Розподіл коли є незалежними змінними


10

Як звичайна вправа, я намагаюся знайти розподіл де і є незалежними випадковими змінними.X2+Y2XYU(0,1)

Щільність суглоба дорівнює (X,Y)

fX,Y(x,y)=10<x,y<1

Перетворення на полярні координати таким чином, що(X,Y)→(Z,Θ)

X=Zcos⁡Θ and Y=Zsin⁡Θ

Отже, і .z=x2+y20<x,y<1⟹0<z<2

Коли , маємо так що .0<z<10<cos⁡θ<1,0<sin⁡θ<10<θ<π2

Коли , маємо , як є зменшуючись на ; і , оскільки зростає на .1<z<2zcos⁡θ<⟹θ>cos−1⁡(1z)cos⁡θθ∈[0,π2]zsin⁡θ<1⟹θ<sin−1⁡(1z)sin⁡θθ∈[0,π2]

Отже, для маємо .1<z<2cos−1⁡(1z)<θ<sin−1⁡(1z)

Абсолютне значення якобіана перетворення становить

|J|=z

Таким чином, щільність стику задається виразом(Z,Θ)

fZ,Θ(z,θ)=z1{z∈(0,1),θ∈(0,π/2)}⋃{z∈(1,2),θ∈(cos−1⁡(1/z),sin−1⁡(1/z))}

Інтегруючи , отримуємо pdf asθZ

fZ(z)=πz210<z<1+(πz2−2zcos−1⁡(1z))11<z<2

Чи правильні мої міркування вище? У будь-якому випадку, я хотів би уникнути цього методу, а натомість спробувати знайти cdf із безпосередньо. Але я не зміг знайти потрібні області під час оцінки геометрично.ZPr(Y≤z2−X2)

EDIT.

Я спробував знайти функцію розподілу якZ

FZ(z)=Pr(Z≤z)=Pr(X2+Y2≤z2)=∬x2+y2≤z210<x,y<1dxdy

Математика каже, що це слід зменшити до

FZ(z)={0, if z<0πz24, if 0<z<1z2−1+z22(sin−1⁡(1z)−sin−1⁡(z2−1z)), if 1<z<21, if z>2

що виглядає як правильний вираз. Диференціюючи для випадку хоча з'являється вираз, який легко не спроститься до вже отриманого pdf.FZ1<z<2

Нарешті, я думаю, що у мене є правильні зображення для CDF:

Для :0<z<1

введіть тут опис зображення

І для :1<z<2

введіть тут опис зображення

Затінені ділянки повинні позначати область області

{(x,y):0<x,y<1,x2+y2≤z2}

Картина одразу поступається

FZ(z)=Pr(−z2−X2≤Y≤z2−X2)={πz24, if 0<z<1z2−1+∫z2−11z2−x2dx, if 1<z<2

, як я раніше виявив.


1
Щоб знайти CDF безпосередньо, використовуйте функції індикатора. ДляРешта - суто алгебраїчна маніпуляція. (Редагувати: Я бачу @ Xi'an щойно опублікував алгебру у своїй відповіді.)z≥0,
Pr(X2+Y2≤z)=∫01∫01I(x2+y2≤z2)dxdy.
— whuber

1
Знову редагуйте: я також отримую кілька різних виразів і (використовуючи FullSimplify) вони спрощуються до різних формул в Mathematica . Однак вони рівноцінні. Це легко показати, побудувавши їх різницю. Мабуть, Mathematica не знає, що коли . tan−1⁡(z2−1)=sec−1⁡(z)1<z<2
— whuber

1
Край поверхні, , на вашому останньому малюнку має бути (напів-) коло з центром (0,0). Таким чином увігнутий замість (ваш нині намальований) опуклий. r2−x2
— Секст Емпірік

Відповіді:


10

Належність pdf можна перевірити простим моделюванням

samps=sqrt(runif(1e5)^2+runif(1e5)^2)
hist(samps,prob=TRUE,nclass=143,col="wheat")
df=function(x){pi*x/2-2*x*(x>1)*acos(1/(x+(1-x)*(x<1)))}
curve(df,add=TRUE,col="sienna",lwd=3)

