Le pdf de

Supposons que $X_1, X_2,...,X_n$ soit iid de $N(\mu,\sigma^2)$ avec inconnu $\mu \in \mathcal R$ et $\sigma^2>0$

Soit $Z=\frac{X_1-\bar{X}}{S},$ S est ici l'écart type.

On peut montrer que $Z$ a le pdf de Lebesgue

f (z) = \frac{\sqrt{n} Γ (\frac{n - 1}{2})}{\sqrt{π} (n - 1) Γ (\frac{n - 2}{2})} {[1 - \frac{n z^{2}}{(n - 1)^{2}}]}^{n / 2 - 2} I_{(0, (n - 1) / \sqrt{n})} (| Z |)

$f(z)=\frac{\sqrt{n} \Gamma\left(\frac{n-1}{2}\right)}{\sqrt{\pi}(n-1)\Gamma\left(\frac{n-2}{2}\right)}\left[1-\frac{nz^2}{(n-1)^2}\right]^{n/2-2}I_{(0,(n-1)/\sqrt{n})}(|Z|)$

Ma question est alors comment obtenir ce pdf?

La question est d' ici dans l'exemple 3.3.4 de trouver l'UMVUE de $P(X_1 \le c)$ . Je peux comprendre la logique et les procédures pour trouver l'UMVUE mais je ne sais pas comment obtenir le pdf.

Je pense que cette question concerne aussi celle- ci

Merci beaucoup pour l'aide ou le point à toutes les références connexes seront également appropriés.

self-study umvue

— Deep North
source

Réponses:

Ce qui est si fascinant à propos de ce résultat, c'est à quel point il ressemble à la distribution d'un coefficient de corrélation. Il y a une raison.

Supposons que $(X,Y)$ est normal bivarié avec une corrélation nulle et une variance commune $\sigma^2$ pour les deux variables. Dessinez un échantillon iid $(x_1,y_1), \ldots, (x_n,y_n)$ . Il est bien connu et facilement établi géométriquement (comme Fisher l'a fait il y a un siècle) que la distribution du coefficient de corrélation de l'échantillon

r = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (x_{i} - \bar{x}) (y_{i} - \bar{y})}{(n - 1) S_{x} S_{y}}

$r = \frac{\sum_{i=1}^n(x_i - \bar x)(y_i - \bar y)}{(n-1) S_x S_y}$

est

f (r) = \frac{1}{B (\frac{1}{2}, \frac{n}{2} - 1)} {(1 - r^{2})}^{n / 2 - 2}, - 1 \leq r \leq 1.

$f(r) = \frac{1}{B\left(\frac{1}{2}, \frac{n}{2}-1\right)}\left(1-r^2\right)^{n/2-2},\ -1 \le r \le 1.$

(Ici, comme d'habitude, et $\bar x$ $\bar y$ sont des moyennes d'échantillon et et sont les racines carrées des estimateurs de variance sans biais.) est la fonction Bêta , pour laquelle $S_x$ $S_y$ $B$

\begin{matrix} (1) & \frac{1}{B (\frac{1}{2}, \frac{n}{2} - 1)} = \frac{Γ (\frac{n - 1}{2})}{Γ (\frac{1}{2}) Γ (\frac{n}{2} - 1)} = \frac{Γ (\frac{n - 1}{2})}{\sqrt{π} Γ (\frac{n}{2} - 1)} . \end{matrix}

$\frac{1}{B\left(\frac{1}{2}, \frac{n}{2}-1\right)} = \frac{\Gamma\left(\frac{n-1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{2}\right)\Gamma\left(\frac{n}{2}-1\right)} = \frac{\Gamma\left(\frac{n-1}{2}\right)}{\sqrt{\pi}\Gamma\left(\frac{n}{2}-1\right)} . \tag{1}$

Pour calculer , on peut exploiter son invariance sous rotations dans autour de la ligne générée par , ainsi que l'invariance de la distribution de l'échantillon sous les mêmes rotations, et choisir pour être tout vecteur unitaire dont les composantes totalisent zéro. Un tel vecteur est proportionnel à . Son écart type est $r$ $\mathbb{R}^n$ $(1,1,\ldots, 1)$ $y_i/S_y$ $v = (n-1, -1, \ldots, -1)$

S_{v} = \sqrt{\frac{1}{n - 1} ((n - 1)^{2} + (- 1)^{2} + \dots + (- 1)^{2})} = \sqrt{n} .

$S_v = \sqrt{\frac{1}{n-1}\left((n-1)^2 + (-1)^2 + \cdots + (-1)^2\right)} = \sqrt{n}.$

Par conséquent, doit avoir la même distribution que $r$

\frac{\sum_{i = 1}^{n} (x_{i} - \bar{x}) (v_{i} - \bar{v})}{(n - 1) S_{x} S_{v}} = \frac{(n - 1) x_{1} - x_{2} - \dots - x_{n}}{(n - 1) S_{x} \sqrt{n}} = \frac{n (x_{1} - \bar{x})}{(n - 1) S_{x} \sqrt{n}} = \frac{\sqrt{n}}{n - 1} Z .

