卡方分佈
令 Z ∼ N ( 0 , 1 ) Z \sim N(0, 1) Z ∼ N ( 0 , 1 ) 為常態隨機變量
平均數:E ( V ) = n E(V) = n E ( V ) = n
變異數:V a r ( V ) = 2 n Var(V) = 2n V a r ( V ) = 2 n
自由度為1的卡方分佈
定義: U ˉ = Z 2 \bar{U} = Z^2 U ˉ = Z 2 為自由度為1的卡方分佈,記為 χ 2 ( 1 ) \chi^2(1) χ 2 ( 1 )
cdf:F ( u ) = P ( U ˉ ≤ u ) = P ( Z 2 ≤ u ) = P ( − u ≤ Z ≤ u ) = Φ ( u ) − Φ ( − u ) F(u) = P(\bar{U} \leq u) = P(Z^2 \leq u) = P(-\sqrt{u} \leq Z \leq \sqrt{u}) = \Phi(\sqrt{u}) - \Phi(-\sqrt{u}) F ( u ) = P ( U ˉ ≤ u ) = P ( Z 2 ≤ u ) = P ( − u ≤ Z ≤ u ) = Φ ( u ) − Φ ( − u )
pdf:f ( u ) = ϕ ( u ) 1 2 u − 1 / 2 = ϕ ( − u ) 1 2 u − 1 / 2 \displaystyle f(u) = \phi(\sqrt{u}) \frac{1}{2} u^{-1/2} = \phi(-\sqrt{u}) \frac{1}{2} u^{-1/2} f ( u ) = ϕ ( u ) 2 1 u − 1 / 2 = ϕ ( − u ) 2 1 u − 1 / 2 = 1 2 π e − u / 2 u − 1 / 2 \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-u/2} u^{-1/2} 2 π 1 e − u / 2 u − 1 / 2 , u > 0 u > 0 u > 0
自由度為n的卡方分佈
定義:U 1 ˉ , U 2 ˉ , . . . , U n ˉ \bar{U_1}, \bar{U_2}, ..., \bar{U_n} U 1 ˉ , U 2 ˉ , . . . , U n ˉ 為獨立且服從 χ 2 ( 1 ) \chi^2(1) χ 2 ( 1 ) 的隨機變量,則 V = ∑ i = 1 n U i ˉ V = \sum_{i=1}^{n} \bar{U_i} V = ∑ i = 1 n U i ˉ 稱為自由度為n的卡方分佈,記為 χ 2 ( n ) \chi^2(n) χ 2 ( n )
pdf:f ( v ) = 1 2 n / 2 Γ ( n / 2 ) v n / 2 − 1 e − v / 2 \displaystyle f(v) = \frac{1}{2^{n/2} \Gamma(n/2)} v^{n/2 - 1} e^{-v/2} f ( v ) = 2 n / 2 Γ ( n / 2 ) 1 v n / 2 − 1 e − v / 2 , v > 0 v > 0 v > 0
如果 V V V 和 U U U 獨立,且 V ∼ χ 2 ( m ) V \sim \chi^2(m) V ∼ χ 2 ( m ) , U ∼ χ 2 ( n ) U \sim \chi^2(n) U ∼ χ 2 ( n ) ,則 V + U ∼ χ 2 ( m + n ) V + U \sim \chi^2(m + n) V + U ∼ χ 2 ( m + n )
證明:
M ∑ i = 1 m U i ˉ ( t ) = ∏ i = 1 m M U i ˉ ( t ) ⇒ V ∼ P ( n 2 , 1 2 ) \displaystyle M_{\sum_{i=1}^{m} \bar{U_i}}(t) = \prod_{i=1}^{m} M_{\bar{U_i}}(t) \Rightarrow V \sim P(\frac{n}{2}, \frac{1}{2}) M ∑ i = 1 m U i ˉ ( t ) = i = 1 ∏ m M U i ˉ ( t ) ⇒ V ∼ P ( 2 n , 2 1 ) ,
一般化:V ∼ P ( n 2 , 1 2 ) \displaystyle V \sim P(\frac{n}{2}, \frac{1}{2}) V ∼ P ( 2 n , 2 1 ) , U ∼ P ( m 2 , 1 2 ) \displaystyle U \sim P(\frac{m}{2}, \frac{1}{2}) U ∼ P ( 2 m , 2 1 ) ,則 V + U ∼ χ 2 ( m + n ) \displaystyle V + U \sim \chi^2(m + n) V + U ∼ χ 2 ( m + n )
t分佈
定義:Z ∼ N ( 0 , 1 ) Z \sim N(0, 1) Z ∼ N ( 0 , 1 ) , V ∼ χ 2 ( n ) V \sim \chi^2(n) V ∼ χ 2 ( n ) , Z , V Z, V Z , V 獨立,則 T = Z V / n T = \frac{Z}{\sqrt{V/n}} T = V / n Z 稱為自由度為n的t分佈,記為 t ( n ) t(n) t ( n )
pdf:f ( t ) = Γ ( n + 1 2 ) n π Γ ( n 2 ) ( 1 + t 2 n ) − n + 1 2 \displaystyle f(t) = \frac{\Gamma(\frac{n+1}{2})}{\sqrt{n\pi} \Gamma(\frac{n}{2})} (1 + \frac{t^2}{n})^{-\frac{n+1}{2}} f ( t ) = n π Γ ( 2 n ) Γ ( 2 n + 1 ) ( 1 + n t 2 ) − 2 n + 1 , − ∞ < t < ∞ -\infty < t < \infty − ∞ < t < ∞
