Який розподіл суми неіідних гауссових змінних?


36

Якщо X розподілено N(μX,σX2) , Y розподілено N(μY,σY2) і Z=X+Y , я знаю, що Z розподілено N(μX+μY,σX2+σY2) якщо X і Y незалежні.

Але що буде, якби X і Y не були незалежними, тобто (X,Y)≈N((μXμY),(σX2σX,YσX,YσY2))

Чи вплине це на спосіб розподілу суми ?Z


7
Просто хотілося б відзначити, що всі види спільних розподілів інший , ніж двовимірним нормальним , що до сих пір X і Y незначно нормально. І ця відмінність мала б величезну зміну у відповідях. (X,Y) XY

2
@ G.JayKerns Я погоджуюся, що якщо і Y є нормальними, але не обов'язково спільно нормальними, то X + Y може мати поширення, відмінне від нормального. Але твердження ОП, що " Z розподілено N ( μ x + μ y , σ 2 x + σ 2 y ), якщо X і Y незалежні". абсолютно правильно. Якщо X іXYX+YZN(μx+μy,σx2+σy2)XYXYє гранично нормальними (як сказано в першій частині речення) та незалежними (згідно з припущенням у другій частині речення), тоді вони також є спільними нормальними. У питанні про ОП нормальність суглобів передбачається явно, тому будь-яка лінійна комбінація і Y є нормальною. XY
— Діліп Сарват

3
@Dilip, дозвольте мені зрозуміти, що в питанні немає нічого поганого, і немає нічого поганого у вашій відповіді (+1) (або ймовірності, або (+1)). Я просто вказував, що якщо і Y залежні, то це не обов'язково, щоб вони були спільно нормальними, і не було зрозуміло, що ОП розглядала таку можливість. Крім того, я боюся (хоча я не витрачав багато часу на роздуми), що без якихось інших припущень (як, наприклад, спільної нормальності) питання може бути навіть невиправданим. XY

5
Як згадує @ G.JayKerns, ми, звичайно, можемо отримати всіляку цікаву поведінку, якщо розглядати нормально розподілені норми, але не спільно. Ось простий приклад: Нехай бути стандартним нормальним і ε = ± 1 з ймовірністю 1/2 кожне, незалежно від X . Нехай Y = е X . Тоді Y також є нормальним нормальним, але Z = X + Y точно дорівнює нулю з вірогідністю 1/2 і дорівнює 2 X з вірогідністю 1/2. Xε=±1XY=εXYZ=X+Y2X
— кардинал

4
Ми можемо отримати цілу різноманітність різних форм поведінки, розглядаючи біваріантну копулу, яка пов'язана з через теорему Скляра . Якщо ми використовуємо копулу Гаусса, то отримуємо ( X , Y ) спільно нормальні, і тому Z = X + Y нормально розподіляється. Якщо копула не є гауссова копула, то X і Y все ще незначно розподілені як нормальні, але не є спільно нормальними, і тому сума не буде нормально розподілена. (X,Y)(X,Y)Z=X+YXY
— кардинальний

Відповіді:


30

Дивіться мій коментар щодо вірогідності відповіді на це питання . Тут , деσХ,Yявляє собоюковаріаціїзXіY. Ніхто не записує позадіагональні записи в матриці коваріації якσ 2 x y, як ви це зробили. Позадіагональні записи - це коваріації, які можуть бути негативними.

X+Y∼N(μX+μY,σX2+σY2+2σX,Y)aX+bY∼N(aμX+bμY,a2σX2+b2σY2+2abσX,Y)
σX,YXYσxy2

1
@Kodiologist Дякую! Я здивований, що друкарські помилки залишалися непоміченими більше 4 років.
— Діліп Сарват

29

dX∼Nd(μ,Σ)μ=(μ1,…,μd)TΣjk=cov(Xj,Xk)j,k=1,…,d

φX(t)=E[exp⁡(itTX)]=exp⁡(itTμ−12tTΣt)
=exp⁡(i∑j=1dtjμj−12∑j=1d∑k=1dtjtkΣjk)

For a one-dimensional normal variable Y∼N1(μY,σY2) we get:

φY(t)=exp⁡(itμY−12t2σY2)

Now, suppose we define a new random variable Z=aTX=∑j=1dajXj. For your case, we have d=2 and a1=a2=1. The characteristic function for Z is the basically the same as that for X.

φZ(t)=E[exp⁡(itZ)]=E[exp⁡(itaTX)]=φX(ta)
=exp⁡(it∑j=1dajμj−12t2∑j=1d∑k=1dajakΣjk)

If we compare this characteristic function with the characteristic function φY(t) we see that they are the same, but with μY being replaced by μZ=∑j=1dajμj and with σY2 being replaced by σZ2=∑j=1d∑k=1dajakΣjk. Hence because the characteristic function of Z is equivalent to the characteristic function of Y, the distributions must also be equal. Hence Z is normally distributed. We can simplify the expression for the variance by noting that Σjk=Σkj and we get:

σZ2=∑j=1daj2Σjj+2∑j=2d∑k=1j−1ajakΣjk

This is also the general formula for the variance of a linear combination of any set of random variables, independent or not, normal or not, where Σjj=var(Xj) and Σjk=cov(Xj,Xk). Now if we specialise to d=2 and a1=a2=1, the above formula becomes:

σZ2=∑j=12(1)2Σjj+2∑j=22∑k=1j−1(1)(1)Σjk=Σ11+Σ22+2Σ21

2
+1 Thanks for taking the time to write out the details. Can this question be made part of the FAQ?
— Dilip Sarwate
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.