Distribuzione di


10

Come esercizio di routine, sto cercando di trovare la distribuzione di X2+Y2 dove XeYsonovariabili casualiU(0,1).

La densità articolare di (X,Y) è

fX,Y(x,y)=10<x,y<1

Trasformando in coordinate polari (X,Y)→(Z,Θ) tale che

X=Zcos⁡Θ and Y=Zsin⁡Θ

Quindi, z=x2+y2 e0<x,y<1⟹0<z<2 .

Quando 0<z<1 , abbiamo 0<cos⁡θ<1,0<sin⁡θ<1 modo che0<θ<π2 .

Quando 1<z<2 , abbiamozcos⁡θ<⟹θ>cos−1⁡(1z), poichécos⁡θsta diminuendo suθ∈[0,π2]; ezsin⁡θ<1⟹θ<sin−1⁡(1z), comesin⁡θsta aumentando inθ∈[0,π2].

Quindi, per 1<z<2 , abbiamocos−1⁡(1z)<θ<sin−1⁡(1z).

Il valore assoluto di jacobian della trasformazione è

|J|=z

Pertanto la densità articolare di (Z,Θ) è data da

fZ,Θ(z,θ)=z1{z∈(0,1),θ∈(0,π/2)}⋃{z∈(1,2),θ∈(cos−1⁡(1/z),sin−1⁡(1/z))}

Integrando θ , otteniamo il pdf di Z come

fZ(z)=πz210<z<1+(πz2−2zcos−1⁡(1z))11<z<2

Il mio ragionamento sopra è corretto? In ogni caso, vorrei evitare questo metodo e invece cercare di trovare il cdf di Z direttamente. Ma non sono riuscito a trovare le aree desiderate durante la valutazione di Pr(Y≤z2−X2)geometricamente.

MODIFICARE.

Ho provato a trovare la funzione di distribuzione di Z come

FZ(z)=Pr(Z≤z)=Pr(X2+Y2≤z2)=∬x2+y2≤z210<x,y<1dxdy

Mathematica dice che questo dovrebbe ridursi a

FZ(z)={0, if z<0πz24, if 0<z<1z2−1+z22(sin−1⁡(1z)−sin−1⁡(z2−1z)), if 1<z<21, if z>2

che sembra l'espressione corretta. La differenziazione di per il caso fa apparire comunque un'espressione che non semplifica facilmente il pdf che ho già ottenuto.FZ1<z<2

Infine, penso di avere le immagini corrette per il CDF:

Per :0<z<1

inserisci qui la descrizione dell'immagine

E per :1<z<2

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Le parti ombreggiate dovrebbero indicare l'area della regione

{(x,y):0<x,y<1,x2+y2≤z2}

L'immagine cede immediatamente

FZ(z)=Pr(−z2−X2≤Y≤z2−X2)={πz24, if 0<z<1z2−1+∫z2−11z2−x2dx, if 1<z<2

, come avevo precedentemente trovato.


1
Per trovare direttamente il CDF, utilizzare le funzioni dell'indicatore. PerIl resto è una manipolazione puramente algebrica. (Modifica: vedo che @ Xi'an ha appena pubblicato l'algebra nella sua risposta.)Pr ( √z≥0,
Pr(X2+Y2≤z)=∫01∫01I(x2+y2≤z2)dxdy.
— whuber

1
Per quanto riguarda la modifica: ottengo anche diverse espressioni diverse e (usando FullSimplify) si semplificano a diverse formule in Mathematica . Tuttavia, sono equivalenti. Questo è facilmente dimostrato tracciando la loro differenza. Apparentemente Mathematica non sa che quando . 1<z<√tan−1⁡(z2−1)=sec−1⁡(z)1<z<2
— whuber

1
Il bordo della superficie, , nella tua ultima immagine dovrebbe essere un (semi) cerchio con il centro (0,0). Così concavo invece che (il tuo attualmente disegnato) convesso. r2−x2
— Sesto Empirico

Risposte:


