Distribuzione del rapporto tra due variabili casuali uniformi indipendenti


17

Supponiamo che X e Y siano distribuiti uniformemente in [0,1] e sono indipendenti, qual è il PDF di Z=Y/X ?

La risposta di un manuale di teoria delle probabilità è

fZ(z)={1/2,if 0z11/(2z2),if z>10,otherwise.

Mi chiedo, per simmetria, non dovrei fZ(1/2)=fZ(2) ? Questo non è il caso secondo il PDF sopra.


Qual è il dominio di X e Y ?
Sobi,


2
Perché ti aspetti che questo sia vero? La funzione di densità spiega come compattamente la probabilità è nel quartiere di un punto, ed è chiaramente più difficile per Z per essere vicino 2 a 1/2 (si consideri per esempio che Z può essere sempre 1/2 non importa quale X è, ma Z<2 quando X>1/2 ).
Dsaxton,


3
Non penso sia un duplicato, quella domanda è cercare il PDF, qui ho il PDF, sto solo mettendo in discussione la sua correttezza (forse piuttosto ingenuamente).
qed

Risposte:


19

La logica giusta è quella con indipendente , Y U ( 0 , 1 ) , Z = YX,YU(0,1) e Z-1=XZ=YX ha la stessadistribuzionee quindi per0<z<1 P { YZ1=XY0<z<1 dove l'equazione con i CDF usa il fatto cheY

P{YXz}=P{XYz}=P{YX1z}FZ(z)=1FZ(1z)
è una variabile casuale continua e quindiP{Za}=P{Z>a}=1-FZ(a). Quindi il pdf diZsoddisfa fZ(z)=z-2fZ(z-1),YXP{Za}=P{Z>a}=1FZ(a)Z Quindi f Z ( 1
fZ(z)=z2fZ(z1),0<z<1.
e nonfZ(1fZ(12)=4fZ(2) come pensavi dovesse essere.fZ(12)=fZ(2)

14

Questa distribuzione è simmetrica, se la guardi nel modo giusto.

La simmetria che hai (correttamente) osservato è che e X / Y = 1 / ( Y / X ) devono essere distribuiti in modo identico. Quando lavori con rapporti e poteri, stai davvero lavorando all'interno del gruppo moltiplicativo dei numeri reali positivi. L'analogo della misura invariante di posizione d λ = d x sui numeri reali additivi R è la misura invariante di scala d μ = d x / xY/XX/Y=1/(Y/X)dλ=dxR dμ=dx/xsul gruppo moltiplicativo di numeri reali positivi. Ha queste proprietà desiderabili:R

  1. è invariante sotto la trasformazione x a x per qualsiasi costante positiva a : d μ ( a x ) = d ( a x )dμxaxa

    dμ(ax)=d(ax)ax=dxx=dμ.
  2. è covariante sotto la trasformazione x x b per numeri diversi da zero b : d μ ( x b ) = d ( x b )dμxxbb

    dμ(xb)=d(xb)xb=bxb1dxxb=bdxx=bdμ.
  3. viene trasformato in d λ tramite l'esponenziale: d μ ( e x ) = d e xdμdλ Allo stesso modo,dλviene trasformato indμtramite il logaritmo.

    dμ(ex)=dexex=exdxex=dx=dλ.
    dλdμ

(3) stabilisce un isomorfismo tra i gruppi misurati e ( R , , d μ ) . La riflessione x - x sullo spazio additivo corrisponde all'inversione x 1 / x sullo spazio moltiplicativo, perché e - x = 1 / e x .(R,+,dλ)(R,,dμ)xxx1/xex=1/ex

Z=Y/Xdμ (understanding implicitly that z>0) rather than dλ:

fZ(z)dz=gZ(z)dμ=12{1dz=zdμ,if 0z11z2dz=1zdμ,if z>1.

That is, the PDF with respect to the invariant measure dμ is gZ(z), proportional to z when 0<z1 and to 1/z when 1z, close to what you had hoped.


This is not a mere one-off trick. Understanding the role of dμ makes many formulas look simpler and more natural. For instance, the probability element of the Gamma function with parameter k, xk1exdx becomes xkexdμ. It's easier to work with dμ than with dλ when transforming x by rescaling, taking powers, or exponentiating.

The idea of an invariant measure on a group is far more general, too, and has applications in that area of statistics where problems exhibit some invariance under groups of transformations (such as changes of units of measure, rotations in higher dimensions, and so on).


3
Looks like a very insightful answer. It's a pity I don't understand it at the moment. I will check back later.
qed

4

If you think geometrically...

In the X-Y plane, curves of constant Z=Y/X are lines through the origin. (Y/X is the slope.) One can read off the value of Z from a line through the origin by finding its intersection with the line X=1. (If you've ever studied projective space: here X is the homogenizing variable, so looking at values on the slice X=1 is a relatively natural thing to do.)

Consider a small interval of Zs, (a,b). This interval can also be discussed on the line X=1 as the line segment from (1,a) to (1,b). The set of lines through the origin passing through this interval forms a solid triangle in the square (X,Y)U=[0,1]×[0,1], which is the region we're actually interested in. If 0a<b1, then the area of the triangle is 12(10)(ba), so keeping the length of the interval constant and sliding it up and down the line X=1 (but not past 0 or 1), the area is the same, so the probability of picking an (X,Y) in the triangle is constant, so the probability of picking a Z in the interval is constant.

However, for b>1, the boundary of the region U turns away from the line X=1 and the triangle is truncated. If 1a<b, the projections down lines through the origin from (1,a) and (1,b) to the upper boundary of U are to the points (1/a,1) and (1/b,1). The resulting area of the triangle is 12(1a1b)(10). From this we see the area is not uniform and as we slide (a,b) further and further to the right, the probability of selecting a point in the triangle decreases to zero.

Then the same algebra demonstrated in other answers finishes the problem. In particular, returning to the OP's last question, fZ(1/2) corresponds to a line that reaches X=1, but fZ(2) does not, so the desired symmetry does not hold.


3

Just for the record, my intuition was totally wrong. We are talking about density, not probability. The right logic is to check that

1kfZ(z)dz=1/k1fZ(z)=12(11k)
,

and this is indeed the case.


1

Yea the link Distribution of a ratio of uniforms: What is wrong? provides CDF of Z=Y/X. The PDF here is just derivative of the CDF. So the formula is correct. I think your problem lies in the assumption that you think Z is "symmetric" around 1. However this is not true. Intuitively Z should be a skewed distribution, for example it is useful to think when Y is a fixed number between (0,1) and X is a number close to 0, thus the ratio would be going to infinity. So the symmetry of distribution is not true. I hope this help a bit.

Utilizzando il nostro sito, riconosci di aver letto e compreso le nostre Informativa sui cookie e Informativa sulla privacy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.