• Nem Talált Eredményt

Többdimenziós transzformált változók

Ha(ξk)nk=1 az(Ω,A,P)téren értelmezett valószín˝uségi változók, ésgazRn téren értelmezett folytonos függvény, akkor az

η$g(ξ1, . . . ,ξn)

összefüggéssel definiált függvény szintén valószín˝uségi változó. Hogyan lehet megha-tározni azηeloszlását?

8.2.1. Tétel. Ha f a(ξ1, . . . ,ξk)vektor s˝ur˝uségfüggvénye, emellett (η1, . . . ,ηk)$ϕ(ξ12, . . . ,ξk),

továbbá a T$ϕ−1függvény létezik és differenciálható, akkor az(η1, . . . ,ηk) s˝ur˝uség-függvénye

h(x1, . . . ,xk) $ f

ϕ−1(x1, . . . ,xn)

det d

dxϕ−1(x1, . . . ,xn)

=

= f(T(x1, . . . ,xn))

det d

dxT(x1, . . . ,xn)

.

Bizonyítás:A többdimenziós integráltranszformációs tétel alapján mindenBesetén8 P((η12, . . .ηk)∈B)$

$P((ϕ11, . . . ,ξk), . . . ,ϕk1, . . . ,ξk))∈B) =

=P

1, . . . ,ξk)∈ϕ−1(B)

=P((ξ1, . . . ,ξk)∈T(B)) =

= Z

T(B)f dλk= Z

Bf(T) det T0

k,

feltéve persze, hogy a tétel feltételei teljesülnek, vagyis aT$ϕ−1létezik és differen-ciálható. Vagyisf(T)|det(T0)|az(ηi)vektor s˝ur˝uségfüggvénye.

Az alkalmazásokban azηiváltozók száma általában kevesebb, mint aξiváltozók szá-ma. Ilyenkor aϕfüggvényt „kiegészítjük“, majd peremeloszlásokra térünk át. Ezt mu-tatja, a következ˝o példa:

8.2.2. Példa. Határozzuk meg az összeg, a szorzat és a hányados s˝ur˝uségfüggvényét.

8Akárcsak az integráltranszformációs tételben aBpontos karakterizációját most sem tisztázzuk.

1. Összeg: Ilyenkor

ϕ(x,y) = (x+y,y)$(u,v). ϕ−1(u,v) = (u−v,v) = (x,y).

Legyenξ s˝ur˝uségfüggvényeh,és η s˝ur˝uségfüggvénye pedig legyen g.Haξ és η függetlenek, akkor a (ξ,η) pár együttes s˝ur˝uségfüggvénye f(x,y) =h(x)g(y). A (ξ+η,η)s˝ur˝uségfüggvénye

Aξ+ηeloszlása az els˝o peremeloszlás, vagyis aξ+ηs˝ur˝uségfüggvénye Z

−∞h(u−v)g(v)dv.

Haξésηnem függetlenek, akkor az összeg s˝ur˝uségfüggvénye k(u) =

Z

−∞f(u−v,v)dv.

Azonnal látható, hogyw=u−vhelyettesítéssel Z amely egybevág avval, hogy az összeadás kommutatív.

2. Szorzat. Ilyenkor

ϕ(x,y) = (xy,y)$(u,v). ϕ−1(u,v) = (u/v,v) = (x,y).

Haξésηfüggetlenek, akkor f(T)

Aξ ηeloszlása az els˝o peremeloszlás, vagyis aξ ηs˝ur˝uségfüggvénye Z

Ha a változók nem függetlenek, akkor a szorzat s˝ur˝uségfüggvénye Z

−∞fu v,v 1

|v|dv.

Ilyenkorw=u/vhelyettesítéssel v= u kép-z˝odik. Ezért a határokat fel kell cserélni. Ilyenkoru=|u|és ezért

Z kép-z˝odik. Ilyenkor|u|=−u

Z

A szabály összhangban áll azzal, hogy a szorzat is kommutatív.

3. Hányados. Ilyenkor

ϕ(x,y) = (x/y,y)$(u,v).

