pdf добутку двох незалежних випадкових величин, нормальної та чі-квадратної


17

що таке pdf добутку двох незалежних випадкових величин X і Y, якщо X і Y незалежні? X нормально розподілений, а Y розподілений у квадраті.

Z = XY

якщо X має нормальний розподіл

XN(μx,σx2)
fX(x)=1σx2πe12(xμxσx)2
іYмає розподіл Chi-квадрата зkступенем свободи
Yχk2
fY(y)=y(k/2)1ey/22k/2Γ(k2)u(y)
whreu(y)- функція одиничного кроку.

Тепер, що таке pdf від якщо X і Y незалежні?ZXY

Один із способів знайти рішення - використовувати добре відомий результат Рохатгі (1976, стор. 141), якщо є спільним pdf суцільних X і Y RV , pdf Z є f Z ( z ) = - 1fXY(x,y)XYZ

fZ(z)=1|y|fXY(zy,y)dy

оскільки і Y незалежні f X Y ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) f Z ( z ) = - 1XYfXY(x,y)=fX(x)fY(y) fZ(z)=1

fZ(z)=1|y|fX(zy)fY(y)dy
Де ми стикаємося з проблемою розв’язування інтеграла01
fZ(z)=1σx2π12k/2Γ(k2)01|y|e12(zyμxσx)2y(k/2)1ey/2dy
. Хтось може мені допомогти з цією проблемою.01|y|e12(zyμxσx)2y(k/2)1ey/2dy

чи є альтернативний спосіб вирішити це?


2
Цей останній крок виглядає не зовсім правильно. " ", мабуть, означаєfX, але, що ще важливіше, ви не можете просто змінити нижню межу на0: вам потрібно розбити інтеграл на два окремих на0, змінитиy-yна той, що знаходиться в негативному діапазоні а потім поєднайте два. Я вважаю, що це може зробити інтеграцію простежуваною: це, здається, дає лінійну комбінацію узагальнених гіпергеометричних функцій.fXYfX00yy
whuber

Так, це була помилка має бутиfX(zfZY(zy). fX(zy)
Робін

Але я думаю, що зміна нижньої межі на 0 є дійсною, оскільки - це функція на ( 0 , ), яка позначається функцією одиничного кроку u ( y ) . fY(y)(0,)u(y)
Робін

I am no longer trained to this kind of computations... but it doesn’t look like it is possible to end up with a closed formula. If you need this for a practical application, I think you should focus on "how to compute this efficiently".
Elvis

4
Is there any motivation for this question? A Normal divided by a χ is a Student's t, but why would you consider a Normal multiplied or divided by a χ2?
Xi'an

Відповіді:


1

спростити термін в інтегралі до

T=e12((zyμxσx)2y)yk/22

find the polynomial p(y) such that

[p(y)e12((zyμxσx)2y)]=p(y)e12((zyμxσx)2y)+p(y)[12((zyμxσx)2y)]e12((zyμxσx)2y)=T

which reduces to finding p(y) such that

p(y)+p(y)[12((zyμxσx)2y)]=yk/22

or

p(y)12p(y)(zμxσx2y2z2σx2y31)=yk/22

which can be done evaluating all powers of y seperately


edit after comments

Above solution won't work as it diverges.

Yet, some others have worked on this type of product.

Using Fourrier transform:

Schoenecker, Steven, and Tod Luginbuhl. "Characteristic Functions of the Product of Two Gaussian Random Variables and the Product of a Gaussian and a Gamma Random Variable." IEEE Signal Processing Letters 23.5 (2016): 644-647. http://ieeexplore.ieee.org/document/7425177/#full-text-section

For the product Z=XY with XN(0,1) and YΓ(α,β) they obtained the characteristic function:

φZ=1βα|t|αexp(14β2t2)Dα(1β|t|)

with Dα Whittaker's function ( http://people.math.sfu.ca/~cbm/aands/page_686.htm )

Using Mellin transform:

Springer and Thomson have described more generally the evaluation of products of beta, gamma and Gaussian distributed random variables.

Springer, M. D., and W. E. Thompson. "The distribution of products of beta, gamma and Gaussian random variables." SIAM Journal on Applied Mathematics 18.4 (1970): 721-737. http://epubs.siam.org/doi/10.1137/0118065

They use the Mellin integral transform. The Mellin transform of Z is the product of the Mellin transforms of X and Y (see http://epubs.siam.org/doi/10.1137/0118065 or https://projecteuclid.org/euclid.aoms/1177730201). In the studied cases of products the reverse transform of this product can be expressed as a Meijer G-function for which they also provide and prove computational methods.

They did not analyze the product of a Gaussian and gamma distributed variable, although you might be able to use the same techniques. If I try to do this quickly then I believe it should be possible to obtain an H-function (https://en.wikipedia.org/wiki/Fox_H-function ) although I do not directly see the possibility to get a G-function or make other simplifications.

M{fY(x)|s}=2s1Γ(12k+s1)/Γ(12k)

and

M{fX(x)|s}=1π2(s1)/2σs1Γ(s/2)

you get

M{fZ(x)|s}=1π232(s1)σs1Γ(s/2)Γ(12k+s1)/Γ(12k)

and the distribution of Z is:

fZ(y)=12πicic+iysM{fZ(x)|s}ds

which looks to me (after a change of variables to eliminate the 232(s1) term) as at least a H-function

what is still left is the puzzle to express this inverse Mellin transform as a G function. The occurrence of both s and s/2 complicates this. In the separate case for a product of only Gaussian distributed variables the s/2 could be transformed into s by substituting the variable x=w2. But because of the terms of the chi-square distribution this does not work anymore. Maybe this is the reason why nobody has provided a solution for this case.


1
... which yields ...?
wolfies

it gives the antiderivative of the term in the integral that is to be solved according to the question
Sextus Empiricus

It is unclear what progress this analysis represents. Do you obtain a solution or not?
whuber

Finding the coefficients of the polynomial p(y) (which closes the solution) is a tedious, but straightforward, task which I left open. I will soon enter some examples for some k.
Sextus Empiricus
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.