Легкий доказ


10

Нехай - незалежні стандартні звичайні випадкові величини. Існує багато (тривалих) доказів, що показують цеZ1,⋯,Zn

∑i=1n(Zi−1n∑j=1nZj)2∼χn−12

Багато доказів досить довгі, і деякі з них використовують індукцію (наприклад, статистичні умовиводи Casella). Мені цікаво, чи є легкий доказ цього результату.


Інтуїтивно зрозумілий геометричний (без координат) підхід дивіться у розділі 1.2 відмінного тексту Підхід без координат до лінійних моделей Майкла Дж. Вічури (технічні деталі заповнені в теоремі 8.2), де автор фактично порівняв традиційне матричний доказ (надається відповіддю Ваубера) та його проекційний підхід, що показує, що його геометричний підхід є більш природним і менш незрозумілим. Особисто я вважаю цей доказ проникливим і стислим.
— Жансіонг

Відповіді:


10

Для , визначтеk=1,2,…,n−1

Xk=(Z1+Z2+⋯+Zk−kZk+1)/k+k2.

, будучи лінійними перетвореннями multinormally розподілених випадкових величин Z я , також має multinormal розподілу. Зауважте, щоXkZi

  1. Матриця дисперсії-коваріації є матрицею ідентичності n - 1 × n - 1 .(X1,X2,…,Xn−1)n−1×n−1

  2. X12+X22+⋯+Xn−12=∑i=1n(Zi−Z¯)2.

, який легко перевірити, безпосередньо випливає ( 2 ) при дотриманні всіх X K некорреліровани з ··· Z . Усі розрахунки зводиться до того, що 1 + 1 + ⋯ + 1 - k = 0 , де є k .(1)(2)XkZ¯.1+1+⋯+1−k=0k

Вони разом показують, що має розподіл суми n - 1 некоррельованої одиничної дисперсії нормальних змінних. За визначенням це розподіл χ 2 ( n - 1 ) , QED .∑i=1n(Zi−Z¯)2n−1χ2(n−1)

Список літератури

  1. Для пояснення того, звідки походить побудова , дивіться початок моєї відповіді на темі "Як виконати ізометричне перетворення відношення логарифма щодо матриць Гельмерта" .Xk

  2. Це спрощення загальної демонстрації, наведеної у відповіді ocram на тему Чому RSS розповсюджується чі квадратним часом np . Ця відповідь стверджує, що "існує матриця" для побудови ; тут я виставляю таку матрицю.Xk


Ця конструкція має просту геометричну інтерпретацію. (1) Змінні розподіляються на n-мірному сферично симетричному розподілі (таким чином ми можемо обертати його будь-яким способом). (2) ¯ Z знайдеться як розв’язок лінійної задачі Z i = ¯ Z + ϵ i , яка фактично є проекцією вектора Z на 1 . (3) Якщо ми обертаємо простір координат таким чином, що одна з координат збігається з цим вектором проекції 1 , то решта - це (n-1) -мультиноміальний розподіл, що представляє залишковий простір. ZiZ¯Zi=Z¯+ϵiZ11
— Емпірик Секст

Ви показуєте, що є некорельованими один з одним. Але наскільки я розумію, щоб сказати, що сума квадратних стандартних нормальних змінних дорівнює χ 2 , нам потрібна незалежність, що набагато сильніша вимога, ніж некорельована? EDIT: о зачекайте, якщо ми знаємо, що дві змінні зазвичай розподіляються, то некорельована означає незалежність. Xiχ2
— user56834

Крім того, я не розумію, як ви переходите від того, що не співвідносяться з ˉ Z (що я розумію), до (2). Не могли б ви детальніше? XiZ¯
— user56834

@Programmer Вибачте; Я не мав на увазі, що це логічна дедукція - (1) і (2) - це два окремих спостереження. (2) - це просто (прямолінійна) алгебраїчна ідентичність.
— whuber

1
Програміст, відзначте посилання на іншу відповідь, яку дав Вубер ( stats.stackexchange.com/questions/259208/… ) побудовані на основі матриці H з ортогональними рядками. Таким чином, ви можете оцінити більш абстрактним (менш помилковим) способом ∑ K 2 i як K ⋅ K = ( H Z ) ⋅ ( H Z ) = ( H Z ) T ( H Z ) = Z T ( H T H )XkH∑Ki2 , (зауважимо, ми повинні продовжити K за вектором 1111, щоб зробити його n на n)K⋅K=(HZ)⋅(HZ)=(HZ)T(HZ)=ZT(HTH)Z=ZTIZ=Z⋅Z
— Секст Емпірік

5

Зауважте, ви кажете, що це стандартна нормальна N ( 0 , 1 ) , при μ = 0 і σ = 1ZisN(0,1)μ=0σ=1

Тоді Zi2∼χ(1)2

Тоді

∑i=1nZi2=∑i=1n(Zi−Z¯+Z¯)2=∑i=1n(Zi−Z¯)2+nZ¯2(1)=∑i=1n(Zi−Z¯)2+[n(Z¯−0)1]2

Зауважимо, що ліва частина (1), і що другий член праворуч [ √

∑i=1nZi2∼χ(n)2
[n(Z¯−0)1]2∼χ(1)2.

Крім того, такий, що Z i - ˉ Z і ˉ Z незалежні. Тому два останні доданки в (1) (функції Z i - ˉ Z і Z i ) також є незалежними. Отже, їх мгс пов'язані з мгф лівої частини (1) через M n ( t ) = M n - 1 ( t )Cov⁡(Zi−Z¯,Z¯)=0Zi−Z¯Z¯Zi−Z¯Zi , де М п ( т ) = ( 1 - 2 т ) - п / 2 і М 1 ( т ) = ( 1 - 2 т ) - 1 / 2 . Таким чином, mgf ∑ n i = 1 ( Z i - ˉ Z ) 2 є M n - 1

Mn(t)=Mn−1(t)M1(t)
Mn(t)=(1−2t)−n/2M1(t)=(1−2t)−1/2∑i=1n(Zi−Z¯)2 . Таким чином, ∑ n i = 1 ( Z i - ˉ Z ) 2 - це хі-квадрат з n - 1 градусом свободи.Mn−1(t)=Mn(t)/M1(t)=(1−2t)−(n−1)/2∑i=1n(Zi−Z¯)2n−1

1
Останній "Тому" занадто недбалий
— Zhanxiong

Х¯

2
Х¯∑Zi2Z¯∑(Zi-Z¯)2Z¯

Я думаю, я використав теорему Кокрана
— Глибокий Північ

3
@DeepNorth Якщо ви заповнили якісь недоліки у вашому доказі
— Jarle Tufto
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.