Come calcolare il valore atteso di una distribuzione normale standard?


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Vorrei imparare a calcolare il valore atteso di una variabile casuale continua. Sembra che il valore atteso è in cui è la funzione di densità di probabilità di .

E[X]=∫−∞∞xf(x)dx
f(x)X

Supponiamo che la funzione di densità di probabilità di  sia che è la densità del distribuzione normale standard.X

f(x)=12πe−x22

Quindi, vorrei prima collegare il PDF e ottenere che è un'equazione dall'aspetto piuttosto disordinato. La costante può essere spostata all'esterno dell'integrale, dando

E[X]=∫−∞∞x12πe−x22dx
12π
E[X]=12π∫−∞∞xe−x22dx.

Sono bloccato qui. Come posso calcolare l'integrale? Lo sto facendo correttamente finora? È il modo più semplice per ottenere il valore atteso?


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il titolo della tua domanda è fuorviante. In effetti, stai provando a calcolare il valore atteso di una normale variabile casuale standard. È inoltre possibile calcolare il valore atteso di una funzione di un camper. Preferirei inserire il titolo: "Come calcolare il valore atteso di una distribuzione normale standard". Oppure "Come calcolare il valore atteso di una variabile casuale continua".
— Gumeo,

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@ GuðmundurEinarsson corretto.
— mmh,

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"Mi blocco qui. Come calcolo l'integrale?" Trova la derivata di . (No, non sto facendo il faceto e non sto suggerendo un inutile lavoro occupato per te; sono mortalmente serio; Fallo e basta!). Quindi fissa molto attentamente il derivato che hai trovato. −e−x22
— Dilip Sarwate,

Risposte:


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Ci sei quasi, segui il tuo ultimo passo:

E[X]=12π∫−∞∞xe−x22dx=−12π∫−∞∞e−x2/2d(−x22)=−12πe−x2/2∣−∞∞=0
.

Oppure puoi usare direttamente il fatto che è una funzione dispari e che i limiti dell'integrale sono simmetria.xe−x2/2


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L'argomento di simmetria funziona solo se entrambe le metà sono esse stesse convergenti.
— Glen_b -Restate Monica

Potresti spiegare cosa succede nella seconda fila?
— mmh,

Il commento di Glen è corretto se non è convergente, quindi il cambio di variabili non funzionerà
— Deep North,

1
La seconda riga è uguale alla prima riga poiché nota anche il segno negativo all'inizio. Quindi puoi pensare al cambiamento della variabile per l'integrazione, quindi la cambi di nuovo poiché i limiti non sono cambiati. Oppure puoi usare l'integrazione per parti. E ricorda ∫ b a eyd(−x22)=−xdx∫abeydy=ey∣ab
— Deep North,

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Per usare la simmetria per ottenere la media devi sapere che converge - lo fa per questo caso, ma più in generale non puoi assumerlo. Ad esempio, l'argomento della simmetria direbbe che la media dello standard Cauchy è 0, ma non ne ha uno. ∫0∞xf(x)dx
— Glen_b

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Dato che vuoi imparare metodi per calcolare le aspettative e desideri conoscere alcuni modi semplici, ti divertirai a usare la funzione di generazione del momento (mgf)

ϕ(t)=E[etX].

Il metodo funziona particolarmente bene quando la funzione di distribuzione o la sua densità sono date come esponenziali stessi. In questo caso, in realtà non devi fare alcuna integrazione dopo aver osservato

t2/2−(x−t)2/2=t2/2+(−x2/2+tx−t2/2)=−x2/2+tx,

perché, scrivendo la funzione di densità normale standard su come 2/2 (per una costante di cui non sarà necessario conoscere il valore), ciò consente di riscrivere il suo mgf comeC e - x 2 / 2 CxCe−x2/2C

ϕ(t)=C∫Retxe−x2/2dx=C∫Re−x2/2+txdx=et2/2C∫Re−(x−t)2/2dx.

Sul lato destro, seguendo il termine , riconoscerai l'integrale della probabilità totale di una distribuzione normale con media e varianza unitaria, che pertanto è . conseguentemente t 1et2/2t1

ϕ(t)=et2/2.

Poiché la densità normale si riduce a grandi valori così rapidamente, non vi sono problemi di convergenza indipendentemente dal valore di . è riconoscibilmente analitico a , il che significa che è uguale alla sua serie MacLaurinϕ 0tϕ0

ϕ(t)=et2/2=1+(t2/2)+12(t2/2)2+⋯+1k!(t2/2)k+⋯.

Tuttavia, poiché converge assolutamente per tutti i valori di , possiamo anche scrivere t XetXtX

E[etX]=E[1+tX+12(tX)2+⋯+1n!(tX)n+⋯]=1+E[X]t+12E[X2]t2+⋯+1n!E[Xn]tn+⋯.

Due serie di potenza convergenti possono essere uguali solo se sono uguali termine per termine, quindi (confrontando i termini che coinvolgono )t2k=tn

1(2k)!E[X2k]t2k=1k!(t2/2)k=12kk!t2k,

che implica

E[X2k]=(2k)!2kk!, k=0,1,2,…

(e tutte le aspettative di poteri dispari di sono zero). Per praticamente nessuno sforzo hai ottenuto le aspettative di tutti i poteri integrali positivi di contemporaneamente.XX


Le variazioni di questa tecnica possono funzionare altrettanto bene in alcuni casi, come , a condizione che l'intervallo di sia adeguatamente limitato. I mgf (e il suo parente stretto la funzione caratteristica ) sono così generalmente utili, che li troverai riportati nelle tabelle delle proprietà distributive, come nella voce Wikipedia sulla distribuzione Normale .X E [ e i t X ]E[1/(1−tX)]=E[1+tX+(tX)2+⋯+(tX)n+⋯]X E[eitX]

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