Ti sei imbattuto in uno dei risultati più famosi della teoria e della statistica delle probabilità. Scriverò una risposta, anche se sono sicuro che questa domanda è stata posta (e risposta) prima su questo sito.
Innanzitutto, nota che il pdf di non può essere uguale a quello di poiché non sarà negativo. Per derivare la distribuzione di possiamo usare tre metodi, vale a dire la tecnica mgf, la tecnica cdf e la tecnica di trasformazione della densità. Cominciamo.Y=X2XYY
Tecnica della funzione generatrice dei momenti .
O tecnica caratteristica caratteristica, qualunque cosa tu voglia. Dobbiamo trovare il mgf di . Quindi dobbiamo calcolare le aspettativeY=X2
E[etX2]
Utilizzando la Legge dell'Inconscio Statistico , tutto quello che dobbiamo fare è calcolare questo integrale sulla distribuzione di . Quindi abbiamo bisogno di calcolareX
E[etX2]=∫∞−∞12π−−√etx2e−x22dx=∫∞−∞12π−−√exp{−x22(1−2t)}dt=∫∞−∞(1−2t)1/2(1−2t)1/212π−−√exp{−x22(1−2t)}dt=(1−2t)−1/2,t<12
dove nell'ultima riga abbiamo confrontato l'integrale con un integrale gaussiano con zero medio e varianza . Naturalmente questo si integra con uno sulla linea reale. Cosa puoi fare con quel risultato adesso? Bene, puoi applicare una trasformazione inversa molto complessa e determinare il pdf che corrisponde a questo MGF o potresti semplicemente riconoscerlo come MGF di una distribuzione chi-quadro con un grado di libertà. (Ricorda che una distribuzione chi-quadrata è un caso speciale di una distribuzione gamma con , essendo i gradi di libertà e ).1(1−2t)α=r2rβ=2
Tecnica CDF
Questa è forse la cosa più semplice che puoi fare ed è suggerita da Glen_b nei commenti. Secondo questa tecnica, calcoliamo
FY(y)=P(Y≤y)=P(X2≤y)=P(|X|≤y√)
e poiché le funzioni di distribuzione definiscono le funzioni di densità, dopo aver ottenuto un'espressione semplificata ci differenziamo rispetto a per ottenere il nostro pdf. Abbiamo quindiy
FY(y)=P(|X|≤y√)=P(−y√<X<y√)=Φ(y√)−Φ(−y√)
dove indica il CDF di una variabile normale standard. Differenziando rispetto a otteniamo,Φ(.)y
fY(y)=F′Y(y)=12y√ϕ(y√)+12y√ϕ(−y√)=1y√ϕ(y√)
dove è ora il pdf di una variabile normale standard e abbiamo usato il fatto che è simmetrico su zero. Quindiϕ(.)
fY(y)=1y√12π−−√e−y2,0<y<∞
che riconosciamo come il pdf di una distribuzione chi-quadrata con un grado di libertà (a questo punto potresti vedere uno schema).
Tecnica di trasformazione della densità
A questo punto potresti chiederti, perché non usiamo semplicemente la tecnica di trasformazione con cui hai familiarità, cioè per una funzione abbiamo che la densità di è data daY=g(X)Y
fY(y)=∣∣∣ddyg−1(y)∣∣∣fX(g−1(y))
per nell'intervallo di . Sfortunatamente questo teorema richiede che la trasformazione sia uno a uno, il che chiaramente non è il caso qui. In effetti, possiamo vedere che due valori di danno come risultato lo stesso valore di , essendo una trasformazione quadratica. Pertanto, questo teorema non è applicabile.ygXYg
Ciò che è applicabile, tuttavia, è un'estensione di esso. Sotto questa estensione, possiamo scomporre il supporto di (supporto indica i punti in cui la densità è diversa da zero), in insiemi disgiunti in modo tale che definisca una trasformazione uno a uno da questi insiemi nell'intervallo di . La densità di è quindi data dalla somma di tutte queste funzioni inverse e dei corrispondenti assoluti giacobiani. Nella notazione sopraXY=g(X)gY
fY(y)=∑∣∣∣ddyg−1(y)∣∣∣fX(g−1(y))
dove la somma scorre su tutte le funzioni inverse. Questo esempio lo chiarirà.
Per , abbiamo due funzioni inverse, vale a dire con corrispondente stile giacobino corrispondente e quindi il pdf corrispondente è trovato per esserey=x2x=±y√12y√
fY(y)=12y√12π−−√e−y/2+12y√12π−−√e−y/2=1y√12π−−√e−y/2,0<y<∞
il pdf di una distribuzione chi-quadrata con un grado di libertà. Da un lato, trovo questa tecnica particolarmente utile in quanto non è più necessario derivare il CDF della trasformazione. Ma ovviamente, questi sono gusti personali.
Quindi puoi andare a letto stasera con la certezza che il quadrato di una normale variabile casuale normale segue la distribuzione chi-quadrata con un grado di libertà.