Нецентральное распределение хи-квадрат

редактировать
Нецентральное хи-квадрат
Функция плотности вероятности Chi-Squared- (nonCentral) -pdf.png
Кумулятивная функция распределения Chi-Squared- (nonCentral) -cdf.png
Параметры

k>0 {\ displaystyle k>0 \,}k>0 \, степени свободы.

λ>0 {\ displaystyle \ lambda>0 \,}\lambda>0 \,параметр нецентральности
Поддержка x ∈ [0; + ∞) {\ displaystyle x \ in [0; + \ infty) \,}x \ in [0; + \ infty) \,
PDF 1 2 e - (x + λ) / 2 (x λ) k / 4 - 1/2 I k / 2-1 (λ Икс) {\ Displaystyle {\ гидроразрыва {1} {2}} е ^ {- (х + \ лямбда) / 2} \ влево ({\ гидроразрыва {х} {\ лямбда}} \ вправо) ^ {k / 4-1 / 2} I_ {k / 2-1} ({\ sqrt {\ lambda x}})}{\ frac {1} {2}} e ^ {- (x + \ lambda) / 2} \ left ({\ frac {x} {\ lambda} } \ right) ^ {k / 4-1 / 2} I_ {k / 2-1} ({\ sqrt {\ lambda x}})
CDF 1 - Q k 2 (λ, x) {\ displaystyle 1-Q _ {\ frac {k} {2}} \ left ({\ sqrt {\ lambda}}, {\ sqrt {x}} \ right)}1-Q _ {\ frac {k} {2}} \ left ({\ sqrt {\ lambda}}, {\ sqrt {x}} \ right) с Q-функцией Маркума QM (a, b) {\ displaystyle Q_ {M} (a, b)}Q_{M}(a,b)
Среднее k + λ {\ displaystyle k + \ lambda \,}k + \ lambda \,
Дисперсия 2 (к + 2 λ) {\ displaystyle 2 (k + 2 \ lambda) \,}2 (k + 2 \ lambda) \,
асимметрия 2 3/2 (k + 3 λ) (k + 2 λ) 3/2 {\ displaystyle {\ frac {2 ^ {3/2} (k + 3 \ lambda)} {(k + 2 \ lambda) ^ {3/2}}}}{\ frac {2 ^ {3/2} (k + 3 \ lambda)} {(k + 2 \ lambda) ^ {3 / 2}}}
Пример. эксцесс 12 (к + 4 λ) (к + 2 λ) 2 {\ displaystyle {\ frac {12 (k + 4 \ lambda)} {(k + 2 \ lambda) ^ {2}}}}{\ гидроразрыва {12 (к + 4 \ лямбда)} {(к + 2 \ лямбда) ^ {2}}}
MGF exp ⁡ (λ t 1 - 2 t) (1-2 t) k / 2 для 2 t < 1 {\displaystyle {\frac {\exp \left({\frac {\lambda t}{1-2t}}\right)}{(1-2t)^{k/2}}}{\text{ for }}2t<1}{\ displaystyle {\ frac {\ exp \ left ({\ frac {\ lambda t} {1-2t}} \ справа)} {(1-2t) ^ {k / 2}}} {\ text {for}} 2t <1}
CF exp ⁡ (i λ t 1 - 2 it) (1 - 2 it) k / 2 {\ displaystyle {\ frac {\ exp \ left ({\ frac {i \ lambda t} {1-2it}} \ right)} {(1-2it) ^ {k / 2}}}}{\ frac {\ exp \ left ({\ frac {i \ lambda t} {1-2it}} \ right)} {(1-2it) ^ {k / 2}}}

В теории вероятностей и статистика, нецентральное распределение хи-квадрат (или нецентральное распределение хи-квадрат, нецентральное χ 2 {\ displaystyle \ chi ^ {2}}\ chi ^ {2} распределение ) является нецентральным обобщением распределения хи-квадрат. Это часто возникает в анализе мощности статистических тестов, в которых нулевое распределение является (возможно, асимптотически) распределением хи-квадрат; важными примерами таких тестов являются тесты отношения правдоподобия.

Содержание

  • 1 Предпосылки
  • 2 Определение
  • 3 Свойства
    • 3.1 Функция генерирования моментов
    • 3.2 Моменты
    • 3.3 Накопление функция распределения
      • 3.3.1 Аппроксимация (включая квантили)
  • 4 Получение pdf
  • 5 Связанные распределения
    • 5.1 Преобразования
  • 6 Вхождения
    • 6.1 Использование в интервалах допуска
  • 7 Примечания
  • 8 Ссылки

Предпосылки

Пусть (X 1, X 2,…, X i,…, X k) {\ displaystyle (X_ {1}, X_ {2}), \ ldots, X_ {i}, \ ldots, X_ {k})}{\ displaystyle ( X_ {1}, X_ {2}, \ ldots, X_ {i}, \ ldots, X_ {k})} быть k независимыми, нормально распределенными случайными величинами со средним значением μ i {\ displaystyle \ mu _ {i}}\ mu _ {i} и отклонения единиц измерения. Тогда случайная величина

∑ i = 1 k X i 2 {\ displaystyle \ sum _ {i = 1} ^ {k} X_ {i} ^ {2}}\ sum _ {i = 1} ^ {k} X_ {i} ^ {2}

распределяется в соответствии с нецентральным чи квадратное распределение. Он имеет два параметра: k {\ displaystyle k}k , который указывает количество степеней свободы (т.е. количество X i {\ displaystyle X_ {i }}X_ {i} ) и λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda , который связан со средним значением случайных величин X i {\ displaystyle X_ {i}}X_ {i} по:

λ = ∑ i = 1 k μ i 2. {\ displaystyle \ lambda = \ sum _ {i = 1} ^ {k} \ mu _ {i} ^ {2}.}\ lambda = \ sum _ {i = 1} ^ {k} \ mu _ {i} ^ {2}.

λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda иногда называют параметр нецентральности. Обратите внимание, что некоторые ссылки определяют λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda другими способами, например, половину указанной выше суммы или ее квадратный корень.

Это распределение возникает в многомерной статистике как производная от многомерного нормального распределения. В то время как центральное распределение хи-квадрат представляет собой возведенную в квадрат норму случайного вектора с N (0 k, I k) {\ displaystyle N ( 0_ {k}, I_ {k})}N (0_ {k}, I_ {k}) распределение (т. Е. Квадрат расстояния от начала координат до точки, взятой случайным образом из этого распределения), нецентральное χ 2 {\ displaystyle \ chi ^ {2}}\ chi ^ {2} - квадрат нормы случайного вектора с N (μ, I k) {\ displaystyle N (\ mu, I_ {k})}N (\ mu, I_ {k}) распространение. Здесь 0 k {\ displaystyle 0_ {k}}0_ {k} - нулевой вектор длины k, μ = (μ 1,…, μ k) {\ displaystyle \ mu = (\ mu _ {1}, \ ldots, \ mu _ {k})}\ mu = (\ mu _ {1}, \ ldots, \ mu _ {k}) и I k {\ displaystyle I_ {k}}I_ {k} - это единичная матрица размера k.

Определение

Функция плотности вероятности (pdf) задается как

f X (x; k, λ) = ∑ i = 0 ∞ e - λ / 2 (λ / 2) ii! е Y К + 2 я (Икс), {\ Displaystyle F_ {X} (х; к, \ lambda) = \ sum _ {я = 0} ^ {\ infty} {\ frac {e ^ {- \ lambda / 2} (\ lambda / 2) ^ {i}} {i!}} F_ {Y_ {k + 2i}} (x),}f_ {X} ( x; k, \ lambda) = \ sum _ {i = 0} ^ {\ infty} {\ frac {e ^ {- \ lambda / 2} (\ lambda / 2) ^ {i}} {i!}} f_ {Y_ {k + 2i}} (x),

где Y q {\ displaystyle Y_ {q}}Y_ {q} распределяется как хи-квадрат с q {\ displaystyle q}q степенями свободы.

Из этого представления видно, что нецентральное распределение хи-квадрат представляет собой взвешенную по Пуассону смесь центральных распределений хи-квадрат. Предположим, что случайная величина J имеет распределение Пуассона со средним значением λ / 2 {\ displaystyle \ lambda / 2}\ lambda / 2 и условным распределением Z при J = i является хи-квадрат с k + 2i степенями свободы. Тогда безусловное распределение Z является нецентральным хи-квадрат с k степенями свободы, а параметр нецентральности λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda .

В качестве альтернативы можно записать pdf как

е Икс (Икс; К, λ) = 1 2 е - (Икс + λ) / 2 (Икс λ) к / 4 - 1/2 I k / 2 - 1 (λ x) {\ Displaystyle f_ {X} (x; k, \ lambda) = {\ frac {1} {2}} e ^ {- (x + \ lambda) / 2} \ left ({\ frac {x} {\ lambda}} \ right) ^ {k / 4-1 / 2} I_ {k / 2-1} ({\ sqrt {\ lambda x}})}{\ displaystyle f_ {X} (x; k, \ lambda) = {\ frac {1} {2}} e ^ {- (x + \ lambda) / 2} \ left ({\ frac {x} {\ lambda}} \ right) ^ {k / 4-1 / 2} I_ {k / 2-1} ({\ sqrt {\ lambda x} })}

где I ν (y) {\ displaystyle I _ {\ nu } (y)}I _ {\ nu} (y) - это модифицированная функция Бесселя первого рода, заданная как

I ν (y) = (y / 2) ν ∑ j = 0 ∞ (y 2/4) jj! Γ (ν + j + 1). {\ displaystyle I _ {\ nu} (y) = (y / 2) ^ {\ nu} \ sum _ {j = 0} ^ {\ infty} {\ frac {(y ^ {2} / 4) ^ { j}} {j! \ Gamma (\ nu + j + 1)}}.}{\ displaystyle I _ {\ nu} ( y) = (y / 2) ^ {\ nu} \ sum _ {j = 0} ^ {\ infty} {\ frac {(y ^ {2} / 4) ^ {j}} {j! \ Gamma ( \ nu + j + 1)}}.}

