pdf produktu dwóch niezależnych jednolitych zmiennych losowych


12

Niech X ~ U(0,2)) i Y ~ U(-10,10) będą dwiema niezależnymi zmiennymi losowymi o danych rozkładach. Jaki jest rozkład V.=XY ?

Próbowałem splotu, wiedząc o tym

h(v)=∫y=-∞y=+∞1yfaY(y)faX(vy)rey

Wiemy również, że faY(y)=120 ,

h(v)=120∫y=-10y=101y⋅12)rey
h(v)=140∫y=-10y=101yrey

Coś mi mówi, że jest tu coś dziwnego, ponieważ jest nieciągły przy 0. Proszę o pomoc.


1
Jeśli jest to pytanie do pracy domowej, czy możesz dodać tag do samodzielnej nauki? Dziękuję Ci!
— Andy,

czy to nie może być jednolity samochód kempingowy?
— Yair Daon,

To nie wygląda jak mundur. może coś z logiem? Ale nie wiem, jak to zapisać, ponieważ zero znajduje się między granicami, a funkcja jest niezdefiniowana na zero.
— cgo

Odpowiedzi:


14

Dobra, rygorystyczna i elegancka odpowiedź została już opublikowana. Cel ten jest w celu uzyskania tego samego wyniku w sposób, który może być bardziej Ujawnienie podstawowej struktury . Pokazuje, dlaczego funkcja gęstości prawdopodobieństwa (pdf) musi być liczbą pojedynczą przy 0 .XY0


Wiele można osiągnąć, koncentrując się na formach dystrybucji komponentów :

  • jest dwukrotnościązmiennej losowej U ( 0 , 1 ) . U ( 0 , 1 ) jest standardową, „ładną” formą charakterystyczną dla wszystkich rozkładów jednorodnych.XU(0,1)U(0,1)

  • jest dziesięć razyzmienną losową U ( 0 , 1 ) .|Y|U(0,1)

  • Znak następuje rozkład Rademacher: jest on równy - 1 lub 1 , każdy z prawdopodobieństwem 1 / 2 .Y-111/2)

(Ten ostatni krok przekształca zmienną nieujemną w rozkład symetryczny wokół , których oba ogony wyglądają jak rozkład pierwotny.)0

Dlatego (a) jest symetryczny około 0, a (b) jego wartość bezwzględna wynosi 2 × 10 = 20- krotność iloczynu dwóch niezależnych zmiennych losowych U ( 0 , 1 ) .XY02)×10=20U(0,1)

Produkty są często upraszczane poprzez logarytmy. Rzeczywiście, dobrze wiadomo, że log ujemny zmiennej ma rozkład wykładniczy (ponieważ jest to najprostszy sposób generowania losowych zmiennych wykładniczych), skąd log ujemny iloczynu dwóch z nich ma rozkład sumy dwóch wykładników. Wykładniczy jest rozkładem Γ ( 1 , 1 ) . Rozkłady gamma z tym samym parametrem skali są łatwe do dodania: wystarczy dodać ich parametry kształtu. A Γ ( 1 , 1 ) plus Γ ( 1U(0,1)Γ(1,1)Γ(1,1) zmienna ma zatem rozkład Γ ( 2 , 1 ) . w konsekwencjiΓ(1,1)Γ(2),1)

Zmienna losowa jest symetryczną wersją 20- krotności wykładniczej wartości ujemnej zmiennej Γ ( 2 , 1 ) .XY20Γ(2),1)

Postać

Konstrukcja pliku PDF z rozkładu U ( 0 , 1 ) jest pokazana od lewej do prawej, przechodząc od munduru, do wykładniczego, do Γ ( 2 , 1 ) , do wykładniczego jego ujemnego , do tej samej rzeczy skalowanej o 20 , i wreszcie symetrycznej wersji tego. Jego PDF jest nieskończony w 0 , potwierdzając tam nieciągłość.XYU(0,1)Γ(2),1)200

Możemy być zadowoleni z zatrzymania się tutaj. Na przykład ta charakterystyka umożliwia nam generowanie bezpośrednio realizacji , jak w tym wyrażeniu:XYR

n <- 1; 20 * exp(-rgamma(n, 2, scale=1)) * ifelse(runif(n) < 1/2, -1, 1)