ϕ−1(u,v) = (u·v,v) = (x,y). Haξésηfüggetlenek, akkor

f(T)

Aξ/ηeloszlása az els˝o peremeloszlás, vagyis aξ/ηs˝ur˝uségfüggvénye Z

−∞h(uv)g(v)|v|dv.

Ha nem függetlenek, akkorR−∞ f(uv,v)|v|dv.Ekkorw=uvhelyettesítéssel, hau po-zitív, akkor a határokat nem kell módosítani

dw

dv =u⇒dv=dw u ,

és

Z

−∞f(uv,v)|v|dv= Z

−∞f w,w

u w u

dw u , ami egybevág avval, hogy az osztás nem kommutatív.

8.2.3. Példa. Számoljuk ki a Laplace-eloszlás s˝ur˝uségfüggvényét.

Haξésηfüggetlenλ paraméter˝u exponenciális eloszlású valószín˝uségi változók, ak-kor aξ−ηeloszlását Laplace-eloszlásnak mondjuk. Ha valamelyζváltozó eloszlás-függvényeF(x),akkor

P(−ζ<x) = P(ζ>−x) =1−P(ζ≤ −x) =

= 1−F(−x+0).

Ezt deriválva ha f(x)aζs˝ur˝uségfüggvénye, akkor a−ζ s˝ur˝uségfüggvényef(−x), vagyis aζs˝ur˝uségfüggvényének azy-tengelyre való tükrözése. A konvolúciós szabály miatt aλparaméter˝u Laplace-eloszlás s˝ur˝uségfüggvénye

h(z) = λ2 Z

−∞exp(−λy)χ(0,∞)(y)exp(λ(z−y))χ(−∞,0)(z−y)dy=

= λ2 Z

0 exp(−λy)exp(λ(z−y))χ(−∞,0)(z−y)dy=

= λ2exp(λz) Z

0

exp(−2λy)χ(−∞,0)(z−y)dy.

Haz>0,akkor

h(z) = λ2exp(λz) Z

z

exp(−2λy)dy=

= λ2exp(λz)

exp(−2λy)

−2λ

z

=

= λ

2exp(λz)exp(−2λz) =λ

2exp(−λz). Haz<0,akkor

h(z) = λ2exp(λz) Z

0

exp(−2λy)dy=

= λ2exp(λz) 1 2λ =λ

2exp(λz). A két oldalt egy képletbe összefogva

h(z) =λ

2exp(−λ|z|).

8.2.4. Példa. Számoljuk ki az összeg várható értékét.

Ha ξ és η nem feltétlenül függetlenek, akkor az összeg s˝ur˝uségfüggvénye R

A bizonyításban kulcsszerepet játszott az integrálok felcserélhet˝osége. Korábban már többször jeleztük, hogy ez mindig megtehet˝o, ha az integrandus nem negatív. Itt általá-ban ez nem teljesül. Közvetett módon azonáltalá-ban a negatív és a pozitív részeket szétvá-lasztva a gondolatmenetet négyszer megismételve és kihasználva, hogy a várható érték létezése azt jelenti, hogy a pozitív és a negatív rész mindegyike végesen integrálható, a gondolatmenet pontosítható9.

8.2.5. Példa. Számoljuk ki aξ ηszorzat várható értékét.

A korábbi példából aξ ηs˝ur˝uségfüggvénye h(u) =

Z

−∞fu v,v 1

|v|dv.

A várható érték képlete alapján E(ξ η) =

9Valójában a bizonyítást fordítva kell olvasni, ugyanis a pontos állítás az, hogy amennyiben létezik aξés az η(véges) várható értéke, akkor az összegnek is létezik a (véges) várható értéke, és az a várható értékek összege lesz. Vagyis a várható értékek összevonhatóak. A várható érték azonban elvileg nem feltétlenül szedhet˝o szét.

A bels˝o integrálbanu/v=zhelyettesítést végezve és kihasználva, hogydu/dz=v E(ξ η) =

Z

−∞

Z

−∞vz f(z,v)|v|

|v|dzdv=

= Z

−∞

Z

−∞vz f(z,v)dzdv,

ami éppen a transzformált valószín˝uségi változók várható értékére vonatkozó képlet.