Используя связь между функциями Бесселя и гипергеометрическими функциями, PDF-файл также может быть записывается как:

f X (x; k, λ) = e - λ / 2 0 F 1 (; k / 2; λ x / 4) 1 2 k / 2 Γ (k / 2) e - x / 2 xk / 2 - 1. {\ displaystyle f_ {X} (x; k, \ lambda) = {{\ rm {e}} ^ {- \ lambda / 2}} _ {0} F_ {1} (; k / 2; \ lambda x / 4) {\ frac {1} {2 ^ {k / 2} \ Gamma (k / 2)}} {\ rm {e}} ^ {- x / 2} x ^ {k / 2-1}. }{\ displaystyle f_ {X} (x; k, \ lambda) = {{\ rm {e}} ^ {- \ l ambda / 2}} _ {0} F_ {1} (; k / 2; \ lambda x / 4) {\ frac {1} {2 ^ {k / 2} \ Gamma (k / 2)}} {\ rm {e}} ^ {- x / 2} x ^ {k / 2-1}.}

Сигел (1979) конкретно обсуждает случай k = 0 (нулевые степени свободы ), и в этом случае распределение имеет дискретную составляющую в нуле.

Свойства

Функция создания момента

функция создания момента задается как

M (t; k, λ) = exp ⁡ (λ t 1 - 2 t) (1 - 2 t) k / 2. {\ Displaystyle M (t; к, \ lambda) = {\ frac {\ exp \ left ({\ frac {\ lambda t} {1-2t}} \ right)} {(1-2t) ^ {k / 2}}}.}M (t; k, \ lambda) = {\ frac {\ exp \ left ({\ frac {\ lambda t} {1-2t}} \ right)} {(1-2t) ^ {k /2}}}.

Моменты

Первые несколько сырых моментов :

μ 1 ′ = k + λ {\ displaystyle \ mu '_ {1} = к + \ лямбда}\mu '_{1}=k+\lambda
μ 2 ′ = (k + λ) 2 + 2 (k + 2 λ) {\ displaystyle \ mu '_ {2} = (k + \ lambda) ^ {2} +2 (k + 2 \ лямбда)}\mu '_{2}=(k+\lambda)^{2}+2(k+2\lambda)
μ 3 ′ = (k + λ) 3 + 6 (k + λ) (k + 2 λ) + 8 (k + 3 λ) {\ displaystyle \ mu '_ {3} = (k + \ lambda) ^ {3} +6 (k + \ lambda) (k + 2 \ lambda) +8 (k + 3 \ lambda)}\mu '_{3}=(k+\lambda)^{3}+6(k+\lambda)(k+2\lambda)+8(k+3\lambda)
μ 4 ′ = (k + λ) 4 + 12 (k + λ) 2 (к + 2 λ) + 4 (11 к 2 + 44 к λ + 36 λ 2) + 48 (к + 4 λ) {\ displaystyle \ mu '_ {4} = (k + \ lambda) ^ {4} +12 (k + \ lambda) ^ {2} (k + 2 \ lambda) +4 (11k ^ {2} + 44k \ lambda +36 \ lambda ^ {2}) + 48 (k + 4 \ lambda)}\mu '_{4}=(k+\lambda)^{4}+12(k+\lambda)^{2}(k+2\lambda)+4(11k^{2}+44k\lambda +36\lambda ^{2})+48(k+4\lambda)

Первые несколько центральных моментов :

μ 2 = 2 (k + 2 λ) {\ displaystyle \ mu _ {2} = 2 (k + 2 \ lambda) \,}\ mu _ {2} = 2 (k + 2 \ lambda) \,
μ 3 = 8 (к + 3 λ) {\ displaystyle \ mu _ {3} = 8 (k + 3 \ lambda) \,}\ mu _ {3} = 8 (k + 3 \ lambda) \,
μ 4 = 12 (k + 2 λ) 2 + 48 (к + 4 λ) {\ displaystyle \ mu _ {4} = 12 (k + 2 \ lambda) ^ {2} +48 (k + 4 \ lambda) \,}\ mu _ {4} = 12 (k + 2 \ lambda) ^ {2} +48 (k + 4 \ lambda) \,

N-й кумулянт равен

K n = 2 n - 1 (n - 1)! (к + п λ). {\ displaystyle K_ {n} = 2 ^ {n-1} (n-1)! (k + n \ lambda). \,}К_ {п} = 2 ^ {п-1} (п-1)! (К + п \ лямбда). \,

Следовательно,

μ n ′ = 2 n - 1 (n - 1)! (К + N λ) + ∑ J знак равно 1 N - 1 (N - 1)! 2 j - 1 (n - j)! (k + j λ) μ n - j ′. {\ displaystyle \ mu '_ {n} = 2 ^ {n-1} (n-1)! (k + n \ lambda) + \ sum _ {j = 1} ^ {n-1} {\ frac { (n-1)! 2 ^ {j-1}} {(nj)!}} (k + j \ lambda) \ mu '_ {nj}.}\mu '_{n}=2^{n-1}(n-1)!(k+n\lambda)+\sum _{j=1}^{n-1}{\frac {(n-1)!2^{j-1}}{(n-j)!}}(k+j\lambda)\mu '_{n-j}.