$\frac{\sum_{i=1}^n(x_i - \bar x)(v_i - \bar v)}{(n-1) S_x S_v} = \frac{(n-1)x_1 - x_2-\cdots-x_n}{(n-1) S_x \sqrt{n}} = \frac{n(x_1 - \bar x)}{(n-1) S_x \sqrt{n}} = \frac{\sqrt{n}}{n-1}Z.$

Il suffit donc de redimensionner pour trouver la distribution de : $r$ $Z$

f_{Z} (z) = | \frac{\sqrt{n}}{n - 1} | f (\frac{\sqrt{n}}{n - 1} z) = \frac{1}{B (\frac{1}{2}, \frac{n}{2} - 1)} \frac{\sqrt{n}}{n - 1} {(1 - \frac{n}{(n - 1)^{2}} z^{2})}^{n / 2 - 2}

$f_Z(z) = \big|\frac{\sqrt{n}}{n-1}\big| f\left(\frac{\sqrt{n}}{n-1}z\right) = \frac{1}{B\left(\frac{1}{2}, \frac{n}{2}-1\right)} \frac{\sqrt{n}}{n-1}\left(1- \frac{n}{(n-1)^2}z^2\right)^{n/2-2}$

pour . La formule (1) montre qu'elle est identique à celle de la question. $|z| \le \frac{n-1}{\sqrt{n}}$

Pas entièrement convaincu? Voici le résultat de la simulation de cette situation 100 000 fois (avec , où la distribution est uniforme). $n=4$

Le premier histogramme trace les coefficients de corrélation de tandis que le deuxième histogramme trace les coefficients de corrélation de pour un vecteur choisi au hasard qui reste fixe pour toutes les itérations. Ils sont tous les deux uniformes. Le tracé QQ à droite confirme que ces distributions sont essentiellement identiques. $(x_i,y_i),i=1,\ldots,4$ $(x_i,v_i),i=1,\ldots,4)$ $v_i$

Voici le Rcode qui a produit l'intrigue.

n <- 4
n.sim <- 1e5
set.seed(17)
par(mfrow=c(1,3))
#
# Simulate spherical bivariate normal samples of size n each.
#
x <- matrix(rnorm(n.sim*n), n)
y <- matrix(rnorm(n.sim*n), n)
#
# Look at the distribution of the correlation of `x` and `y`.
#
sim <- sapply(1:n.sim, function(i) cor(x[,i], y[,i]))
hist(sim)
#
# Specify *any* fixed vector in place of `y`.
#
v <- c(n-1, rep(-1, n-1)) # The case in question
v <- rnorm(n)             # Can use anything you want
#
# Look at the distribution of the correlation of `x` with `v`.
#
sim2 <- sapply(1:n.sim, function(i) cor(x[,i], v))
hist(sim2)
#
# Compare the two distributions.
#
qqplot(sim, sim2, main="QQ Plot")

Référence

RA Fisher, Distribution de fréquence des valeurs du coefficient de corrélation dans des échantillons d'une population indéfiniment grande . Biometrika , 10 , 507. Voir Section 3. (Cité dans Advanced Theory of Statistics de Kendall , 5e éd., Section 16.24.)

— whuber
source

Le lien vers la référence est rompu.

— Sextus Empiricus

@Martijn Merci d'avoir vérifié. Je vois ce que vous voulez dire - le lien fonctionne, mais il ne va à rien de pertinent! Je l'ai réparé.

— whuber

$P(X\leq c)$

$E[I_{(-\infty,c)}(X_1)]=P(X_1\leq c)$ $Z_1=\bar X$ $Z_2=S^2$ $P(X\leq c)$ would be like this:

ψ (z_{1}, z_{2}) = E [I_{(- \infty, c)} (X_{1}) | z_{1}, z_{2}] = \int_{- \infty}^{\infty} I_{(- \infty, c)} f_{X | Z_{1}, Z_{2}} (x_{1} | z_{1}, z_{2}) d x_{1}

$\psi(z_1,z_2)=E[I_{(-\infty,c)}(X_1)|z_1,z_2]=\int_{-\infty}^{\infty}I_{(-\infty,c)}f_{X|Z_1,Z_2}(x_1|z_1,z_2)dx_1$

Now using Bayes' theorem, we get

f_{X | Z_{1}, Z_{2}} (x_{1} | z_{1}, z_{2}) = \frac{f_{Z_{1}, Z_{2} | X_{1}} (z_{1}, z_{2} | x_{1}) f_{X_{1}} (x_{1})}{f_{Z_{1}, Z_{2}} (z_{1}, z_{2})}

$f_{X|Z_1,Z_2}(x_1|z_1,z_2)={{f_{Z_1,Z_2|X_1}(z_1,z_2|x_1)f_{X_1}(x_1)}\over{f_{Z_1,Z_2}(z_1,z_2)}}$

The denominator $f_{Z_1,Z_2}(z_1,z_2)=f_{Z_1}(z_1)f_{Z_2}(z_2)$ can be written in closed form because $Z_1 \sim N(\mu,\frac{\sigma^2}{n})$ , $Z_2 \sim \Gamma({n-1\over 2},{2 \sigma^2\over n-1})$ are independent of each other.

