΦX
Q X
Q(x)X=2X+X[-XϕXΦX-{ϕXΦX}2]+ϕXΦX
2 QX
XX|X=0=ϕ0Φ0>0
2XX2=2+XϕX[-Φ2X+X2Φ2X+3XϕXΦX+2ϕ2XΦ3X]+2[-XϕXΦX-{ϕXΦX}2]
=2+ϕX[X3Φ2X+3X2ϕXΦX+2Xϕ2X-3XΦ2X-2ϕXΦXΦ3X]
设, ķX=2Φ3X+2Xφ3X+Φ2
=[2Φ3X+X3Φ2XϕX+3X2ϕ2XΦX+2Xϕ3X-3XΦ2XϕX-2ϕ2XΦXΦ3X]
K
让, ķX=2Φ3X+2Xϕ3X+Φ2XϕXX[X2-3]+ϕ2XΦX[3X2-2]
ķ0=1个4-1个2π>0
对于X3ķX>0。对于X03
ķX=6Φ2XϕX+2ϕ3X-6X2ϕ3X+2ΦXϕ2X[X3-3X]-Φ2XϕX[X4-3X2]+Φ2XϕX[3X2-3]-2ϕ2XΦX[3X3-2X]+ϕ3X[3X2-2]+ϕ2XΦX6X
ķX=6Φ2XϕX-3Φ2XϕX+2ϕ3X-2ϕ3X+6XΦXϕ2X-6XΦXϕ2X+3X2Φ2XϕX+3X2Φ2XϕX+2X3ΦXϕ2X-6X3ΦXϕ2X+3X2ϕ3X-6X2ϕ3X+4XΦXϕ2X-X4Φ2XϕX
=3Φ2XϕX+6X2Φ2XϕX+4XΦXϕ2X-3X2ϕ3X-X4Φ2XϕX-4X3ΦXϕ2X
=ϕ(x)[3Φ2(x)+x{6xΦ2(x)3xϕ2(x)x3Φ2(x)+4Φ(x)ϕ(x)[1x2]}]

2)图形/数值方法

通过绘制如下图,我也能够从数字和视觉上看到它。但是拥有适当的证明会有所帮助。

在此处输入图片说明

Answers:


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让我们证明对的二阶导数是正的。首先,我们需要知道如何区分和。Qx0Φϕ

根据定义,

ddxΦ(x)=ϕ(x)=12πexp(x2/2).
再次与众不同

ddxϕ(x)=xϕ(x).

将此结果应用于另一个衍生收益

d2dx2ϕ(x)=(1+x2)ϕ(x).

使用这些结果,再加上通常的乘积和商的微分规则,我们发现二阶导数的分子是六个项的总和。(此结果是在问题的中间获得的。) 将术语分为三组很方便:

Φ(x)3d2dx2Q(x)=2xϕ(x)3+3x2ϕ(x)2Φ(x)+x3ϕ(x)Φ(x)2+Φ(x)(2ϕ(x)23xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2).

因为是概率密度,所以它是非负数,分布函数也是如此。因此,当时,只有第三项可能为负。它的符号与第二个因子的符号相同,ϕΦx0

R(x)=2ϕ(x)23xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2.

有很多方法可以表明该因素不能为负。一是要注意

R(0)=2ϕ(0)+2Φ(0)=12π>0.

使用与以前相同的简单技术进行区分

ddxR(x)=ϕ(x)(xϕ(x)+(1+3x2)Φ(x))

对于,它显然是正的。因此,是区间的递增函数。它的最小值必须为,证明所有。x0R(x)[0,)R(0)>0R(x)>0x0

我们已经证明对于,QED具有正二阶导数。Qx0


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谢谢@whuber,这是一个很好的答案。非常感谢您的帮助。我正在尝试类似的尝试,并希望通过使用正词来压抑否定词,但还没有尝试过您上面尝试过的组合。很高兴看到您的结果。
texmex 2015年
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