A számolás során kihasználtuk, hogy havnegatív, akkor a helyettesítés során az in-tegrálás iránya megváltozik, és így változatlan integrációs határok mellett adu=vdz helyettesítés helyett adu=|v|dzhelyettesítést kell alkalmazni. Vegyük észre, hogy a bizonyítás els˝o felében az integrálokat csak akkor lehet felcserélni, ha a|ξ η| változó-nak létezik várható értéke, ami persze ekvivalens avval, hogy aξ ηszorzatnak létezik várható értéke. Haξésηfüggetlenek, akkor

E(ξ η) = Z

−∞

Z

−∞vzg(z)r(v)dzdv=

= Z

−∞vr(v) Z

−∞zg(z)dzdv=

= Z

−∞vr(v)E(ξ)dv=E(ξ) Z

−∞vr(v)dv=

= E(ξ)E(η).

Diszkrét változók esetén a transzformációs formula igazolása lényegében azonos mó-don végezhet˝o el. Ilyenkor hapi j$P(ξ=i,η=j),akkor

P(ξ η=k) =

l

plk/l ahol értelemszer˝uenplk/l=0,ha ak/lnem egész.

E(ξ η) =

k

kP(ξ η=k) =

k

k

l

plk/l=

=

k

l

k plk/l=

i

j

i j pi j.

A NORMÁLIS ELOSZLÁS ÉS BARÁTAI

Ebben a fejezetben a standard normális eloszlás és a bel˝ole származtatható eloszlásokat tekintjük át. A standard normális eloszlás s˝ur˝uségfüggvénye

ϕ(x) = 1

√2πexp

−x2 2

.

A standard normális eloszlás várható értéke nulla, a szórása pedig egy. AzN(µ,σ) eloszlást, vagyis aµ várható érték˝u ésσ szórású normális eloszlást azη=σ ξ+µ transzformációval kaphatjuk, ahol értelemszer˝uen aξeloszlásaN(0,1). Azy=σx+ µ függvény inverzex= (y−µ)/σ.A transzformált változók s˝ur˝uségfüggvényének képlete alapján azN(µ,σ)eloszlás s˝ur˝uségfüggvénye1

f(x) =ϕµ,σ(x) = 1 σ

√2πexp −(x−µ)22

! .

Független normális eloszlású valószín˝uségi változók összege szintén normális elosz-lású, ahol a várható értékek összeadódnak és a szórások a

q

σ2122 képlet szerint alakulnak. Ennek igazolása, mármint hogy az összeg normális eloszlású, viszonylag kö-rülményes és a legegyszer˝ubben a karakterisztikus függvények segítségével végezhet˝o el. Egy viszonylag átlátható közvetlen igazolás a következ˝o: Legyenekξ1ésξ2 függet-len standard normális eloszlású változók. Be kell látni, hogy aσ1ξ112ξ22 eloszlása szintén normális. Ehhez elég belátni, hogy azη$σ1ξ12ξ2 összeg el-oszlása normális, ugyanis a konstans hozzáadása nem módosítja a normalitást. A kon-volúciós formula direkt használata hosszú számolást eredményez, ezért egy közvetlen utat választunk:

P(η<z) = P(σ1ξ12ξ2<z) =

= 1

2π Z Z

σ1x+σ2y<zexp

−x2+y2 2

dxdy.

Az integrandus körszimmetrikus, így az integrál értéke csak attól függ, hogy aσ1x+ σ2y=zegyenes az origótól milyen távolságra van, ugyanis alkalmas módon elforgatva a síkot, azσ1x+σ2y<zfélsík egyy<cfélsíkba megy át, ahol acértéke éppen aσ1x+

σ2y=zegyenesnek az origótól való (el˝ojeles) távolságával egyezik meg. Könnyen

1Illik hangsúlyozni, hogy az irodalomban azN(µ,σ)jelölés nem egyértelm˝u. Gyakran találkozhatunk azN µ,σ2jelöléssel is, amit a többdimenziós eloszlás kapcsán használt formalizmussal való kompatibilitás indokol.

kiszámolható, hogy az egyenes az origótól c=z/

ahol aΦa standard normális eloszlás eloszlásfüggvénye. Így az összegσ$ q

σ2122 szórással és nulla várható értékkel rendelkez˝o normális eloszlású változó. A távolság értékére azonban nincs szükség, elég azt tudni, hogy actávolság azlineáris függvénye.

