Jak obliczyć


41

Załóżmy, że ϕ(⋅) i Φ(⋅) są funkcją gęstości i funkcją rozkładu standardowego rozkładu normalnego.

Jak obliczyć całkę:

∫−∞∞Φ(w−ab)ϕ(w)dw

5
Wszystko w porządku. Wczesne odniesienie do bardziej ogólnego wyniku, który obejmuje ten, to Ellison (1964, J.Am.Stat.Assoc, 59, 89-95); patrz wniosek 1 Twierdzenia 2.

Odpowiedzi:


48

Bardziej konwencjonalną notacją jest

y(μ,σ)=∫Φ(x−μσ)ϕ(x)dx=Φ(−μ1+σ2).

Można to znaleźć, różnicując całkę względem i σ , tworząc całki elementarne, które można wyrazić w postaci zamkniętej:μσ

∂y∂μ(μ,σ)=−12πσ2+1e−12μ2σ2+1,

∂y∂σ(μ,σ)=μσ2π(σ2+1)3/2e−12μ2σ2+1.

System ten może być włączone, począwszy od stanu początkowego = ∫ cp ( x ) φ ( x ) d x = 1 / 2 , w celu uzyskania danego rozwiązania (która jest łatwo sprawdzić różnicowania).y(0,1)∫Φ(x)ϕ(x)dx1/2


4
Dwukrotnie sprawdziłem odpowiedź za pomocą całkowania numerycznego i obrysowania współczynników dla , 0 < σ ≤ 2 : zgodność dotyczy jedenaście znaczących liczb w tym zakresie. −2≤μ≤20<σ≤2)
— whuber

wow, sprytne rozwiązanie.
— Cam.Davidson.Pilon

2
Myślę, że można to zrobić prawie przez inspekcję. Pierwszy termin w całce jest jednorodną zmienną losową [0,1]. Ponieważ normalny pdf jest symetryczny, całka powinna wynosić 12)
— soakley,

1
@ soakley Twoje podejście działa dla , ale nie jest jasne, w jaki sposób miałoby zastosowanie do innych argumentów y . y(0,1)y
— whuber

1
@whuber Przepraszamy za brak zrozumienia, ale kiedy mamy już dwie zamknięte formularze dla pochodnej i warunek początkowy, jak przejść od tego do ostatecznego rozwiązania? Innymi słowy, co zrobiłeś z wyrażeniami w formie zamkniętej dla pochodnych i warunku początkowego?
— user106860,

63

Niech i Y będą niezależnymi normalnymi zmiennymi losowymi z X ∼ N ( a , b 2 ), a Y standardową normalną zmienną losową. Następnie P { X ≤ Y ∣ Y = w } = P { X ≤ w } = Φ ( w - aXYX∼N.(za,b2))YTak więc, stosując prawo całkowitego prawdopodobieństwa, otrzymujemy, że P{X≤Y}=∫ ∞ - ∞ P{X≤Y∣Y=w}ϕ(w)

P{X≤Y∣Y=w}=P{X≤w}=Φ(w−ab).
Teraz P { X ≤ Y } = P { X - Y ≤ 0 } można wyrazić w kategoriach Φ ( ⋅ ) , zwracając uwagę, że X - Y ∼ N ( a , b 2 + 1 ) , a zatem otrzymujemy ∫ ∞ - ∞ Φ ( w - a
P{X≤Y}=∫−∞∞P{X≤Y∣Y=w}ϕ(w)dw=∫−∞∞Φ(w-zab)ϕ(w)rew.
P.{X≤Y}=P.{X-Y≤0}Φ(⋅)X-Y∼N.(za,b2)+1) który jest taki sam jak wynik w odpowiedzi Whubera.
∫−∞∞Φ(w−ab)ϕ(w)dw=Φ(−ab2+1)

2

Oto inne rozwiązanie: definiujemy

ja(γ)=∫-∞∞Φ(ξx+γ)N.(x|0,σ2))rex,
γ=-ξμja(γ)ja(0)=0γ
rejareγ=∫-∞∞N.((ξx+γ)|0,1)N.(x|0,σ2))rex=∫-∞∞12)πexp⁡(-12)(ξx+γ)2))12)πσ2)exp⁡(-x2)2)σ2))rex.
(ξx+γ)2+x2σ2=(ξ2+σ−2)⏟=ax2+−2γξ⏟=bx+γ2⏟=c=a(x−b2a)2+(c−b24a)(c−b24a)=γ2−4γ2ξ24(ξ2+σ−2)=γ2(1−ξ2ξ2+σ−2)=γ2(11+ξ2σ2)
dIdγ=12πσexp⁡(−12(c−b24a))2πa∫−∞∞a2πexp⁡(−12a(x−b2a)2)dx=12πσexp⁡(−12(c−b24a))2πa=12πσ2aexp⁡(−12(c−b24a))=12π(1+σ2ξ2)exp⁡(−12γ21+ξ2σ2)

I(γ)=∫−∞γ12π(1+σ2ξ2)exp⁡(−12z21+ξ2σ2)dz=Φ(γ1+ξ2σ2)

co implikuje

∫−∞∞Φ(ξx)N(x|μ,σ2)dx=I(ξμ)=Φ(ξμ1+ξ2σ2).

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.