Distribuição de


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Como exercício de rotina, estou tentando encontrar a distribuição de X2+Y2 que XeYsãovariáveis ​​aleatóriasU(0,1)independentes.

A densidade da junta de (X,Y) é

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

Transformando em coordenadas polares (X,Y)(Z,Θ) modo que

X=ZcosΘ and Y=ZsinΘ

Então, z=x2+y2 e0<x,y<10<z<2 .

Quando 0<z<1 , temos 0<cosθ<1,0<sinθ<1 modo que0<θ<π2 .

Quando 1<z<2 , temoszcosθ<θ>cos1(1z), comocosθestá diminuindo emθ[0,π2]; ezsinθ<1θ<sin1(1z), comosinθestá aumentando emθ[0,π2].

Então, para 1<z<2 , temoscos1(1z)<θ<sin1(1z).

O valor absoluto do jacobiano da transformação é

|J|=z

Assim, a densidade articular de (Z,Θ) é dada por

fZ,Θ(z,θ)=z1{z(0,1),θ(0,π/2)}{z(1,2),θ(cos1(1/z),sin1(1/z))}

Integrando fora θ , obtemos o pdf de Z como

fZ(z)=πz210<z<1+(πz22zcos1(1z))11<z<2

Meu raciocínio acima está correto? De qualquer forma, gostaria de evitar esse método e, em vez disso, tente encontrar o cdf do Z diretamente. Mas não consegui encontrar as áreas desejadas ao avaliar Pr(Yz2X2)geometricamente.

EDITAR.

Tentei encontrar a função de distribuição de Z como

FZ(z)=Pr(Zz)=Pr(X2+Y2z2)=x2+y2z210<x,y<1dxdy

A Mathematica diz que isso deve reduzir a

FZ(z)={0, if z<0πz24, if 0<z<1z21+z22(sin1(1z)sin1(z21z)), if 1<z<21, if z>2

que se parece com a expressão correta. Diferenciando FZ para o caso 1<z<2 porém, traz uma expressão que não simplifica prontamente o pdf que eu já obtive.

Finalmente, acho que tenho as fotos corretas para o CDF:

Para 0<z<1 :

insira a descrição da imagem aqui

E por 1<z<2 :

insira a descrição da imagem aqui

Porções sombreadas devem indicar a área da região

{(x,y):0<x,y<1,x2+y2z2}

A imagem produz imediatamente

FZ(z)=Pr(z2X2Yz2X2)={πz24, if 0<z<1z21+z211z2x2dx, if 1<z<2

, como eu havia encontrado anteriormente.


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Para encontrar o CDF diretamente, use as funções do indicador. Para Pr ( z0, O resto é manipulação puramente algébrica. (Edit: Vejo que @ Xi'an acabou de postar a álgebra em sua resposta.)
Pr(X2+Y2z)=0101I(x2+y2z2)dxdy.
whuber

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Na edição: também obtenho várias expressões diferentes e (usando FullSimplify) elas simplificam para diferentes fórmulas no Mathematica . No entanto, eles são equivalentes. Isso é facilmente demonstrado ao traçar sua diferença. Aparentemente, o Mathematica não sabe que quando1<z<tan1(z21)=sec1(z) . 1<z<2
whuber

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A borda da superfície, , na sua última foto deve ser um (semi-) círculo com o centro (0,0). Portanto, côncavo em vez de convexo (atualmente desenhado). r2x2
Sextus Empiricus

Respostas:


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O PDF está correto pode ser verificado por uma simulação simples

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)

enter image description here

Encontrar o cdf sem a mudança polar de variáveis ​​passa por

Pr(X2+Y2z)=Pr(X2+Y2z2)=Pr(Y2z2X2)=Pr(Yz2X2,Xz)=EX[z2X2I[0,min(1,z)](X)]=0min(1,z)z2x2dx=z20min(1,z1)1y2dy[x=yz, dx=zdy]=z20min(π/2,cos1z1)sin2θdθ[y=cos(θ), dy=sin(θ)dθ]=z22[min(π/2,cos1z1)sin{min(π/2,cos1z1)}cos{min(π/2,cos1z1}]=z22{π/2 if z<1cos1z1sin{cos1z1)}z1 if z1=z22{π/2 if z<1cos1z11z2z1 if z1

1z<2z1

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fz(z)

1z<2cos1(1z)θsin1(1z)

θmin<θ<π4

Então você obtém:

P(Zr)=20rz(θminπ4dθ)dz=0rz(π22θmin)dz

fz(z)

fz(z)=z(π22θmin)={z(π2) if 0z1z(π22cos1(1z)) if 1<z2

Fz(z)

Você pode usar a integral indefinida:

zcos1(1z)=12z(zcos1(1z)11z2)+C

dducos1(u)=(1u2)0.5

Pr(Zz)

1z2

Fz(z)=z2(π4cos1(1z)+z111z2)

cos1cos1sin1

z>1

cos1(1z)=sin1(11z2)=sin1(z21z)

e

cos1(1z)=π2sin1(1z)

so

cos1(1z)=0.5cos1(1z)+0.5cos1(1z)=π40.5sin1(1z)+0.5sin1(z21z)

which results in your expression when you plug this into the before mentioned Fz(z) for 1<z<2


1

For 0z1, P(X2+Y2z) is just the area of the quarter-circle of radius z which is 14πz2. That is,

For 0z1, area of quarter-circle=πz24=P(X2+Y2z).

For 1<z2, the region over which we need to integrate to find P(X2+Y2z)can be divided into two right triangles (one of them has vertices (0,0),(0,1) and (z21,1) while the other has vertices (0,0),(1,0) and (1,z21) ) together with a sector of a circle of radius z and included angle π22arccos(1z). The area of this region (and hence the value of (P(X2+Y2z)) is easily found. We have that for 1<z2,

area of region=area of two triangles plus area of sector=z21+12z2(π22arccos(1z))=πz24+z21z2arccos1z=(P(X2+Y2z)
which is the result in Martijn Wetering's answer.

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