Analiza ta ujawnia również, dlaczego plik PDF wysadza się w . 0 Ta osobliwość pojawiła się po raz pierwszy, gdy rozważaliśmy wykładniczy (minus) a rozkład Γ ( 2 , 1 ) , odpowiadający pomnożeniu jednego U ( 0 , 1 ) zmiennego przez inny. Wartości w (powiedzmy) ε od 0 powstają na wiele sposobów, w tym (ale nie wyłącznie), gdy (a) jeden z czynników jest mniejszy niż ε lub (b) oba czynniki są mniejsze niż √Γ(2),1)U(0,1)ε0ε . Ten pierwiastek kwadratowy jest ogromnie większy niżsamε, gdyεjest bliskie0. Wymusza to duże prawdopodobieństwo, w kwocie większej niż √εεε0 , aby zostać ściśniętym w przedziale długościε. Aby było to możliwe, gęstość produktu musi stać się dowolnie duża przy0. Kolejne manipulacje - przeskalowanie o współczynnik20i symetryczność - oczywiście nie wyeliminują tej osobliwości.εε020

Ta opisowa charakterystyka odpowiedzi prowadzi również bezpośrednio do formuł z minimalnym zamieszaniem, pokazując, że jest kompletna i rygorystyczna. Na przykład, aby uzyskać pdf , zacznij od elementu prawdopodobieństwa rozkładu Γ ( 2 , 1 ) ,XYΓ(2),1)

fa(t)ret=tmi-tret, 0<t<∞.

Pozostawienie oznacza d t = - d ( log ( z )t=-log⁡(z) i 0 < z < 1 . Ta transformacja również odwraca kolejność: większe wartości t prowadzą do mniejszych wartości z . Z tego powodu musimy zanegować wynik po zmianie, podającret=-re(log⁡(z))=-rez/z0<z<1tz

fa(t)ret=-(-log⁡(z)mi-(-log⁡(z))(-rez/z))=-log⁡(z)rez, 0<z<1.

Współczynnik skali przekształca to na20

-log⁡(z/20)re(z/20)=-120log⁡(z/20)rez, 0<z<20

Wreszcie symetryzacja zastępuje przez | z | , pozwala, aby jej wartości wahały się teraz od - 20 do 20 , i dzieli pdf przez 2, aby równomiernie rozłożyć całkowite prawdopodobieństwo na przedziały ( - 20 , 0 ) i ( 0 , 20 ) :z|z|−20202(−20,0)(0,20)

fXY(z)dz=−12120log⁡(|z|/20), −20<z<20;fXY(z)dz=0 otherwise.

Dziękujemy za próbę uczynienia go bardziej przystępnym. Nadal uważałem to za nieco sprzeczne z intuicją, więc właśnie to wykonałem (podobnie do „symulacji” plot( density( outer(seq(-10,10,length=10),seq(0,2,length=10), "*") ) )Xi'ana ): Zwiększenie długości do 100 pozwala uniknąć niektórych artefaktów dotyczących gęstości na ograniczone rozkłady
— DW

9

W swojej derywacji, nie używać gęstość . Ponieważ X ∼ U ( 0 , 2 ) , f X ( x ) = 1XX∼U(0,2)

fX(x)=12I(0,2)(x)
więc we wzorze splotu (I skorygowane jakobian przez dodanie wartości bezwzględne). Stąd h ( v )
h(v)=120∫−10101|y|⋅12I(0,2)(v/y)dy
Oto potwierdzenie poprzez symulację wyniku:
h(v)=140∫−1001|y|I0≤v/y≤2dy+140∫0101|y|I0≤v/y≤2dy=140∫−1001|y|I0≥v/2≥y≥−10dy+140∫0101|y|I0≤v/2≤y≤10dy=140I−20≤v≤0∫−10v/21|y|dy+140I20≥v≥0∫v/2101|y|dy=140I−20≤v≤0log⁡{20/|v|}+140I0≤v≤20log⁡{20/|v|}=log⁡{20/|v|}40I−20≤v≤20
wprowadź opis zdjęcia tutaj

uzyskane jako

   hist(runif(10^6,0,2)*runif(10^6,10,10),prob=TRUE,
   nclass=789,border=FALSE,col="wheat",xlab="",main="")
   curve(log(20/abs(x))/40,add=TRUE,col="sienna2",lwd=2,n=10^4)

Cześć, dzięki. Chciałbym zapytać, dlaczego granice zmieniły się z -10 na 10 na -10 na v / 2?
— cgo

Czy powinno być gdzieś coś negatywnego? Dzięki
— cgo

1
Odpowiedź wygląda poprawnie, cgo. Zauważ, że kiedy-20<v<20, log⁡(20/|v|)jest pozytywny, ponieważ20/|v|>1. Wykres pokazuje wykres i wyraźnie jest dodatni w całym obrazie domeny. Równoważne wyrażenie to-log⁡(|v|/20), którego wybrałem w swojej odpowiedzi.
— whuber
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.