12

XY独立地分布的随机变量,其中Xχ(n1)2YBeta(n21,n21)Z=2Y1的分布是什么Z=(2Y1)X

联合密度(X,Y)由下式给出

fX,Y(x,y)=fX(x)fY(y)=ex2xn1212n12Γ(n12)yn22(1y)n22B(n21,n21)1{x>0,0<y<1}

使用变量(X,Y)(Z,W),使得Z=(2Y1)XW=X

我得到的联合密度(Z,W)

fZ,W(z,w)=ew22wn3(14z24w2)n222n12Γ(n12)B(n21,n21)1{w>0,|z|<w}

的边缘PDF 是然后 ˚F Žż = &Integral; | z | f Z Wz w Z,它不会带我到任何地方。fZ(z)=|z|fZ,W(z,w)dw

同样,在找到的分布函数时,出现了不完整的beta /γ函数:Z

FZ(z)=Pr(Zz)

=Pr((2Y1)Xz)=(2y1)xzfX,Y(x,y)dxdy

这里变量的适当变化是什么?还有另一种方法可以找到的分布吗?Z

我尝试使用Chi-Squared,Beta,“ F”和“ t”分布之间的不同关系,但似乎无济于事。也许我缺少明显的东西。


如@Francis所述,此转换是Box-Müller转换的概括。


4
看起来像Box-Muller变换的一般化
弗朗西斯

Answers:


10

这是代数证明。我将改为让(不平方),以便我们需要找到。所有这些都保证是有效的密度,因此我不会跟踪归一化常数。我们有 令和因此逆变换为和。这给我们。这导致我们 ž = 2 Ý - 1 X ˚F X ÿX ÿ α X ñ - 2 ë - X 2 / 2 [ ý 1 - Ý ] ñ / 2 - 2 1 { 0 < x Xχn1Z:=(2Y1)XZ=2y1XW=Xxzw=wyzw= z + w

fX,Y(x,y)xn2ex2/2[y(1y)]n/221{0<x,0<y<1}.
Z=(2y1)XW=Xx(z,w)=w | J| =1y(z,w)=z+w2w=z2w+12 ˚FŽw ^Ž瓦特α瓦特ñ-1ë-瓦特2/2[ ž + 瓦特|J|=12wα瓦特ë-瓦特2/2瓦特2-Ž2ñ/2-21{| z| <w}˚FŽżα&Integral;瓦特>| z| 瓦特ë-瓦特2/2瓦特2-Ž2ñ/
fZ,W(z,w)wn1ew2/2[z+w2w(1z+w2w)]n/221{0<w,1<zw<1}
wew2/2(w2z2)n/221{|z|<w}.
因此
fZ(z)w>|z|wew2/2(w2z2)n/22dw.

为方便起见,让。将两侧乘以得到 现在让因此。这使我们得到 由于此最终积分不依赖于,因此我们证明,因此 m=n/22ez2/2

ez2/2fZ(z)|z|we(w2z2)/2(w2z2)mdw.
2u=w2z2du=wdw
ez2/2fZ(z)2m0umeudu=2mΓ(m+1).
zez2/2fZ(z)1
ZN(0,1).

1
+1。我很高兴您恢复了这个答案,因为它涵盖了所有值,而不仅仅是整数。n
ub

@whuber谢谢,我以某种方式放了而不是,这花了我一段时间才弄清楚为什么当为奇数时我会变得怪异z2w2w2z2n
jld

9

2Y1一个均匀分布的坐标在球面上分布n1;具有 iid标准正态变量的平方和的分布;这两个量是独立的。在几何上具有一个坐标的分布:也就是说,它必须具有标准的正态分布。Xn1(2Y1)X

(此参数适用于整数。)n=2,3,4,

如果您需要一些数字说服力(这总是明智的,因为它可以发现推理和计算中的错误),请模拟:

该图显示了n = 2、3、4、5时的四个直方图

在结果的值范围内,模拟结果与要求的标准正态分布之间的一致性非常好。n

R如果愿意,可以进一步尝试使用生成这些图的代码。

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
谢谢@Stubborn。参数是否一致确实很重要,否则结论是错误的。我会解决的。
ub

3

由于用户@Chaconne已经完成,因此我可以通过此特定转换提供代数证明。我没有跳过任何细节。


(我们已经有的密度才有效)。n>2Y

让我们考虑改造,使得和。(X,Y)(U,V)U=(2Y1)XV=X

这意味着和。x=vy=12(uv+1)

现在,和,x>0v>00<y<1v<u<v

因此的二元支持就是。(U,V)S={(u,v):0<u2<v<,uR}

变换的雅可比行列式的绝对值为。|J|=12v

因此联合密度为(U,V)

fU,V(u,v)=ev2vn121(uv+1)n22(12u2v)n22Γ(n2)(2v)2n12+n22Γ(n12)(Γ(n21))21S

=ev2vn42(v+u)n22(vu)n22Γ(n2)22n32+n22(v)n4Γ(n12)(Γ(n22))21S

现在,使用Legendre的复制公式,

Γ(n2)=2n3πΓ(n22)Γ(n22+12)=2n3πΓ(n22)Γ(n12)其中。n>2

因此,对于,n>2

fU,V(u,v)=2n3ev2(vu2)n22π23n72Γ(n21)1S

的边缘PDF由下式给出U

fU(u)=12n12πΓ(n21)u2ev2(vu2)n22dv

=eu222n12πΓ(n21)0et2t(n211)dt

=12n12π(12)n21eu22

=12πeu2/2,uR

2

使用Mathematica,这更像是一个黑匣子答案(即,缺少代数细节)。简而言之,如@whuber所述,答案是的分布是标准正态分布。Z

(* 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

本身不是一个答案,但是可能值得指出与Box-Muller变换的联系。

考虑Box-Muller变换,其中。我们可以显示,即。另一方面,我们可以证明具有位置比例反正弦分布,该分布与。这意味着当时,Box-Muller变换是的特例。ÜVù01-LNù精通1-2LNüχ 2 22πV21/21/212Y1Z=2lnUsin(2πV)U,VU(0,1) lnUExp(1)2lnUχ22 sin(2πV)2B(1/2,1/2)1 n=3(2Y1)Xn=3

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