證明:
Derive the pdf of U ˉ / n = Y \bar{U}/n = Y U ˉ / n = Y
F Y ( y ) = P ( U ˉ / n ≤ y ) = P ( U ˉ ≤ n y 2 ) = F U ˉ ( n y 2 ) f Y ( y ) = d d y F Y ( y ) = d d y F U ˉ ( n y 2 ) = ( 2 n y ) f U ˉ ( n y 2 ) = ( 2 n y ) 1 2 ( n / 2 ) Γ ( n / 2 ) ( n y 2 ) ( n / 2 ) − 1 e − n y 2 / 2 = 1 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) n n / 2 y n − 1 e − n y 2 / 2 \begin{aligned} F_Y(y) &= P(\sqrt{\bar{U}/n} \leq y) = P(\bar{U} \leq ny^2) = F_{\bar{U}}(ny^2) \\ f_Y(y) &= \frac{d}{dy} F_Y(y) = \frac{d}{dy} F_{\bar{U}}(ny^2) = (2ny) f_{\bar{U}}(ny^2) \\ &= (2ny) \frac{1}{2^{(n/2)} \Gamma(n/2)} (ny^2)^{(n/2) - 1} e^{-ny^2/2} = \frac{1}{2^{(n/2)-1}\Gamma(n/2)}n^{n/2} y^{n-1} e^{-ny^2/2} \end{aligned} F Y ( y ) f Y ( y ) = P ( U ˉ / n ≤ y ) = P ( U ˉ ≤ n y 2 ) = F U ˉ ( n y 2 ) = d y d F Y ( y ) = d y d F U ˉ ( n y 2 ) = ( 2 n y ) f U ˉ ( n y 2 ) = ( 2 n y ) 2 ( n / 2 ) Γ ( n / 2 ) 1 ( n y 2 ) ( n / 2 ) − 1 e − n y 2 / 2 = 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) 1 n n / 2 y n − 1 e − n y 2 / 2
The pdf of T = Z / Y T = Z/Y T = Z / Y
f T ( t ) = ∫ − ∞ ∞ ∣ y ∣ f Z , Y ( y , t y ) d y = ∫ − ∞ ∞ y f Y ( y ) f Z ( t y ) d y = ∫ − ∞ ∞ [ y 1 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) n n / 2 y n − 1 e − n y 2 / 2 ] [ 1 2 π e − t 2 y 2 / 2 ] d y = [ n n / 2 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) π ] ∫ 0 ∞ y n e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 d y \displaystyle \begin{aligned} f_T(t) &= \int_{-\infty}^{\infty} |y| f_{Z, Y}(y, ty) dy \\[10pt] &= \int_{-\infty}^{\infty} y f_Y(y) f_Z(ty) dy \\[10pt] &= \int_{-\infty}^{\infty} \left[ y \frac{1}{2^{(n/2)-1}\Gamma(n/2)}n^{n/2} y^{n-1} e^{-ny^2/2}\right] \left[\frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-t^2y^2/2}\right] dy \\[10pt] &= \left[ \frac{n^{n/2}}{2^{(n/2)-1}\Gamma(n/2) \sqrt{\pi}} \right] \int_{0}^{\infty} y^{n} e^{-(n+t^2)y^2/2} dy \end{aligned} f T ( t ) = ∫ − ∞ ∞ ∣ y ∣ f Z , Y ( y , t y ) d y = ∫ − ∞ ∞ y f Y ( y ) f Z ( t y ) d y = ∫ − ∞ ∞ [ y 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) 1 n n / 2 y n − 1 e − n y 2 / 2 ] [ 2 π 1 e − t 2 y 2 / 2 ] d y = [ 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) π n n / 2 ] ∫ 0 ∞ y n e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 d y
Derive the integral
