Qual è la distribuzione del rapporto tra una spaziatura e la media del campione?


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Consenti a essere un campione di variabili casuali esponenziali iid con media e che siano le statistiche dell'ordine di questo esempio. Lascia che .X1,…,XnβX(1),…,X(n)X¯=1n∑i=1nXi

Definisci le distanzeSi può dimostrare che ogni è anche esponenziale, con media .

Wi=X(i+1)−X(i) ∀ 1≤i≤n−1.
Wiβi=βn−i

Domanda: Come potrei trovare , dove è noto e non negativo?P(WiX¯>t)t

Tentativo: so che è uguale a . Quindi ho usato la legge della probabilità totale in questo modo: 1−FWi(tX¯)

P(Wi>tX¯)=1−FWi(tX¯)=1−∫0∞FWi(ts)fX¯(s)ds,

che si trasforma in un disordinato ma penso integrale trattabile.

Sono sulla buona strada qui? È un uso valido della legge della probabilità totale?

Un altro approccio potrebbe essere quello di esaminare la distribuzione delle differenze:

P(Wi−tX¯>0)

O persino dividere le somme:

P(Wi−tX¯>0)=P((X(i+1)−X(i))+tn(X(1)+⋯+X(n)))

Una soluzione al caso esponenziale sarebbe ottima, ma ancora meglio sarebbe una sorta di vincoli generali sulla distribuzione. O almeno, i suoi momenti, che sarebbero sufficienti a darmi disuguaglianze di Chebyshev e Markov.


Aggiornamento: ecco l'integrale del primo metodo:

1−∫0∞(1−exp⁡(−tsβi))(1Γ(n)βnsn−1exp⁡(−βs))ds1−∫0∞(1−exp⁡(−(n−i)tsβ))(1Γ(n)βnsn−1exp⁡(−βs))ds

Ci sto giocando da un po 'e non sono sicuro di dove andare.


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L'integrale che ottieni appare relativamente semplice dopo aver distribuito i termini tra parentesi. Dopo un cambio di variabili, sembra che otterrai alcune funzioni gamma.
— Alex R.

@AlexR sì, ma dopo averlo attraversato a metà ho iniziato a sospettare che non fosse limitato tra 0 e 1. Cerco più conferma per aver impostato correttamente il problema. Se rimango bloccato con l'integrale stesso, chiederò a Math.SE
— Shadowtalker il

Risposte:


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La difficoltà che hai qui è che hai un evento relativo a variabili casuali non indipendenti. Il problema può essere semplificato e risolto manipolando l'evento in modo da confrontare gli incrementi indipendenti. Per fare ciò, notiamo innanzitutto che per , ciascuna delle statistiche dell'ordine può essere scritta come:X1,...,XN∼IID Exp(β)

X(k)=β∑i=1kZin−i+1,

dove (vedi ad esempio Renyi 1953, David e Nagaraja 2003). Questo ci consente di scrivere e possiamo scrivere la media di esempio come:W k = β Z k + 1 / ( n - k )Z1,Z2,...,Zn∼IID Exp(1)Wk=βZk+1/(n−k)

X¯≡βn∑k=1nX(k)=βn∑k=1n∑i=1kZin−i+1=βn∑i=1n∑k=inZin−i+1=βn∑i=1nZi.

Per facilitare la nostra analisi definiamo la quantità:

a≡t(n−k)n−t(n−k).

Per abbiamo quindi:a>0

P(Wk⩾tX¯)=P(Zk+1n−k⩾tn∑i=1nZi)=P(nn−k⋅Zk+1⩾t∑i=1kZi)=P((nn−k−t)Zk+1⩾t∑i≠kZi)=P((nn−k−t)Z⩾tG)=P(Z⩾aG),

dove e sono variabili casuali indipendenti. Per il banale caso in cui abbiamo . Per il caso non banale in cui abbiamo e la probabilità di interesse è:G ∼ Ga ( n - 1 , 1 ) t ⩾ nZ∼Exp(1)G∼Ga(n−1,1)t⩾n/(n−k)P(Wk⩾tX¯)=0t<n/(n−k)a>0

P(Wk⩾tX¯)=∫0∞Ga(g|n−1,1)∫ag∞Exp(z|1)dzdg=∫0∞1Γ(n−1)gn−2exp⁡(−g)∫ag∞exp⁡(−z)dzdg=∫0∞1Γ(n−1)gn−2exp⁡(−g)(1−exp⁡(ag))dg=∫0∞1Γ(n−1)gn−2exp⁡(−g)dg−∫0∞1Γ(n−1)gn−2exp⁡(−(a+1)g)dg=1−(a+1)−(n−1)=1−(1−n−kn⋅t)n−1.

Questa risposta è intuitivamente ragionevole. Questa probabilità sta diminuendo rigorosamente in , con probabilità unitaria quando e probabilità zero quando .t = 0 t = ntt=0t=nn−k

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