Ebb˝ol a normalitás már következik, és a szórásra vonatkozó képlet pedig már általános megfontolások alapján is nyilvánvaló.

9.1. Normális eloszlású változók szimulálása

Érdemes felidézni, hogy ha ξ eloszlása egyenletes a [0,1] intervallumon, és η $ F−1(ξ),aholFegy folytonos, szigorúan monoton növeked˝o eloszlásfüggvény, akkor

P(η<x)$P

F−1(ξ)<x

=P(ξ<F(x)) =F(x),

vagyis azηeloszlásfüggvényeF. Megfordítva, haηeloszlásfüggvényeFés 0<x<1, akkor

vagyis ilyenkorF(η)eloszlása egyenletes. Ez az összefüggés számos eloszlás generá-lását teszi lehet˝ové.

9.1.1. Példa. Exponenciális eloszlású változó generálása.

LegyenF(x) =1−exp(−λx).Ebb˝ol

F−1(y) =−λ−1ln(1−y). Haξegyenletes a[0,1]-en, akkor az 1−ξis az, így az

η$−λ−1lnξ eloszlásaλ paraméter˝u exponenciális.

9.1.2. Példa. Cauchy-eloszlású változó szimulálása.

Haηegy Cauchy-eloszlású valószín˝uségi változó, akkorηs˝ur˝uségfüggvénye f(x) = 1

π 1+x2. Ebb˝ol az eloszlásfüggvénye

F(x) = 1

Haξegyenletes a[0,1]szakaszon, akkor azη$tanπ(ξ−1/2)Cauchy-eloszlású.

Mivel a standard normális eloszlás s˝ur˝uségfüggvénye

ϕ(x) = 1

ezért a standard normális eloszlás eloszlásfüggvénye Φ(x) = 1

Az el˝oz˝oek alapján kézenfekv˝onek látszik, hogy azN(0,1)változók szimulálására a Φ−1(y)függvényt használjuk. Azonban ennek kiszámolása bonyolult, így ritkán hasz-nálatos. Az alább bemutatott módszert szokás Box–Müller módszernek is mondani.

9.1.3. Tétel. Haδ12független, a(0,1)intervallumon egyenletes eloszlású változók, akkor a

ξ$p

−2 lnδ1cos(2π δ2), η$p

−2 lnδ1sin(2π δ2) változók függetlenek, és aξésηváltozók eloszlása N(0,1).

Bizonyítás:A módszer igazolása céljából vegyünk két függetlenN(0,1)változót, és a(ξ,η)párt tekintsük azR2 sík véletlenül kiválasztott pontjának. Mivel a változók függetlenek, ezért az együttes s˝ur˝uségfüggvényük a s˝ur˝uségfüggvények szorzata

f(x,y) = 1

Mi történik, ha(ρ,ϕ)polárkoordinátákra térünk át? Legyen T(ρ,ϕ)$ρ(cosϕ,sinϕ) = (ξ,η)

a polárkoordinátákról való visszatérést megadó inverz leképezés. AT az origón kívül, vagyis aρ>0 tartományon injektív, és az origótól eltekintve teljesíti az integráltransz-formációs tétel feltételeit.

det T0 Az el˝oz˝o fejezet alapján polárkoordinátákban a s˝ur˝uségfüggvény

s(r,ϕ) =f(T)

vagyis a polárkoordinátákra való áttérés után aρ sugár és aϕszög függetlenek. Aϕ szög a(0,2π)intervallumban egyenletes eloszlású, aρ sugár eloszlásának s˝ur˝uség-függvénye pedig

g(r) =rexp

−r2/2 .

A gondolatmenet megfordítható: ha a(ρ,ϕ)pár eloszlása éppen ilyen, akkor a(ξ,η) két független normális eloszlást definiál. Normális eloszlású változók szimulálása tehát visszavezethet˝o egy egyenletes, és egyrexp −r2/2

s˝ur˝uségfüggvény˝u változó szi-mulálására. Haδ a(0,1)intervallumon egyenletes eloszlású, akkor aρ$√

−2 lnδ amely s˝ur˝uségfüggvénye éppen azrexp −r2/2

.