∫ 0 ∞ y n e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 d y = ∫ 0 ∞ ( y 2 ) n / 2 e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 d y = 1 2 ∫ 0 ∞ ( y 2 ) ( n − 1 ) / 2 e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 ( 2 y ) d y = 1 2 s ( n − 1 ) / 2 e − ( n + t 2 ) s / 2 d s = 1 2 Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) [ ( n + t 2 ) / 2 ] ( n + 1 ) / 2 ∫ 0 ∞ ( ( n + t 2 ) / 2 ) ( n + 1 ) / 2 Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) s ( n + 1 ) / 2 − 1 e − ( n + t 2 ) s / 2 d s = 1 2 Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) [ ( n + t 2 ) / 2 ] ( n + 1 ) / 2 \begin{aligned} \int_{0}^{\infty} y^{n} e^{-(n+t^2)y^2/2} dy &= \int_{0}^{\infty} (y^2)^{n/2} e^{-(n+t^2)y^2/2} dy \\[10pt] &= \frac{1}{2} \int_{0}^{\infty} (y^2)^{(n-1)/2} e^{-(n+t^2)y^2/2} (2y) dy \\[10pt] &= \frac{1}{2} s^{(n-1)/2} e^{-(n+t^2)s/2} ds \\[10pt] &= \frac{1}{2} \frac{\Gamma((n+1)/2)}{[(n+t^2)/2]^{(n+1)/2}} \int_{0}^{\infty} \frac{((n+t^2)/2)^{(n+1)/2}}{\Gamma((n+1)/2)} s^{(n+1)/2-1} e^{-(n+t^2)s/2} ds \\[10pt] &= \frac{1}{2} \frac{\Gamma((n+1)/2)}{[(n+t^2)/2]^{(n+1)/2}} \end{aligned} ∫ 0 ∞ y n e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 d y = ∫ 0 ∞ ( y 2 ) n / 2 e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 d y = 2 1 ∫ 0 ∞ ( y 2 ) ( n − 1 ) / 2 e − ( n + t 2 ) y 2 / 2 ( 2 y ) d y = 2 1 s ( n − 1 ) / 2 e − ( n + t 2 ) s / 2 d s = 2 1 [ ( n + t 2 ) / 2 ] ( n + 1 ) / 2 Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) ∫ 0 ∞ Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) ( ( n + t 2 ) / 2 ) ( n + 1 ) / 2 s ( n + 1 ) / 2 − 1 e − ( n + t 2 ) s / 2 d s = 2 1 [ ( n + t 2 ) / 2 ] ( n + 1 ) / 2 Γ ( ( n + 1 ) / 2 )
Derive the pdf of T T T
f T ( t ) = n n / 2 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) π [ 1 2 Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) [ ( n + t 2 ) / 2 ] ( n + 1 ) / 2 ] = Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) ( n π ) Γ ( n / 2 ) [ 1 + t 2 n ] − ( n + 1 ) / 2 \displaystyle f_T(t) = \frac{n^{n/2}}{2^{(n/2)-1}\Gamma(n/2) \sqrt{\pi}} \left[\frac{1}{2} \frac{\Gamma((n+1)/2)}{[(n+t^2)/2]^{(n+1)/2}}\right] = \frac{\Gamma((n+1)/2)}{\sqrt{(n\pi)} \Gamma(n/2)} \left[1 + \frac{t^2}{n}\right]^{-(n+1)/2} f T ( t ) = 2 ( n / 2 ) − 1 Γ ( n / 2 ) π n n / 2 [ 2 1 [ ( n + t 2 ) / 2 ] ( n + 1 ) / 2 Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) ] = ( n π ) Γ ( n / 2 ) Γ ( ( n + 1 ) / 2 ) [ 1 + n t 2 ] − ( n + 1 ) / 2
− ∞ < t < ∞ -\infty < t < \infty − ∞ < t < ∞
FACT:
t n → Z t_n \rightarrow Z t n → Z as n → ∞ n \rightarrow \infty n → ∞