9

Che il pdf sia corretto può essere verificato con una semplice simulazione

samps=sqrt(runif(1e5)^2+runif(1e5)^2)
hist(samps,prob=TRUE,nclass=143,col="wheat")
df=function(x){pi*x/2-2*x*(x>1)*acos(1/(x+(1-x)*(x<1)))}
curve(df,add=TRUE,col="sienna",lwd=3)

inserisci qui la descrizione dell'immagine

La ricerca del cdf senza il cambiamento polare delle variabili passa attraverso

Pr(X2+Y2≤z)=Pr(X2+Y2≤z2)=Pr(Y2≤z2−X2)=Pr(Y≤z2−X2,X≤z)=EX[z2−X2I[0,min(1,z)](X)]=∫0min(1,z)z2−x2dx=z2∫0min(1,z−1)1−y2dy[x=yz, dx=zdy]=z2∫0min(π/2,cos−1⁡z−1)sin2⁡θdθ[y=cos⁡(θ), dy=sin⁡(θ)dθ]=z22[min(π/2,cos−1⁡z−1)−sin⁡{min(π/2,cos−1⁡z−1)}cos⁡{min(π/2,cos−1⁡z−1}]=z22{π/2 if z<1cos−1⁡z−1−sin⁡{cos−1⁡z−1)}z−1 if z≥1=z22{π/2 if z<1cos−1⁡z−1−1−z−2z−1 if z≥1
che finisce con la stessa complessità! (Più potenziali miei errori lungo la strada!)

Il caso è dove diventa un po 'sfocato. Suppongo di non finire con il pdf corretto che differenzia l'espressione per . 1≤z<2z≥1
— Testardo:

2

fz(z) :

Quindi, per , abbiamo 1≤z<2cos−1⁡(1z)≤θ≤sin−1⁡(1z)

È possibile semplificare le espressioni quando si utilizza la simmetria e si valutano le espressioni per . Pertanto, per metà dello spazio e quindi raddoppiare il risultato.θmin<θ<π4

Quindi ottieni:

P(Z≤r)=2∫0rz(∫θminπ4dθ)dz=∫0rz(π2−2θmin)dz

e il tuo èfz(z)

fz(z)=z(π2−2θmin)={z(π2) if 0≤z≤1z(π2−2cos−1⁡(1z)) if 1<z≤2

Fz(z) :

È possibile utilizzare l'integrale indefinito:

∫zcos−1⁡(1z)=12z(zcos−1⁡(1z)−1−1z2)+C

notedducos−1⁡(u)=−(1−u2)−0.5

Questo porta semplice da qualcosa di simile come espressione Xi'ans per ossiaPr(Z≤z)

se quindi:1≤z≤2

Fz(z)=z2(π4−cos−1⁡(1z)+z−11−1z2)

La relazione con la tua espressione si vede quando suddividiamo il in due espressioni e quindi convertiamo in diverse espressioni .cos−1cos−1sin−1

per abbiamoz>1

cos−1⁡(1z)=sin−1⁡(1−1z2)=sin−1⁡(z2−1z)

e

cos−1⁡(1z)=π2−sin−1⁡(1z)

così

cos−1⁡(1z)=0.5cos−1⁡(1z)+0.5cos−1⁡(1z)=π4−0.5sin−1⁡(1z)+0.5sin−1⁡(z2−1z)

che si traduce nella tua espressione quando lo inserisci nel citato perFz(z)1<z<2


1

Per , è solo l'area del quarto di cerchio del raggio che è . Cioè, 0≤z≤1P(X2+Y2≤z)z14πz2

For 0≤z≤1, area of quarter-circle=πz24=P(X2+Y2≤z).

Per , l'area su cui dobbiamo integrarci per trovare può essere divisa in due triangoli di destra uno ha vertici e mentre l'altro ha vertici e insieme a un settore di un cerchio di raggio e incluso angolo . L'area di questa regione (e quindi il valore di ) è facilmente reperibile.1<z≤2P(X2+Y2≤z)((0,0),(0,1)(z2−1,1)(0,0),(1,0)(1,z2−1) )zπ2−2arccos⁡(1z)(P(X2+Y2≤z)1<z≤2 , che è il risultato della risposta di Martijn Wetering.

area of region=area of two triangles plus area of sector=z2−1+12z2(π2−2arccos⁡(1z))=πz24+z2−1−z2arccos⁡1z=(P(X2+Y2≤z)

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.