Кумулятивная функция распределения

Снова используя соотношение между центральным и нецентральным распределениями хи-квадрат, кумулятивная функция распределения (cdf) может быть записана как

P (x; k, λ) = e - λ / 2 ∑ j = 0 ∞ (λ / 2) jj! Q (Икс; К + 2 J) {\ Displaystyle P (х; к, \ лямбда) = е ^ {- \ лямбда / 2} \; \ сумма _ {j = 0} ^ {\ infty} {\ frac { (\ lambda / 2) ^ {j}} {j!}} Q (x; k + 2j)}P (x; k, \ lambda) = e ^ {- \ lambda / 2} \; \ sum _ {j = 0} ^ {\ infty} {\ frac {( \ lambda / 2) ^ {j}} {j!}} Q (x; k + 2j)

где Q (x; k) {\ displaystyle Q (x; k) \,}Q ( х; к) \, - кумулятивная функция распределения центрального распределения хи-квадрат с k степенями свободы, которая задается как

Q (x; k) = γ (k / 2, x / 2) Γ (k / 2) {\ Displaystyle Q (x; k) = {\ frac {\ gamma (k / 2, x / 2)} {\ Gamma (k / 2)}} \,}Q (x; k) = {\ frac {\ gamma (k / 2, x / 2)} {\ Gamma (k / 2)}} \,
и где γ (k, z) {\ displaystyle \ gamma (k, z) \,}\ gamma (k, z) \, - это нижняя неполная гамма-функция.

Q-функция Marcum QM (a, b) {\ displaystyle Q_ {M} (a, b)}Q_{M}(a,b)также может использоваться для представления cdf.

P (x; k, λ) = 1 - Q К 2 (λ, Икс) {\ Displaystyle P (х; к, \ lambda) = 1-Q _ {\ frac {k} {2}} \ left ({\ sqrt {\ lambda}}, {\ sqrt {x }} \ right)}P (x; k, \ lambda) = 1-Q_ {\ frac {k} {2}} \ left ({\ sqrt {\ lambda}}, {\ sqrt {x}} \ right)

Аппроксимация (в том числе для квантилей)

Абдель-Ати выводит (как «первое приближение») нецентральное приближение Вильсона-Хильферти:

(χ ′ 2 k + λ) 1 3 {\ displaystyle \ left ({ \ frac {\ chi '^ {2}} {k + \ lambda}} \ right) ^ {\ frac {1} {3}}}{\displaystyle \left({\frac {\chi '^{2}}{k+\lambda }}\right)^{\frac {1}{3}}}приблизительно нормально распределенный, ∼ N (1-2 9 е, 2 9 е), {\ displaystyle \ sim {\ mathcal {N}} \ left (1 - {\ frac {2} {9f}}, {\ frac {2} {9f}} \ right),}{\ displaystyle \ sim {\ mathcal {N}} \ left (1 - {\ frac {2} {9f}}, {\ frac {2} {9f}} \ right),} т.е.

P (x; k, λ) ≈ Φ {(xk + λ) 1/3 - (1 - 2 9 f) 2 9 f}, где f: = (k + λ) 2 k + 2 λ = k + λ 2 k + 2 λ, {\ Displaystyle P (х; к, \ лямбда) \ приблизительно \ Phi \ left \ {{\ frac {\ left ({\ frac {x} {k + \ lambda}} \ right) ^ {1/3} - \ left (1 - {\ frac {2} {9f}} \ right)} {\ sqrt {\ frac {2} {9f}}}} \ right \}, {\ text {where}} \ f: = {\ frac {(k + \ lambda) ^ {2}} {k + 2 \ lambda}} = k + {\ frac {\ lambda ^ {2}} {k + 2 \ lambda}},}{\ displaystyle P (x; k, \ lambda) \ приблизительно \ Phi \ left \ {{\ frac {\ left ({\ frac {x} {k + \ lambda}} \ right) ^ {1 / 3} - \ left (1 - {\ frac {2} {9f}} \ right)} {\ sqrt {\ frac {2} {9f}}}} \ right \}, {\ text {where}} \ f: = {\ frac {(k + \ lambda) ^ {2}} {k + 2 \ lambda}} = k + {\ frac {\ lambda ^ {2}} {k + 2 \ lambda}},}

который довольно точен и хорошо адаптируется к нецентральности. Кроме того, f = f (k, λ) {\ displaystyle f = f (k, \ lambda)}{\ displaystyle f = f (k, \ lambda)} становится f = k {\ displaystyle f = k}{\ displaystyle f = k} для λ = 0 {\ displaystyle \ lambda = 0}\ lambda = 0 , случай (центральный) хи-квадрат.

Шанкаран обсуждает ряд закрытых форм приближений для кумулятивной функции распределения. В более ранней работе он вывел и сформулировал следующее приближение:

P (x; k, λ) ≈ Φ {(xk + λ) h - (1 + hp (h - 1 - 0,5 (2 - h) mp))) час 2 п (1 + 0,5 МП)} {\ Displaystyle P (х; к, \ lambda) \ приблизительно \ Phi \ left \ {{\ frac {({\ frac {x} {k + \ lambda}}) ^ {h} - (1 + hp (h-1-0.5 (2-h) mp))} {h {\ sqrt {2p}} (1 + 0.5mp)}} \ right \}}P (x; k, \ lambda) \ приблизительно \ Phi \ l eft \ {{\ frac {({\ frac {x} {k + \ lambda}}) ^ {h} - (1 + hp (h-1-0,5 (2-h) mp))} {h {\ sqrt {2p}} (1 + 0.5mp)}} \ right \}

