Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
твимс.docx
Скачиваний:
4
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
751.04 Кб
Скачать

§ 9. Двумерные случайные велчичины

9.2. Плотность распределения

Определение 9.5. Неотрицательная кусочно-непрерывная функция f(x,y)   называется плотностью распределения (плотностью вероятности) двумерной СВ Z=col(X,Y), если

F(x,y)=∫−∞x∫−∞yf(t,τ)dtdτ,

где использована символическая запись для двойного интеграла по области D≜{tx,τy}. Такая двумерная СВ Z   называется непрерывной.

Свойства f(x,y)

  1. f(x,y)≥0   для всех x,y∈R1. Это вытекает из определения 9.5.

  1. Во всех точках непрерывности функции f(x,y) :

f(x,y)=∂2F(x,y)∂xy.

Этот факт вытекает из свойств интеграла с переменным верхним пределом и определенияf(x,y).

  1. P(D)=∫x1x2⎛⎝⎜∫y1y2f(x,y)dy⎞⎠⎟dx, где D≜{x1≤xx2,y1≤yy2}. По свойству 7)F(x,y)и определению 9.5 имеем

P(D)=F(x2,y2)−F(x2,y1)−F(x1,y2)+F(x1,y1)≜

≜∫−∞x2⎛⎝⎜∫−∞y2f(x,y)dy⎞⎠⎟dx−∫−∞x2⎛⎝⎜∫−∞y1f(x,y)dy⎞⎠⎟dx−∫−∞x1⎛⎝⎜∫−∞y2f(x,y)dy⎞⎠⎟dx+

+∫−∞x1⎛⎝⎜∫−∞y1f(x,y)dy⎞⎠⎟dx=∫x1x2⎛⎝⎜∫y1y2f(x,y)dy⎞⎠⎟dx

  1. P(D)=∬Df(x,y)dxdy, где D   — произвольная квадрируемая область на плоскости R2.Доказательство проведем для непрерывной f(x,y). Рассмотрим бесконечно малый прямоугольникΔD≜{xXx+Δx,yYy+Δy}. Согласно свойству 3)f(x,y) можно записать

P(ΔD)=∫xx+Δx⎛⎝⎜∫yy+Δyf(t,τ)⎞⎠⎟dt=∥∥∥∥  по теореме    о среднем  значении ∥∥∥∥=f(x˜,y˜)ΔyΔx,

где x˜∈(x,x+Δx),y˜∈(y,y+Δy). При этом f(x˜,y˜)→f(x,y)   при Δx→0   и Δy→0.

Таким образом, элемент вероятности f(x,y)dxdy   с точностью до бесконечно малых второго порядка равен вероятности попадания двумерной СВ Z=col(X,Y)   в бесконечно малый прямоугольник, прилегающий к точке (x,y), со сторонами, параллельными осям координат. Так как квадрируемую область D⊂R2   можно представить с любой степенью точности в виде объединения конечного числа непересекающихся бесконечно малых прямоугольников ΔD, то из аксиомы А3 следует формула для вероятности попадания СВ (X,Y)   в D.

  1. ∫−∞+∞∫−∞+∞f(x,y)dxdy=1, поскольку по свойству 5)F(x,y)

∫−∞+∞∫−∞+∞f(x,y)dxdyF(+∞,+∞)=1.

  1. FX(x)=∫−∞x⎛⎝⎜∫−∞+∞f(t,y)dy⎞⎠⎟dt,     FY(y)=∫−∞y⎛⎝⎜∫−∞+∞f(x,τ)dx⎞⎠⎟,     , где FX(x), FY(y)   — функции распределения СВ X   и Y. Например, по свойству 4)F(x,y)

FX(x)=F(x,+∞)≜∫−∞x⎛⎝⎜∫−∞+∞f(t,y)dy⎞⎠⎟dt.

Для FY(y)   утверждение доказывается аналогично.

  1. fX(x)=∫−∞+∞f(x,y)dy,      fY(y)=∫−∞+∞f(x,y)dx. Это вытекает из свойству 6)f(x,y) иопределения 5.8. Свойство 7)f(x,y) позволяет по плотности вероятности двумерной СВ Z   найти плотности вероятности одномерных СВ X   и Y.

  1. Пусть СВ Vϕ(X,Y), где X,Y   — непрерывные СВ с совместной плотностью f(x,y), а ϕ(x,y)   — заданная скалярная функция аргументов x,y∈R1, такая, что ∫−∞+∞∫|ϕ(x,y)|f(x,y)dxdy<∞. Тогда, пользуясь линейными свойствами интеграла, можно показать, что

M[V]=∫−∞+∞∫−∞+∞ϕ(x,y)f(x,y)dxdy.

Причем, если ϕ(x,y)≜∑k=1mϕk(x,y), то, пользуясь линейными свойствами интеграла, можно показать, что M[V]=∑k=1mM[Vk], где Vkϕk(X,Y),  k=1,m¯¯¯¯¯¯.

  1. Для независимости непрерывных СВ X   и Y   достаточно, чтобы выполнялось равенство

f(x,y)=fX(x)fY(y)

  во всех точках непрерывности этих функций. Действительно, по определению плотности

∫−∞x∫−∞yf(t,τ)dtdτ=F(x,y)=∥∥∥  в силу незави-    симости X и Y∥∥∥=FX(x)FY(y)=

=∫−∞xfX(t)dt∫−∞yfY(τ)=∫−∞x∫−∞yfX(t)fY(τ)dtdτ.

Откуда и следует данное свойство.

  1. Если непрерывные СВ X   и Y   независимы, то справедлива формула свертки плотностей, т.е. плотность распределения СВ VX+Y   имеет вид

fV(v)=∫−∞+∞fX(x)fY(vx)dx,

где fX(x), fY(y)   — плотность распределения СВ X   и Y. Действительно, пустьD≜{x,y:x+yv}. Тогда по свойствам 2) f(x,y)   и 8) f(x,y)   получаем

FV(v)≜P{X+Yv}=∬Df(x,y)dxdy=∬DfX(x)fY(y)dxdy=∫−∞+∞fX(x)⎛⎝⎜∫−∞vxfY(y)dy⎞⎠⎟dx=

=∥∥ ytx ∥∥=∫−∞+∞fX(x)⎛⎝⎜∫−∞vfY(tx)dt⎞⎠⎟dx=∫−∞v⎛⎝⎜∫−∞+∞fX(x)fY(tx)dx⎞⎠⎟dt.

Отсюда, согласно определению 5.8, вытекает формула свертки.

Можно показать также, что верно равенство

fV(v)=∫−∞+∞fX(vy)fY(y)dy.

Пример 9.3.

 Пусть имеются равномерно распределенные СВ X∼R(a;b)   и Y∼R(a;b), которые независимы.

Пользуясь формулой свертки, найдем плотность вероятности СВ ZX+Y. Учтем, что в данном случае подынтегральное выражение отлично от нуля лишь когда 2av≤2b, а именно

fX(x)=1ba, если axb,

fY(vx)=1ba, если avxb.

Рассматривая два случая взаимного расположения отрезков, на которых плотности одновременно отличны от нуля, получаем

fV(v)=1(ba)2∫avadx=v−2a(ba)2, если 2ava+b,

fV(v)=1(ba)2∫vbbdx=2bv(ba)2, если a+bv≤2b.

Таким образом, получаем выражение для плотности треугольного распределения (распределения Симпсона) (рис. 9.3):

fV(v)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪      0,             v<2av<2bv−2a(ba)2,      2ava+b, 2bv(ba)2,       a+bv≤2b.

Рис. 9.3

Пример 9.4.

 Пусть имеются СВ XN(mX;σ2X)   и YN(mY;σ2Y), которые независимы. Найдем плотность вероятности СВ Z=X+Y.

Пользуясь формулой свертки, получаем

fZ(z)=∫−∞+∞fX(x)fY(zx)dx=12πσXσY∫−∞+∞exp{−(xmX)22σ2X−(zxmY)22σ2Y}dx.

Из интегрального исчисления известно, что

∫−∞+∞exp{−ax2−2bxc}dx=πa−−√exp{−acb2a}.

В нашем случае

a=12σ2X+σ2Yσ2Xσ2Y,   b=mX2σ2X+zmY2σ2Y,   c=m2X2σ2X+(zmY)22σ2Y.

Таким образом, из структуры плотности следует, что СВ Z   имеет нормальное распределение N(mZ;σ2Z), где параметры mZ   и σ2Z   можно найти из условия нормировки плотности, но проще это сделать, основываясь на свойствах МО и дисперсии, а именно: mZ=M[X+Y]=mX+mYσ2Z=D[X+Y]=σ2X+σ2Y.