Jak obliczyć oczekiwanie na ?


12

Jeśli jest wykładniczo rozłożone z parametrem i są wzajemnie niezależne, to czego oczekujemyXiλ X i(i=1,...,n)λXi

(∑i=1nXi)2

pod względem i i ewentualnie innych stałych?λnλ

Uwaga: to pytanie ma matematyczną odpowiedź na /math//q/12068/4051 . Czytelnicy też na to spojrzą.


5
Dwie kopie tego pytania odnoszą się do siebie nawzajem i odpowiednio, strona statystyk (tutaj) ma odpowiedź statystyczną, a strona matematyki ma odpowiedź matematyczną. Wydaje się, że to dobry podział: niech się stanie!
— whuber

Odpowiedzi:


31

Jeśli , to (pod niezależnością), , więc jest rozproszone w gamma (patrz wikipedia ). Potrzebujemy tylko . Ponieważ , wiemy, że . Dlatego ( oczekiwanie i wariancja rozkładu gamma można znaleźć na Wikipedii ).y = ∑ x i ∼ G a m m a ( n , 1 / λ ) y E [ y 2 ] V a r [ y ] = E [ y 2 ] - E [ y ] 2 E [ y 2 ] = V a r [xi∼Exp(λ)y=∑xi∼Gamma(n,1/λ)yE[y2]Var[y]=E[y2]−E[y]2 E [ y 2 ] = n / λ 2 + n 2 / λ 2 = n ( 1 + n ) / λ 2E[y2]=Var[y]+E[y]2E[y2]=n/λ2+n2/λ2=n(1+n)/λ2


Dzięki. Bardzo schludny sposób odpowiedzi na pytanie (prowadzący do tej samej odpowiedzi) został również podany na math.stackexchange (link powyżej w pytaniu) kilka minut temu.
— Wolfgang

2
Odpowiedź matematyczna oblicza całki przy użyciu liniowości oczekiwań. Pod pewnymi względami jest to prostsze. Ale podoba mi się twoje rozwiązanie, ponieważ wykorzystuje wiedzę statystyczną : ponieważ znasz sumę niezależnych zmiennych wykładniczych ma rozkład gamma, gotowe.
— whuber

1
Bardzo mi się podobało i w żadnym wypadku nie jestem statystykiem ani matematykiem.
— Kortuk

bardzo elegancka odpowiedź.
— Cyrus S

1
@Dilip Matematyk uważa to pytanie za prośbę o całkę i przechodzi bezpośrednio do jej zintegrowania. Statystyk wyraża to ponownie w kategoriach znanych wielkości statystycznych, takich jak wariancja, i znanych zależności statystycznych, takich jak wykładnicza to Gamma, a rodzina Gamma jest zamknięta w trakcie splotu. Odpowiedzi są takie same, ale podejścia są zupełnie inne. Następnie pojawia się pytanie, co tak naprawdę oznacza „robienie integracji”. Na przykład ta skomplikowana całka jest wykonywana czysto algebraicznie.
— whuber

9

Powyższa odpowiedź jest bardzo ładna i całkowicie odpowiada na pytanie, ale zamiast tego przedstawię ogólną formułę oczekiwanego kwadratu sumy i zastosuję ją do konkretnego przykładu wymienionego tutaj.

Dla dowolnego zestawu stałych jest faktema1,...,an

(∑i=1nai)2=∑i=1n∑j=1naiaj

dotyczy to właściwości Distributionive i staje się jasne, gdy weźmiesz pod uwagę to, co robisz, obliczając ręcznie .(a1+...+an)⋅(a1+...+an)

Dlatego dla próbki zmiennych losowych , niezależnie od rozkładów,X1,...,Xn

E([∑i=1nXi]2)=E(∑i=1n∑j=1nXiXj)=∑i=1n∑j=1nE(XiXj)

pod warunkiem, że te oczekiwania istnieją.

W przykładzie z problemu są zmiennymi losowymi iid , co mówi nam, że i dla każdego . Niezależnie, dla mamyX1,...,Xnexponential(λ)E(Xi)=1/λvar(Xi)=1/λ2ii≠j

E(XiXj)=E(Xi)⋅E(Xj)=1λ2

W sumie jest tych terminów. Kiedy , mamyn2−ni=j

E(XiXj)=E(Xi2)=var(Xi)+E(Xi)2=2λ2

w sumie jest tych terminów. Dlatego przy użyciu powyższego wzorun

E(∑i=1nXi)2=∑i=1n∑j=1nE(XiXj)=(n2−n)⋅1λ2+n⋅2λ2=n2+nλ2

jest twoja odpowiedź.


3

Problem ten jest tylko szczególnym przypadkiem znacznie bardziej ogólnego problemu „momentów momentów”, które są zwykle definiowane w kategoriach notacji sumy mocy. W szczególności w notacji sumy mocy:

s1=∑i=1nXi

Następnie, niezależnie od dystrybucji , oryginalny plakat szuka (pod warunkiem, że istnieją chwile). Ponieważ operator oczekiwań to dopiero pierwszy nieprzetworzony moment, rozwiązanie podano w oprogramowaniu mathStatica przez:E[s12]

wprowadź opis zdjęcia tutaj

[„___ToRaw” oznacza, że ​​chcemy, aby rozwiązanie zostało przedstawione w kategoriach nieprzetworzonych momentów populacji (zamiast powiedzieć momenty centralne lub kumulanty). ]

Na koniec, jeśli ~ wykładniczy ( ) z pdf :λ f ( x )Xλf(x)

f = Exp[-x/λ]/λ;      domain[f] = {x, 0, ∞} && {λ > 0};

następnie możemy zastąpić momenty w ogólnym rozwiązaniu rzeczywistymi wartościami wykładniczej zmiennej losowej, takimi jak:μisol

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Wszystko gotowe.


PS Powodem, dla którego inne zamieszczone tutaj rozwiązania dają odpowiedź z w mianowniku, a nie w liczniku, jest oczywiście to, że używają innej parametryzacji rozkładu wykładniczego. Ponieważ OP nie określił, której wersji używa, postanowiłem użyć standardowej definicji podręcznika teorii dystrybucji Johnson Kotz i in.… Tylko po to, żeby to zrównoważyć :)λ2

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.