где

Φ {⋅} {\ displaystyle \ Phi \ lbrace \ cdot \ rbrace \,}\ Phi \ lbrace \ cdot \ rbrace \, обозначает кумулятивную функцию распределения стандартного нормального распределения ;
h = 1-2 3 (k + λ) (k + 3 λ) (k + 2 λ) 2; {\ displaystyle h = 1 - {\ frac {2} {3}} {\ frac {(k + \ lambda) (k + 3 \ lambda)} {(k + 2 \ lambda) ^ {2}}} \, ;}h = 1 - {\ frac {2} {3}} {\ frac {(k + \ lambda) (k + 3 \ lambda)} { (k + 2 \ lambda) ^ {2}}} \,;
p = k + 2 λ (k + λ) 2; {\ displaystyle p = {\ frac {k + 2 \ lambda} {(k + \ lambda) ^ {2}}};}p = {\ frac {k + 2 \ lambda} {(k + \ lambda) ^ {2}}};
m = (h - 1) (1-3 часа). {\ displaystyle m = (h-1) (1-3h) \,.}m=(h-1)(1-3h)\,.

Это и другие приближения обсуждаются в более позднем учебнике.

Для заданной вероятности эти формулы легко инвертируются чтобы обеспечить соответствующее приближение для x {\ displaystyle x}x , чтобы вычислить приблизительные квантили.

Вывод pdf

Вывод функции плотности вероятности проще всего выполнить, выполнив следующие шаги:

  1. Поскольку X 1,…, X k {\ displaystyle X_ {1}, \ ldots, X_ {k}}X_ {1}, \ ldots, X_ {k} имеют единичные дисперсии, их совместное распределение сферически симметрично с точностью до сдвига местоположения.
  2. Сферическая симметрия означает, что распределение из X = X 1 2 + ⋯ + X k 2 {\ displaystyle X = X_ {1} ^ {2} + \ cdots + X_ {k} ^ {2}}X = X_ {1} ^ {2} + \ cdots + X_ {k} ^ {2} зависит от означает только через квадрат длины, λ = μ 1 2 + ⋯ + μ K 2 {\ displaystyle \ lambda = \ mu _ {1} ^ {2} + \ cdots + \ mu _ {k} ^ {2 }}\ lambda = \ mu _ {1} ^ {2} + \ cdots + \ mu _ {k} ^ {2} . Таким образом, без ограничения общности можно взять μ 1 = λ {\ displaystyle \ mu _ {1} = {\ sqrt {\ lambda}}}\ mu _ {1} = {\ sqrt {\ lambda}} и μ 2 = ⋯ = μ К = 0 {\ displaystyle \ mu _ {2} = \ cdots = \ mu _ {k} = 0}\ mu _ {2} = \ cdots = \ mu _ {k} = 0 .
  3. Теперь определите плотность X = X 1 2 {\ displaystyle X = X_ {1 } ^ {2}}X = X_ {1} ^ {2} (т.е. случай k = 1). Простое преобразование случайных величин показывает, что
f X (x, 1, λ) = 1 2 x (ϕ (x - λ) + ϕ (x + λ)) = 1 2 π xe - (x + λ) / 2 cosh ⁡ (λ Икс), {\ Displaystyle {\ begin {align} f_ {X} (x, 1, \ lambda) = {\ frac {1} {2 {\ sqrt {x}}}} \ left (\ phi ({\ sqrt {x}} - {\ sqrt {\ lambda}}) + \ phi ({\ sqrt {x}} + {\ sqrt {\ lambda}}) \ right) \\ = { \ frac {1} {\ sqrt {2 \ pi x}}} e ^ {- (x + \ lambda) / 2} \ cosh ({\ sqrt {\ lambda x}}), \ end {align}}}{\ begin {align} f_ {X} (x, 1, \ lambda) = {\ frac {1} {2 {\ sqrt {x}}}} \ left (\ phi ({\ sqrt {x}} - {\ sqrt {\ lambda}}) + \ phi ({\ sqrt {x }} + {\ sqrt {\ lambda}}) \ right) \\ = {\ frac {1} {\ sqrt {2 \ pi x}}} e ^ {- (x + \ lambda) / 2} \ cosh ({\ sqrt {\ lambda x}}), \ end {align}}
где ϕ (⋅) {\ displaystyle \ phi (\ cdot)}\ phi (\ cdot) - стандартная нормальная плотность.
  1. Разверните член cosh в ряду Тейлора. Это дает взвешенное по Пуассону смешанное представление плотности, все еще для k = 1. Индексы случайных величин хи-квадрат в приведенном выше ряду в этом случае равны 1 + 2i.
  2. Наконец, для общего кейс. Мы предположили, без ограничения общности, что X 2,…, X k {\ displaystyle X_ {2}, \ ldots, X_ {k}}X_ {2}, \ ldots, X_ {k} являются стандартными нормальными, и поэтому X 2 2 + ⋯ + X k 2 {\ displaystyle X_ {2} ^ {2} + \ cdots + X_ {k} ^ {2}}X_ {2} ^ {2} + \ cdots + X_ {k} ^ {2} имеет центральное распределение хи-квадрат с ( k - 1) степени свободы, не зависящие от X 1 2 {\ displaystyle X_ {1} ^ {2}}X_ {1} ^ {2} . Используя взвешенное по Пуассону представление смеси для X 1 2 {\ displaystyle X_ {1} ^ {2}}X_ {1} ^ {2} , а также тот факт, что сумма случайных величин хи-квадрат также является хи- квадрат, завершает результат. Индексы в серии: (1 + 2i) + (k - 1) = k + 2i, если требуется.

