Опуклість функції PDF та CDF стандартної нормальної випадкової змінної


10

Будь ласка, надайте доказ того, що опукло . Тут та є стандартними нормальними PDF та CDF відповідно.Q(x)=x2+xϕ(x)Φ(x)∀x>0ϕΦ

КРОКИ ДОПУСКІ

1) КАЛКУЛЬНИЙ МЕТОД

Я спробував метод обчислення і маю формулу для другого похідного, але не в змозі показати, що він позитивний . Будь ласка, дайте мені знати, якщо вам потрібні додаткові деталі.∀x>0

Нарешті,

Let Q(x)=x2+xϕ(x)Φ(x)
∂Q(x)∂x=2x+x[−xϕ(x)Φ(x)−{ϕ(x)Φ(x)}2]+ϕ(x)Φ(x)
∂Q(x)∂x|x=0=ϕ(0)Φ(0)>0
∂2Q(x)∂x2=2+xϕ(x)[−Φ2(x)+x2Φ2(x)+3xϕ(x)Φ(x)+2ϕ2(x)Φ3(x)]+2[−xϕ(x)Φ(x)−{ϕ(x)Φ(x)}2]
=2+ϕ(x)[x3Φ2(x)+3x2ϕ(x)Φ(x)+2xϕ2(x)−3xΦ2(x)−2ϕ(x)Φ(x)Φ3(x)]
=[2Φ3(x)+x3Φ2(x)ϕ(x)+3x2ϕ2(x)Φ(x)+2xϕ3(x)−3xΦ2(x)ϕ(x)−2ϕ2(x)Φ(x)Φ3(x)]
Let, K(x)=2Φ3(x)+2xϕ3(x)+Φ2(x)ϕ(x)x[x2−3]+ϕ2(x)Φ(x)[3x2−2]
K(0)=14−12π>0
Для . Для , x≥3,K(x)>0x∈(0,3)
K′(x)=6Φ2(x)ϕ(x)+2ϕ3(x)−6x2ϕ3(x)+2Φ(x)ϕ2(x)[x3−3x]−Φ2(x)ϕ(x)[x4−3x2]+Φ2(x)ϕ(x)[3x2−3]−2ϕ2(x)Φ(x)[3x3−2x]+ϕ3(x)[3x2−2]+ϕ2(x)Φ(x)6x
K′(x)=6Φ2(x)ϕ(x)−3Φ2(x)ϕ(x)+2ϕ3(x)−2ϕ3(x)+6xΦ(x)ϕ2(x)−6xΦ(x)ϕ2(x)+3x2Φ2(x)ϕ(x)+3x2Φ2(x)ϕ(x)+2x3Φ(x)ϕ2(x)−6x3Φ(x)ϕ2(x)+3x2ϕ3(x)−6x2ϕ3(x)+4xΦ(x)ϕ2(x)−x4Φ2(x)ϕ(x)
=3Φ2(x)ϕ(x)+6x2Φ2(x)ϕ(x)+4xΦ(x)ϕ2(x)−3x2ϕ3(x)−x4Φ2(x)ϕ(x)−4x3Φ(x)ϕ2(x)
=ϕ(x)[3Φ2(x)+x{6xΦ2(x)−3xϕ2(x)−x3Φ2(x)+4Φ(x)ϕ(x)[1−x2]}]

2) ГРАФІЧНИЙ / ЧИСЛОВИЙ МЕТОД

Я також зміг це побачити чисельно і візуально, побудувавши графіки, як показано нижче; але було б корисно мати належний доказ.

введіть тут опис зображення

Відповіді:


9

Покажемо, що друга похідна додатна для . По-перше, ми повинні знати, як диференціювати та .Qx≥0Φϕ

За визначенням,

ddxΦ(x)=ϕ(x)=12πexp⁡(−x2/2).
Диференціація ще раз дає

ddxϕ(x)=−xϕ(x).

Застосування цього результату до іншої похідної дохідності

d2dx2ϕ(x)=(−1+x2)ϕ(x).

Використовуючи ці результати, поряд із звичайним продуктом та коефіцієнтом норми диференціації ми знаходимо чисельник другої похідної - це сума шести доданків. (Цей результат був отриманий приблизно в середині запитання.) Зручно розташувати умови в три групи:

Φ(x)3d2dx2Q(x)=2xϕ(x)3+3x2ϕ(x)2Φ(x)+x3ϕ(x)Φ(x)2+Φ(x)(−2ϕ(x)2−3xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2).

Оскільки є щільністю ймовірності, вона є негативною, як і функція розподілу . Таким чином, лише третій член може бути негативним, коли . Його знак такий же, як і у другого фактора,ϕΦx≥0

R(x)=−2ϕ(x)2−3xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2.

Існує багато способів показати, що цей фактор не може бути негативним. Потрібно відзначити це

R(0)=−2ϕ(0)+2Φ(0)=1−2π>0.

Диференціація - за допомогою тих же простих прийомів, що і раніше - дає

ddxR(x)=ϕ(x)(xϕ(x)+(1+3x2)Φ(x))

що явно позитивно для . Тому є зростаючою функцією на проміжку . Її мінімум повинен бути при , доводячи для всіх .x≥0R(x)[0,∞)R(0)>0R(x)>0x≥0

Ми показали, що має позитивну другу похідну для , QED .Qx≥0


1
Дякую @whuber, що чудова відповідь. Велика вдячність за вашу допомогу. Я намагався щось подібне і хотів би роздушити негативні терміни, використовуючи позитивні умови, але ще не спробував комбінації, яку ви спробували вище. Був радий бачити ваш результат.
— texmex
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.