введіть тут опис зображення

Пошук cdf без полярної зміни змінних проходить

Pr(X2+Y2≤z)=Pr(X2+Y2≤z2)=Pr(Y2≤z2−X2)=Pr(Y≤z2−X2,X≤z)=EX[z2−X2I[0,min(1,z)](X)]=∫0min(1,z)z2−x2dx=z2∫0min(1,z−1)1−y2dy[x=yz, dx=zdy]=z2∫0min(π/2,cos−1⁡z−1)sin2⁡θdθ[y=cos⁡(θ), dy=sin⁡(θ)dθ]=z22[min(π/2,cos−1⁡z−1)−sin⁡{min(π/2,cos−1⁡z−1)}cos⁡{min(π/2,cos−1⁡z−1}]=z22{π/2 if z<1cos−1⁡z−1−sin⁡{cos−1⁡z−1)}z−1 if z≥1=z22{π/2 if z<1cos−1⁡z−1−1−z−2z−1 if z≥1
що закінчується однаковою складністю! (Плюс потенційні мої помилки по дорозі!)

Випадок знаходиться там, де він стає трохи нечітким. Я думаю, що я не закінчую правильним pdf, розмежуючи вираз для . 1≤z<2z≥1
— StubbornAtom

2

fz(z) :

Отже, для маємо 1≤z<2cos−1⁡(1z)≤θ≤sin−1⁡(1z)

Ви можете спростити свої вирази, використовуючи симетрію та оцінювати вирази для . Таким чином, за половину місця і потім подвойте результат.θmin<θ<π4

Тоді ви отримуєте:

P(Z≤r)=2∫0rz(∫θminπ4dθ)dz=∫0rz(π2−2θmin)dz

і ваш єfz(z)

fz(z)=z(π2−2θmin)={z(π2) if 0≤z≤1z(π2−2cos−1⁡(1z)) if 1<z≤2

Fz(z) :

Ви можете використовувати невизначений інтеграл:

∫zcos−1⁡(1z)=12z(zcos−1⁡(1z)−1−1z2)+C

приміткаdducos−1⁡(u)=−(1−u2)−0.5

Це призводить нескладні до чого - то подібного як вираз Xi'ans для , а самеPr(Z≤z)

якщо тоді:1≤z≤2

Fz(z)=z2(π4−cos−1⁡(1z)+z−11−1z2)

Зв'язок з вашим виразом спостерігається, коли ми розділили на два вирази , а потім перетворимось на різні вирази .cos−1cos−1sin−1

для маємоz>1

cos−1⁡(1z)=sin−1⁡(1−1z2)=sin−1⁡(z2−1z)

і

cos−1⁡(1z)=π2−sin−1⁡(1z)

тому

cos−1⁡(1z)=0.5cos−1⁡(1z)+0.5cos−1⁡(1z)=π4−0.5sin−1⁡(1z)+0.5sin−1⁡(z2−1z)

що призводить до вашого вираження, коли ви підключаєте це до раніше згаданого дляFz(z)1<z<2


1

Для , - це просто площа четвертого кола радіуса яка дорівнює . Тобто 0≤z≤1P(X2+Y2≤z)z14πz2

For 0≤z≤1, area of quarter-circle=πz24=P(X2+Y2≤z).

Для область, в яку нам потрібно інтегруватися, щоб знайти можна розділити на два праві трикутники одна з них має вершини та а друга має вершини та разом із сектором кола радіуса та включеним кутом . Площа цього регіону (а значить, значення ) легко знайти.1<z≤2P(X2+Y2≤z)((0,0),(0,1)(z2−1,1)(0,0),(1,0)(1,z2−1) )zπ2−2arccos⁡(1z)(P(X2+Y2≤z)1<z≤2 , що є результатом відповіді Мартійна Ветерінга.

area of region=area of two triangles plus area of sector=z2−1+12z2(π2−2arccos⁡(1z))=πz24+z2−1−z2arccos⁡1z=(P(X2+Y2≤z)

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.