Связанные распределения

  • Если V {\ displaystyle V}V равно хи-квадрат распределенный V ∼ χ k 2 {\ displaystyle V \ sim \ chi _ {k} ^ {2}}V \ sim \ chi _ {k} ^ {2} , затем V {\ displaystyle V}V также имеет нецентральное распределение по хи-квадрат: V ∼ χ ′ k 2 (0) {\ displaystyle V \ sim {\ chi '} _ {k} ^ {2} (0) }V\sim {\chi '}_{k}^{2}(0)
  • Линейная комбинация независимых нецентральных переменных хи-квадрат ξ = ∑ i λ i Y i + c, Y i ∼ χ ′ 2 (mi, δ i 2) {\ displaystyle \ xi = \ sum _ {i} \ lambda _ {i} Y_ {i} + c, \ quad Y_ {i} \ sim \ chi '^ {2} (m_ {i}, \ delta _ {i} ^ {2})}{\displaystyle \xi =\sum _{i}\lambda _{i}Y_{i}+c,\quad Y_{i}\sim \chi '^{2}(m_{i},\delta _{i}^{2})}, является распределенным обобщенным хи-квадрат.
  • Если V 1 ∼ χ ′ k 1 2 (λ) {\ displaystyle V_ {1} \ sim {\ chi '} _ {k_ {1}} ^ {2} (\ lambda)}V_{1}\sim {\chi '}_{k_{1}}^{2}(\lambda)и V 2 ∼ χ ′ k 2 2 (0) {\ displaystyle V_ {2} \ sim {\ chi '} _ { k_ {2}} ^ {2} (0)}V_{2}\sim {\chi '}_{k_{2}}^{2}(0)и V 1 {\ displaystyle V_ {1}}V_ {1} не зависит от V 2 {\ displaystyle V_ {2}}V_ {2} затем нецентральное F-распределение d переменная представлена ​​как V 1 / k 1 V 2 / k 2 ∼ F k 1, k 2 ′ (λ) {\ displaystyle {\ frac {V_ {1} / k_ {1}} { V_ {2} / k_ {2}}} \ sim F '_ {k_ {1}, k_ {2}} (\ lambda)}{\frac {V_{1}/k_{1}}{V_{2}/k_{2}}}\sim F'_{k_{1},k_{2}}(\lambda)
  • Если J ∼ P oisson (1 2 λ) {\ displaystyle J \ sim \ mathrm {Poisson} \ left ({{\ frac {1} {2}} \ lambda} \ right)}{\ displaystyle J \ sim \ mathrm {Пуассон} \ left ({{\ frac {1} {2}} \ lambda} \ right)} , затем χ k + 2 J 2 ∼ χ ′ к 2 (λ) {\ displaystyle \ chi _ {k + 2J} ^ {2} \ sim {\ chi '} _ {k} ^ {2} (\ lambda)}\chi _{k+2J}^{2}\sim {\chi '}_{k}^{2}(\lambda)
  • Если V ∼ χ ′ 2 2 (λ) {\ Displaystyle V \ sim {\ chi '} _ {2} ^ {2} (\ lambda)}V\sim {\chi '}_{2}^{2}(\lambda), затем V {\ displaystyle {\ sqrt {V }}}{\ sqrt {V}} принимает распределение Райса с параметром λ {\ displaystyle {\ sqrt {\ lambda}}}{\ sqrt {\ lambda}} .
  • Нормальное приближение: если V ∼ χ 'К 2 (λ) {\ Displaystyle V \ sim {\ chi'} _ {k} ^ {2} (\ lambda)}V\sim {\chi '}_{k}^{2}(\lambda), затем V - (k + λ) 2 ( к + 2 λ) → N (0, 1) {\ displaystyle {\ frac {V- (k + \ lambda)} {\ sqrt {2 (k + 2 \ lambda)}}} \ к N (0,1) }{\ frac {V- (k + \ lambda)} {\ sqrt {2 (k + 2 \ lambda)}}} \ to N (0,1) в распределении как k → ∞ {\ displaystyle k \ to \ infty}k \ to \ infty или λ → ∞ {\ displaystyle \ lambda \ to \ in fty}\ lambda \ to \ infty .
  • Если V 1 ∼ χ ′ k 1 2 (λ 1) {\ displaystyle V_ {1} \ sim {\ chi '} _ {k_ {1}} ^ {2} (\ lambda _ {1})}{\displaystyle V_{1}\sim {\chi '}_{k_{1}}^{2}(\lambda _{1})}и V 2 ∼ χ ′ k 2 2 (λ 2) {\ displaystyle V_ {2} \ sim {\ chi '} _ {k_ {2}} ^ { 2} (\ lambda _ {2})}{\displaystyle V_{2}\sim {\chi '}_{k_{2}}^{2}(\lambda _{2})}, где V 1, V 2 {\ displaystyle V_ {1}, V_ {2}}{ \ displaystyle V_ {1}, V_ {2}} независимы, тогда W знак равно (В 1 + V 2) ∼ χ ′ К 2 (λ 1 + λ 2) {\ Displaystyle W = (V_ {1} + V_ {2}) \ sim {\ chi '} _ {к } ^ {2} (\ lambda _ {1} + \ lambda _ {2})}{\displaystyle W=(V_{1}+V_{2})\sim {\chi '}_{k}^{2}(\lambda _{1}+\lambda _{2})}где k = k 1 + k 2 {\ displaystyle k = k_ {1} + k_ { 2}}k = k_ {1} + k_ {2} .