lim n → ∞ [ 1 + t 2 n ] ( n + 1 ) / 2 = lim n → ∞ [ 1 + t 2 / 2 n / 2 ] n / 2 [ 1 + t 2 / 2 n ] 1 / 2 = e t 2 / 2 \displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty} \left[1 + \frac{t^2}{n}\right]^{(n+1)/2} = \lim_{n \rightarrow \infty} \left[1 + \frac{t^2/2}{n/2}\right]^{n/2}\left[1 + \frac{t^2/2}{n}\right]^{1/2} = e^{t^2/2} n → ∞ lim [ 1 + n t 2 ] ( n + 1 ) / 2 = n → ∞ lim [ 1 + n / 2 t 2 / 2 ] n / 2 [ 1 + n t 2 / 2 ] 1 / 2 = e t 2 / 2
F分佈
定義:U ˉ ∼ χ 2 ( m ) \bar{U} \sim \chi^2(m) U ˉ ∼ χ 2 ( m ) , V ˉ ∼ χ 2 ( n ) \bar{V} \sim \chi^2(n) V ˉ ∼ χ 2 ( n ) , U ˉ , V ˉ \bar{U}, \bar{V} U ˉ , V ˉ 獨立,則 F = U ˉ / m V ˉ / n \displaystyle F = \frac{\bar{U}/m}{\bar{V}/n} F = V ˉ / n U ˉ / m 稱為自由度為m, n的F分佈,記為 F ( m , n ) F(m, n) F ( m , n )
pdf:f ( f ) = Γ ( m + n 2 ) Γ ( m 2 ) Γ ( n 2 ) ( m n ) m / 2 f m / 2 − 1 ( 1 + m n f ) − ( m + n ) / 2 \displaystyle f(f) = \frac{\Gamma(\frac{m+n}{2})}{\Gamma(\frac{m}{2}) \Gamma(\frac{n}{2})} \left(\frac{m}{n}\right)^{m/2} f^{m/2 - 1} (1 + \frac{m}{n} f)^{-(m+n)/2} f ( f ) = Γ ( 2 m ) Γ ( 2 n ) Γ ( 2 m + n ) ( n m ) m / 2 f m / 2 − 1 ( 1 + n m f ) − ( m + n ) / 2 , f > 0 f > 0 f > 0
證明:
U ˉ ∼ χ 2 ( m ) \bar{U} \sim \chi^2(m) U ˉ ∼ χ 2 ( m ) , V ˉ ∼ χ 2 ( n ) \bar{V} \sim \chi^2(n) V ˉ ∼ χ 2 ( n ) , U ˉ , V ˉ \bar{U}, \bar{V} U ˉ , V ˉ 獨立,則 U ˉ / m V ˉ / n ∼ F ( m , n ) \displaystyle \frac{\bar{U}/m}{\bar{V}/n} \sim F(m, n) V ˉ / n U ˉ / m ∼ F ( m , n )
f U ˉ ( u ) = 1 2 m / 2 Γ ( m / 2 ) u m / 2 − 1 e − u / 2 f V ˉ ( v ) = 1 2 n / 2 Γ ( n / 2 ) v n / 2 − 1 e − v / 2 \begin{aligned} \displaystyle f_{\bar{U}}(u) &= \frac{1}{2^{m/2} \Gamma(m/2)} u^{m/2 - 1} e^{-u/2} \\[10pt] f_{\bar{V}}(v) &= \frac{1}{2^{n/2} \Gamma(n/2)} v^{n/2 - 1} e^{-v/2} \end{aligned} f U ˉ ( u ) f V ˉ ( v ) = 2 m / 2 Γ ( m / 2 ) 1 u m / 2 − 1 e − u / 2 = 2 n / 2 Γ ( n / 2 ) 1 v n / 2 − 1 e − v / 2
F = U ˉ / m V ˉ / n ⇒ { U ˉ = u V ˉ = ( m / n ) u \displaystyle F = \frac{\bar{U}/m}{\bar{V}/n} \Rightarrow \begin{cases} \bar{U} = u \\ \bar{V} = (m/n) u \end{cases} F = V ˉ / n U ˉ / m ⇒ { U ˉ = u V ˉ = ( m / n ) u
Jacobian : ∣ J ∣ = ∣ ∂ V ˉ / ∂ F ∂ V ˉ / ∂ u ∂ U ˉ / ∂ F ∂ U ˉ / ∂ u ∣ = ∣ ( m / n ) u ( m / n ) F 0 1 ∣ = − m n u \displaystyle |J| = \begin{vmatrix} \partial \bar{V}/\partial F & \partial \bar{V}/\partial u \\ \partial \bar{U}/\partial F & \partial \bar{U}/\partial u \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} (m/n) u & (m/n) F \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = -\frac{m}{n} u ∣ J ∣ = ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∂ V ˉ / ∂ F ∂ U ˉ / ∂ F ∂ V ˉ / ∂ u ∂ U ˉ / ∂ u ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ = ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ( m / n ) u 0 ( m / n ) F 1 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ = − n m u
f ( F , u ) = f U ˉ ( u ) f V ˉ ( ( m / n ) u ) ∣ J ∣ = ( m / n ) m / 2 2 ( m + n ) / 2 Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) u ( m + n ) / 2 − 1 e − u ( 1 + ( m / n ) F ) F m / 2 − 1 \displaystyle f(F, u) = f_{\bar{U}}(u) f_{\bar{V}}((m/n)u) |J| = \frac{(m/n)^{m/2}}{2^{(m+n)/2} \Gamma(m/2) \Gamma(n/2)} u^{(m+n)/2 - 1} e^{-u(1+(m/n)F)} F^{m/2 - 1} f ( F , u ) = f U ˉ ( u ) f V ˉ ( ( m / n ) u ) ∣ J ∣ = 2 ( m + n ) / 2 Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) ( m / n ) m / 2 u ( m + n ) / 2 − 1 e − u ( 1 + ( m / n ) F ) F m / 2 − 1
The pdf of F F F
f ( F ) = ∫ 0 ∞ f ( F , u ) d u = ( m / n ) m / 2 F m / 2 − 1 2 ( m + n ) / 2 Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) ∫ 0 ∞ u ( m + n ) / 2 − 1 e − u ( 1 + ( m / n ) F ) / 2 d u = ( m / n ) m / 2 F m / 2 − 1 2 ( m + n ) / 2 Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) Γ ( ( m + n ) / 2 ) ( 1 + ( m / n ) F ) ( m + n ) / 2 = Γ ( ( m + n ) / 2 ) Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) ( m n ) m / 2 F m / 2 − 1 ( 1 + m n F ) − ( m + n ) / 2 \displaystyle \begin{aligned} f(F) = \int_{0}^{\infty} f(F, u) du &= \frac{(m/n)^{m/2}F^{m/2 - 1}}{2^{(m+n)/2} \Gamma(m/2) \Gamma(n/2)} \int_{0}^{\infty} u^{(m+n)/2 - 1} e^{-u(1+(m/n)F)/2} du \\[10pt] &= \frac{(m/n)^{m/2}F^{m/2 - 1}}{2^{(m+n)/2} \Gamma(m/2) \Gamma(n/2)} \frac{\Gamma((m+n)/2)}{(1+(m/n)F)^{(m+n)/2}} \\[10pt] &= \frac{\Gamma((m+n)/2)}{\Gamma(m/2) \Gamma(n/2)} \left(\frac{m}{n}\right)^{m/2} F^{m/2 - 1} (1 + \frac{m}{n} F)^{-(m+n)/2} \end{aligned} f ( F ) = ∫ 0 ∞ f ( F , u ) d u = 2 ( m + n ) / 2 Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) ( m / n ) m / 2 F m / 2 − 1 ∫ 0 ∞ u ( m + n ) / 2 − 1 e − u ( 1 + ( m / n ) F ) / 2 d u = 2 ( m + n ) / 2 Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) ( m / n ) m / 2 F m / 2 − 1 ( 1 + ( m / n ) F ) ( m + n ) / 2 Γ ( ( m + n ) / 2 ) = Γ ( m / 2 ) Γ ( n / 2 ) Γ ( ( m + n ) / 2 ) ( n m ) m / 2 F m / 2 − 1 ( 1 + n m F ) − ( m + n ) / 2
樣本平均數 & 樣本變異數
令 X 1 , X 2 , . . . , X n → i i d N ( μ , σ 2 ) X_1, X_2, ..., X_n \xrightarrow{iid} N(\mu, \sigma^2) X 1 , X 2 , . . . , X n i i d N ( μ , σ 2 )
樣本平均數:X ˉ = 1 n ∑ i = 1 n X i \displaystyle \bar{X} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} X_i X ˉ = n 1 i = 1 ∑ n X i
樣本變異數:S 2 = 1 n − 1 ∑ i = 1 n ( X i − X ˉ ) 2 \displaystyle S^2 = \frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^{n} (X_i - \bar{X})^2 S 2 = n − 1 1 i = 1 ∑ n ( X i − X ˉ ) 2
引理:X ˉ n \bar{X}_n X ˉ n and S n 2 S^2_n S n 2 are independent