Як можна обчислити


41

Припустимо, і це функція щільності і функція розподілу стандартного нормального розподілу.ϕ(⋅)Φ(⋅)

Як можна обчислити інтеграл:

∫−∞∞Φ(w−ab)ϕ(w)dw

5
Це все добре. Раннє посилання на більш загальний результат, який включає цей, - Еллісон (1964, J.Am.Stat.Assoc, 59, 89-95); див. слідство 1 з теореми 2.

Відповіді:


48

Більш звичайне позначення є

y(μ,σ)=∫Φ(x−μσ)ϕ(x)dx=Φ(−μ1+σ2).

Це можна знайти, диференціюючи інтеграл відносно та , виробляючи елементарні інтеграли, які можна виразити у закритому вигляді:μσ

∂y∂μ(μ,σ)=−12πσ2+1e−12μ2σ2+1,

∂y∂σ(μ,σ)=μσ2π(σ2+1)3/2e−12μ2σ2+1.

Цю систему можна інтегрувати, починаючи з початкової умови = = , щоб отримати задане рішення (що легко перевіряється диференціацією).∫ Ф ( х ) φ ( х ) д х 1 / 2y(0,1)∫Φ(x)ϕ(x)dx1/2


4
Я ще раз перевірив відповідь за допомогою числової інтеграції та контурних співвідношень для , : згода полягала в одинадцяти значущих цифрах у цьому діапазоні. 0 < σ ≤ 2−2≤μ≤20<σ≤2
— whuber

вау, розумне рішення.
— Cam.Davidson.Pilon

2
Я думаю, що це можна зробити майже за допомогою перевірки. Перший доданок під інтегралом - це рівномірна [0,1] випадкова величина. Оскільки нормальний pdf симетричний, інтеграл повинен бути12
— soakley

1
@soakley Ваш підхід працює для , але незрозуміло, як він застосовуватиметься до інших аргументів . уy(0,1)y
— whuber

1
@whuber Вибачте за нерозуміння, але як тільки у нас є дві закриті форми для похідної та початкової умови, як ми переходимо звідти до остаточного рішення? Іншими словами, що ви зробили із виразами закритої форми для похідних та початковою умовою?
— користувач106860

63

Нехай і є незалежними нормальними випадковими змінними з і стандартною звичайною випадковою змінною. ТодіОтже, використовуючи закон сумарної ймовірності, отримуємо, що Тепер можна виразити через , зазначивши, що , і таким чином ми отримуємо Y X ∼ N ( a , b 2 ) Y P { X ≤ Y ∣ Y = w } = P { X ≤ w } = Φ ( w - aXYX∼N(a,b2)Y

P{X≤Y∣Y=w}=P{X≤w}=Φ(w−ab).
P{X≤Y}=∫−∞∞P{X≤Y∣Y=w}ϕ(w)dw=∫−∞∞Φ(w−ab)ϕ(w)dw.
P{X≤Y}=P{X−Y≤0}Φ(⋅)X−Y∼N(a,b2+1)
∫−∞∞Φ(w−ab)ϕ(w)dw=Φ(−ab2+1)
що є тим самим, що і у відповіді Ваубера.

2

Ось ще одне рішення: Визначимо які ми можемо оцінити щоб отримати бажаний вираз. Ми знаємо принаймні одне значення функції , наприклад, через симетрію. Візьмемо похідну wrt до та заповніть квадрат

I(γ)=∫−∞∞Φ(ξx+γ)N(x|0,σ2)dx,
γ=−ξμI(γ)I(0)=0γ
dIdγ=∫−∞∞N((ξx+γ)|0,1)N(x|0,σ2)dx=∫−∞∞12πexp⁡(−12(ξx+γ)2)12πσ2exp⁡(−x22σ2)dx.
(ξx+γ)2+x2σ2=(ξ2+σ−2)⏟=ax2+−2γξ⏟=bx+γ2⏟=c=a(x−b2a)2+(c−b24a)(c−b24a)=γ2−4γ2ξ24(ξ2+σ−2)=γ2(1−ξ2ξ2+σ−2)=γ2(11+ξ2σ2)
Отже,
dIdγ=12πσexp⁡(−12(c−b24a))2πa∫−∞∞a2πexp⁡(−12a(x−b2a)2)dx=12πσexp⁡(−12(c−b24a))2πa=12πσ2aexp⁡(−12(c−b24a))=12π(1+σ2ξ2)exp⁡(−12γ21+ξ2σ2)
та інтеграція

I(γ)=∫−∞γ12π(1+σ2ξ2)exp⁡(−12z21+ξ2σ2)dz=Φ(γ1+ξ2σ2)

що означає

∫−∞∞Φ(ξx)N(x|μ,σ2)dx=I(ξμ)=Φ(ξμ1+ξ2σ2).

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.