  • В общем, для конечного набора V i ∼ χ ′ ki 2 (λ i), i ∈ {1.. N} {\ displaystyle V_ {i} \ sim {\ chi ' } _ {k_ {i}} ^ {2} (\ lambda _ {i}), i \ in \ left \ {1..N \ right \}}{\displaystyle V_{i}\sim {\chi '}_{k_{i}}^{2}(\lambda _{i}),i\in \left\{1..N\right\}}, сумма этих не- центральные распределенные случайные величины по хи-квадрат Y = ∑ i = 1 NV i {\ displaystyle Y = \ sum _ {i = 1} ^ {N} V_ {i}}{\ displaystyle Y = \ sum _ {i = 1} ^ {N} V_ {i}} имеет распределение Y ∼ χ ′ ky 2 (λ y) {\ displaystyle Y \ sim {\ chi '} _ {k_ {y}} ^ {2} (\ lambda _ {y})}{\displaystyle Y\sim {\chi '}_{k_{y}}^{2}(\lambda _{y})}где ки знак равно ∑ я знак равно 1 N ки, λ Y = ∑ я знак равно 1 N λ я {\ Displaystyle к_ { y} = \ sum _ {i = 1} ^ {N} k_ {i}, \ lambda _ {y} = \ sum _ {i = 1} ^ {N} \ lambda _ {i}}{\ displaystyle k_ { y} = \ sum _ {i = 1} ^ {N} k_ {i}, \ lambda _ {y} = \ sum _ {i = 1} ^ {N} \ lambda _ {i}} . Это можно увидеть с помощью следующих функций, генерирующих момент: MY (t) = M ∑ i = 1 NV i (t) = ∏ i = 1 NMV i (t) {\ displaystyle M_ {Y} (t) = M _ {\ sum _ {i = 1} ^ {N} V_ {i}} (t) = \ prod _ {i = 1} ^ {N} M_ {V_ {i}} (t)}{\ displaystyle M_ {Y} (t) = M _ {\ sum _ {i = 1} ^ { N} V_ {i}} (t) = \ prod _ {i = 1} ^ {N} M_ {V_ {i}} (t)} независимостью случайных величин V i {\ displaystyle V_ {i}}V_ {i} . Осталось подключить MGF для нецентральных распределений хи-квадрат в продукт и вычислить новый MGF - это оставлено как упражнение. В качестве альтернативы его можно рассматривать с помощью интерпретации в предыдущем разделе фона как суммы квадратов независимых нормально распределенных случайных величин с дисперсией 1 и заданными средними значениями.
  • Сложное нецентральное распределение хи-квадрат находит применение в радиосвязи. и радиолокационные системы. Пусть (z 1,…, zk) {\ displaystyle (z_ {1}, \ ldots, z_ {k})}{\ displaystyle ( z_ {1}, \ ldots, z_ {k})} независимые скалярные комплексные случайные величины с нецентральным круговая симметрия, средние значения μ i {\ displaystyle \ mu _ {i}}\ mu _ {i} и единичные отклонения: E ⁡ | z i - μ i | 2 = 1 {\ displaystyle \ operatorname {E} \ left | z_ {i} - \ mu _ {i} \ right | ^ {2} = 1}{\ displaystyle \ operatorname {E} \ left | z_ {i} - \ mu _ {i} \ right | ^ {2} = 1} . Тогда действительная случайная величина S = ∑ i = 1 k | z i | 2 {\ displaystyle S = \ sum _ {i = 1} ^ {k} \ left | z_ {i} \ right | ^ {2}}{\ displaystyle S = \ sum _ {i = 1} ^ {k } \ left | z_ {i} \ right | ^ {2}} распределяется в соответствии со сложным нецентральным распределением хи-квадрат :
е S (S) знак равно (S λ) (к - 1) / 2 е - (S + λ) I к - 1 (2 S λ) {\ Displaystyle f_ {S} (S) = \ left ({\ frac {S} {\ lambda}} \ right) ^ {(k-1) / 2} e ^ {- (S + \ lambda)} I_ {k-1} (2 {\ sqrt {S \ lambda }})}{\ displaystyle f_ {S} (S) = \ left ({\ frac {S} {\ lambda}} \ right) ^ {(k-1) / 2} e ^ {- (S + \ lambda) } I_ {k-1} (2 {\ sqrt {S \ lambda}})} .
где λ = ∑ i = 1 k | μ i | 2. {\ displaystyle \ lambda = \ sum _ {i = 1} ^ {k} \ left | \ mu _ {i} \ right | ^ {2}.}{\ displaystyle \ lambda = \ sum _ {i = 1} ^ { k} \ left | \ mu _ {i} \ right | ^ {2}.}