To get the closed form of numerator, we can adopt these statistics:

W_{1} = \frac{\sum_{i = 2}^{n} X_{i}}{n - 1}

$W_1 = {\sum_{i=2}^n X_i \over n-1}$

W_{2} = \frac{\sum_{i = 2}^{n} X_{i}^{2} - (n - 1) W_{1}^{2}}{(n - 1) - 1}

$W_2 = {\sum_{i=2}^n X_i^2 -(n-1) W_1^2 \over (n-1)-1}$

which is the mean and the sample variance of $X_2, X_3, ..., X_n$ and they are independent of each other and also independent of $X_1$ . We can express these in terms of $Z_1, Z_2$ .

$W_1={n Z_1 - X_1\over n-1}$ , $W_2={(n-1)Z_2+nZ_1^2-X_1^2-(n-1)W_1^2 \over n-2}$

We can use transformation while $X_1=x_1$ ,

f_{Z_{1}, Z_{2} | X_{1}} (z_{1}, z_{2} | x_{1}) = \frac{n}{n - 2} f_{W_{1}, W_{2}} (w_{1}, w_{2}) = \frac{n}{n - 2} f_{W_{1}} (w_{1}) f_{W_{2}} (w_{2})

$f_{Z_1,Z_2|X_1}(z_1,z_2|x_1)={n \over n-2}f_{W_1,W_2}(w_1,w_2)={n \over n-2}f_{W_1}(w_1)f_{W_2}(w_2)$

Since $W_1 \sim N(\mu,\frac{\sigma^2}{n-1})$ , $W_2 \sim \Gamma({n-2\over 2},{2 \sigma^2\over n-2})$ we can get the closed form of this. Note that this holds only for $w_2 \geq 0$ which restricts $x_1$ to $z_1-{n-1 \over \sqrt n}\sqrt{z_2} \leq x_1 \leq z_1+{n-1 \over \sqrt n}\sqrt{z_2}$ .

So put them all together, exponential terms would disappear and you'd get,

f_{X | Z_{1}, Z_{2}} (x_{1} | z_{1}, z_{2}) = \frac{Γ (\frac{n - 1}{2})}{\sqrt{π} Γ (\frac{n - 2}{2})} \frac{\sqrt{n}}{\sqrt{z_{2}} (n - 1)} (1 - {(\frac{\sqrt{n} (x_{1} - z_{1})}{\sqrt{z_{2}} (n - 1)})}^{2})

$f_{X|Z_1,Z_2}(x_1|z_1,z_2)={\Gamma({n-1 \over 2}) \over \sqrt{\pi} \Gamma({n-2 \over 2})} {\sqrt{n} \over \sqrt{z_2} (n-1)} (1-{({\sqrt{n} (x_1 -z_1) \over \sqrt{z_2} (n-1) })}^2)$ where

z_{1} - \frac{n - 1}{\sqrt{n}} \sqrt{z_{2}} \leq x_{1} \leq z_{1} + \frac{n - 1}{\sqrt{n}} \sqrt{z_{2}}

$z_1-{n-1 \over \sqrt n}\sqrt{z_2} \leq x_1 \leq z_1+{n-1 \over \sqrt n}\sqrt{z_2}$ and zero elsewhere.

From this,at this point, we can get the pdf of $Z={X_1- z_1 \over \sqrt{z_2}}$ using transformation.

By the way, the MVUE would be like this :

ψ (z_{1}, z_{2}) = \frac{Γ (\frac{n - 1}{2})}{\sqrt{π} Γ (\frac{n - 2}{2})} \int_{- \frac{π}{2}}^{θ_{c}} c o s^{n - 3} θ d θ

$\psi(z_1,z_2)={\Gamma({n-1 \over 2}) \over \sqrt{\pi} \Gamma({n-2 \over 2})} \int ^{\theta_c} _{-{\pi \over2}} cos^{n-3} \theta d\theta$ while

θ_{c} = s i n^{- 1} (\frac{\sqrt{n} (c - z_{1})}{(n - 1) \sqrt{z_{1}}})

$\theta_c = sin^{-1} ({\sqrt{n}(c-z_1)\over(n-1)\sqrt{z_1}})$ and would be 1 if

c \geq z_{1} + \frac{n - 1}{\sqrt{n} \sqrt{z_{2}}}

$c \geq z_1+{n-1 \over \sqrt{n} \sqrt{z_2} }$

I am not a native English speaker and there could be some awkward sentences. I am studying statistics by myself with text book introduction to mathmatical statistics by Hogg. So there could be some grammatical or mathmatical conceptual mistakes. It would be appreciated if someone correct them.

Thank you for reading.

— KDG
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