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統計学実践ワークブック P.21 例1

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1変数の確率密度の変換に関する問題である。

標準正規分布に従う確率密度関数は

$$f_{X}(x) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}}e^{-\frac{x^{2}}{2}}$$

変換後の$\chi^{2}$ 分布に従う確率密度関数を、$f_{Y}(y)$ とする。

自由度1のカイ二乗分布は、標準正規分布に従う $X$ に対する $X^{2}$ の分布であるので

$Y = X^{2}$ と置く。$X$ について解くと

$$y = x^{2}$$
$$x = \pm \sqrt{y}$$

今回は $X>0$ の場合のみを考えるので

$$x: 0 \rightarrow \infty$$
$$y: 0 \rightarrow \infty$$

よって

$$g^{-1}(y)= \sqrt{y}$$

これを $y$ で微分すると

$$\frac{dx}{dy} = \frac{1}{2}y^{-\frac{1}{2}}$$

ここで、確率密度の変換の公式を導出する。

全確率は1となるので

$$\int_{- \infty}^{\infty} f_{Y}(y)dy = \int_{- \infty}^{\infty} f_{X}(x)dx$$

右辺を変形すると

$$\int_{- \infty}^{\infty} f_{X}(x)dx = \int_{- \infty}^{\infty} f_{X}(g^{-1}(y)) \cdot \frac{dx}{dy}dy$$

よって

$$\int_{- \infty}^{\infty} f_{Y}(y)dy = \int_{- \infty}^{\infty} f_{X}(g^{-1}(y)) \cdot \frac{dx}{dy}dy$$

この公式に$f_{X}(x)$ と $g^{-1}(y)$ 、$x$ と $y$ の範囲を代入し

$X>0$ の場合のみを考えるため、確率密度を2倍にすると

$$\int_{0}^{\infty} f_{Y}(y)dy = 2 \int_{0}^{\infty} f_{X}(\sqrt{y}) \cdot \frac{1}{2}y^{-\frac{1}{2}}dy$$

計算すると

$$f_{Y}(y) = 2 \cdot f_{X}(\sqrt{y}) \cdot \frac{1}{2}y^{-\frac{1}{2}}$$
$$= f_{X}(\sqrt{y}) \cdot y^{-\frac{1}{2}}$$
$$= \frac{1}{\sqrt{2 \pi}}e^{-\frac{y}{2}} \cdot \frac{1}{\sqrt{y}}$$
$$= \frac{1}{\sqrt{2 \pi y}}e^{-\frac{y}{2}}$$

よって、$\chi^{2}$ 分布に従う確率密度関数は

$$f_{Y}(y) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi y}}e^{-\frac{y}{2}}$$

と求まる。

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