Преобразования

Шанкаран (1963) обсуждает преобразования формы z = [(X - b) / (k + λ)] 1/2 {\ displaystyle z = [(Xb) / (k + \ lambda)] ^ {1/2}}z = [(Xb) / (k + \ lambda)] ^ {1/2} . Он анализирует расширения кумулянтов из z {\ displaystyle z}z до члена O ((k + λ) - 4) {\ displaystyle O ((k + \ lambda) ^ {- 4})}O ((k + \ lambda) ^ {- 4}) и показывает, что следующие варианты b {\ displaystyle b}b дают приемлемые результаты:

  • b = (k - 1) / 2 {\ displaystyle b = (k-1) / 2}b = (k-1) / 2 делает второй кумулянт z {\ displaystyle z}z приблизительно независимым от λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda
  • b = (k - 1) / 3 {\ displaystyle b = (k-1) / 3}b = (k-1) / 3 делает третий кумулянт z { \ displaystyle z}z приблизительно не зависит от λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda
  • b = (k - 1) / 4 {\ displaystyle b = (k-1) / 4}b = (k-1) / 4 делает четвертый кумулянт z {\ displaystyle z}z приблизительно независимым от λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda

Кроме того, более простое преобразование z 1 = (X - (k - 1) / 2) 1/2 {\ displaystyle z_ {1} = (X- (k-1) / 2) ^ {1/2}}z_ {1} = (X- (k-1) / 2) ^ {1/2} можно использовать как стабилизация дисперсии преобразование, которое производит случайную величину со средним значением (λ + (k - 1) / 2) 1/2 {\ displaystyle (\ lambda + (k-1) / 2) ^ {1/2}}(\ lambda + (k-1) / 2) ^ {1/2} и дисперсия O ((k + λ) - 2) {\ displaystyle O ((k + \ lambda) ^ {- 2})}О ((к + \ лямбда) ^ {- 2}) .

Удобство использования этих преобразований может быть затруднено из-за нужно извлечь квадратный корень из отрицательных чисел.

Различные распределения хи и хи-квадрат
ИмяСтатистика
распределение хи-квадрат ∑ 1 k (X i - μ i σ i) 2 {\ displaystyle \ sum _ {1} ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i} - \ mu _ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2}}\ sum _ {1 } ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i} - \ mu _ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2}
нецентральный хи-квадрат распределение∑ 1 К (Икс я σ я) 2 {\ displaystyle \ sum _ {1} ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2}}\ sum _ {1} ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2}
распределение хи ∑ 1 k (X i - μ i σ i) 2 {\ displaystyle {\ sqrt {\ sum _ {1} ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i} - \ mu _ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2}}}}{\ sqrt {\ sum _ {1} ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i} - \ mu _ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2 }}}
нецентральное распределение хи ∑ 1 k (X i σ i) 2 {\ displaystyle {\ sqrt {\ sum _ {1} ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2}}}}{\sqrt {\ sum _ {1} ^ {k} \ left ({\ frac {X_ {i}} {\ sigma _ {i}}} \ right) ^ {2}}}

Вхождения

Использование в интервалах допуска

Двусторонняя нормальная регрессия интервалы допуска могут быть получены на основе нецентрального распределения хи-квадрат. Это позволяет рассчитать статистический интервал, в который с некоторым уровнем достоверности попадает заданная доля отобранной совокупности.

Примечания

  1. ^Мюрхед (2005) Теорема 1.3.4
  2. ^Наттолл, Альберт Х. (1975): Некоторые интегралы, включающие функцию Q M, IEEE Transactions on Information Theory, 21 (1), 95–96, ISSN 0018-9448
  3. ^Абдель-Ати, С. (1954). Приближенные формулы для процентных точек и интеграла вероятности нецентрального распределения χ2 Биометрика 41, 538–540. DOI: 10.2307 / 2332731
  4. ^Шанкаран, М. (1963). Аппроксимация нецентрального распределения хи-квадрат Биометрика, 50 (1-2), 199–204
  5. ^Шанкаран, М. (1959). «О нецентральном распределении хи-квадрат», Biometrika 46, 235–237
  6. ^Johnson et al. (1995) Непрерывные одномерные распределения Раздел 29.8
  7. ^Мюрхед (2005), стр. 22–24 и задача 1.18.
  8. ^Дерек С. Янг (август 2010 г.). «Допуск: пакет R для оценки интервалов допуска». Журнал статистического программного обеспечения. 36 (5): 1–39. ISSN 1548-7660. Проверено 19 февраля 2013 г., стр.32

Ссылки

  • Абрамовиц, М. и Стегун, И.А. (1972), Справочник по математическим функциям, Dover. Раздел 26.4.25.
  • Джонсон, Н. Л., Коц, С., Балакришнан, Н. (1995), Непрерывные одномерные распределения, Том 2 (2-е издание), Wiley. ISBN 0-471-58494-0
  • Мюрхед Р. (2005) Аспекты многомерной статистической теории (2-е издание). Вайли. ISBN 0-471-76985-1
  • Сигел, А.Ф. (1979), «Нецентральное распределение хи-квадрат с нулевыми степенями свободы и проверка на однородность», Биометрика, 66, 381–386
  • Press, SJ (1966), «Линейные комбинации нецентральных переменных хи-квадрат», Анналы математической статистики, 37 (2): 480–487, doi : 10.1214 / aoms / 1177699531, JSTOR 2238621
Последняя правка сделана 2021-05-31 12:08:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте