Funkcja generowania momentu wewnętrznego iloczynu dwóch losowych wektorów gaussowskich


9

Czy ktoś może zasugerować, jak mogę obliczyć funkcję generującą moment wewnętrznego iloczynu dwóch losowych wektorów Gaussa, z których każdy jest rozłożony jako N.(0,σ2)), niezależne od siebie? Czy jest dostępny jakiś standardowy wynik? Każdy wskaźnik jest bardzo ceniony.

Odpowiedzi:


19

Najpierw zajmijmy się tą sprawą Σ=σja. Na koniec jest (łatwe) uogólnienie na arbitralneΣ.

Zacznij od obserwowania iloczynu wewnętrznego jest sumą zmiennych iid, z których każda jest iloczynem dwóch niezależnych normalnych(0,σ) zmienia się, redukując w ten sposób pytanie do znalezienia mgf tego ostatniego, ponieważ mgf sumy jest iloczynem mgfs.

MGF można znaleźć przez integrację, ale istnieje łatwiejszy sposób. KiedyX i Y są standardowe normalne,

XY=((X+Y)/2)2−((X−Y)/2)2

jest różnicą dwóch niezależnych skalowanych wariantów chi-kwadrat. (Współczynnik skali wynosi1/2 ponieważ wariancje (X±Y)/2 równy 1/2.) Ponieważ mgf zmiennej chi-kwadrat wynosi 1/1−2ω, mgf z ((X+Y)/2)2 jest 1/1−ω i mgf z -((X-Y)/2))2) jest 1/1+ω. Mnożąc, stwierdzamy, że pożądany mgf jest równy1/1-ω2).

(W celu późniejszego wykorzystania zwróć uwagę, że kiedy X i Y są przeskalowane przez σ, ich produkt skaluje się według σ2)skąd ω powinien być skalowany według σ2), też.)

Powinno to wyglądać znajomo: do pewnych stałych czynników i znaku, wygląda jak gęstość prawdopodobieństwa dla rozkładu t Studenta0stopnie swobody. (Rzeczywiście, gdybyśmy pracowali z charakterystycznymi funkcjami zamiast mgfs, otrzymalibyśmy1/1+ω2), który jest jeszcze bliżej pliku PDF ucznia.) Nieważne, że nie ma czegoś takiego jak Student t 0 dfs - liczy się tylko to, że mgf są analityczne w sąsiedztwie 0 i to wyraźnie jest (według twierdzenia dwumianowego).

Wynika z tego natychmiast, że rozkład produktu wewnętrznego tych iidów Gaussa n-wektory ma mgf równe n-fold produkt tego mgf,

(1-ω2)σ4)-n/2),n=1,2),….

Przez patrząc charakterystyczną funkcją t rozkładów Studenta wnosimy (z odrobiną algebry lub integracji, aby znaleźć stałą normalizujące), że sama PDF jest dana przez

fan,σ(x)=2)1-n2)|x|n-12)K.n-12)(|x|σ2))πσ4Γ(n2))

(K. jest funkcją Bessela).

Na przykład tutaj jest wykres tego pliku PDF nałożonego na histogram losowej próbki 105 takie produkty wewnętrzne gdzie σ=1/2) i n=3):

Histogram

Trudniej jest potwierdzić dokładność mgf z symulacji, ale zauważ (z twierdzenia dwumianowego), że

(1+t2)σ4)-3)/2)=1-3)σ4t2)2)+15σ8t48-35σ12t616+315σ16t8128+…,

z których możemy odczytać momenty (podzielone przez silnie). Ze względu na symetrię około0, ważne są tylko parzyste momenty. Dlaσ=1/2) otrzymujemy następujące wartości, które należy porównać z nieprzetworzonymi momentami tej symulacji:

 k    mgf           simulation/k!
 2    0.09375       0.09424920
 4    0.00732422    0.00740436
 6    0.00053406    0.00054128
 8    0.00003755    0.00003674
10    2.58 e-6      2.17 e-6

Jak można się spodziewać, wysokie momenty symulacji zaczną odchodzić od momentów podanych przez mgf; ale przynajmniej do dziesiątej chwili panuje doskonała zgoda.


Nawiasem mówiąc, kiedy n=2) rozkład jest dwuwykładniczy.


Aby poradzić sobie z ogólnym przypadkiem, zacznij od zauważenia, że ​​iloczyn wewnętrzny jest obiektem niezależnym od współrzędnych. Możemy zatem przyjąć główne kierunki (wektory własne)Σjako współrzędne. W tych współrzędnych iloczyn wewnętrzny jest sumą niezależnych iloczynów niezależnych zmiennych normalnych, przy czym każdy składnik jest rozłożony z wariancją równą powiązanej wartości własnej. A zatem niech będą niezerowe wartości własneσ12),σ2)2),…,σre2) (z 0≤re≤n), mgf musi być równe

(∏ja=1re(1-ω2)σja4))-1/2).

Aby potwierdzić, że nie popełniłem błędu w tym rozumowaniu, opracowałem przykład gdzie Σ jest matrycą

(112)-1812)1-14-18-1412))

i obliczył, że jego wartości własne są

(σ12),σ2)2),σ3)2))=(116(17+65),116(17-65),3)8)≈(1,56639,0,558609,0,375).

Możliwe było obliczenie pliku PDF poprzez liczbową ocenę transformaty Fouriera funkcji charakterystycznej (wyprowadzonej ze wzoru mgf podanego tutaj): wykres tego pliku PDF pokazano na poniższym rysunku jako czerwoną linię. W tym samym czasie wygenerowałem106 iid zmienia się Xja od normalności(0,Σ) dystrybucja i jeszcze jedno 106 iid zmienia się Yja w ten sam sposób i obliczyłem 106 produkty kropkowe Xja⋅Yja. Wykres pokazuje histogram tych produktów punktowych (pomijając niektóre z najbardziej ekstremalnych wartości - zakres pochodzi z-12 do 15):

Histogram i PDF

Tak jak poprzednio umowa jest doskonała. Co więcej, chwile dobrze pasują do ósmej, a nawet do dziesiątej:

 k    mgf           simulation/k!
 2     1.45313       1.45208
 4     2.59009       2.59605
 6     5.20824       5.29333
 8    11.0994       11.3115
10    24.4166       22.9982

Uzupełnienie

(Dodano 9 sierpnia 2013 r.)

fan,σjest przykładem rozkładu wariancji-gamma , który pierwotnie zdefiniowano jako „normalna średnia wariancja-mieszanina, gdzie gęstość mieszania jest rozkładem gamma”. Ma standardową lokalizację (0), parametr asymetrii wynoszący 0 (jest symetryczny), parametr skali σ2)i parametr kształtu n/2) (zgodnie z parametryzacją Wikipedii).


1
Cześć Whuber, wielkie dzięki za szczegółowe wyjaśnienia. Mam jednak jedną wątpliwość. KiedyΣjest ogólnie rzecz biorąc, terminy w rozszerzaniu sumy produktu wewnętrznego nie są już stosowane; stąd mgf sumy nie jest już produktem mgfs. Jak zatem uogólnić powyższą analizę na bardziej ogólną Sigmę?
— abhibhat

Dodałem nową sekcję, aby podać niektóre (łatwe) szczegóły tego uogólnienia, aby wyjaśnić, że nie dotyczy to niczego nowego. Możesz także użyć podstawowych właściwości mgfs, aby zapisać mgf w przypadku, gdy dane mają również niezerowe środki, tym samym rozwiązując problem w pełnej ogólności.
— 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.