Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
zavyalova.pdf
Скачиваний:
39
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
590 Кб
Скачать
☆

Утверждение 1. Ковариацию можно рассчитать по формуле cov(X ,Y ) = M (XY )− MX MY .

Доказательство.

cov(X ,Y ) = M ((X − MX )(Y − MY ))=

= M (XY −Y MX − X MY + MX MY )= M (XY )− MX MY.♣

Утверждение 2. Дисперсия суммы случайных величин X и Y равна

D(X +Y ) = DX + DY + 2cov(X ,Y ) .

Доказательство.

D(X +Y ) = M (X +Y )2 −(M (X +Y ))2 = MX 2 + 2MXY + MY 2 −(MX )2 − − 2MX MY − (MY )2 = DX + DY + 2 cov(X ,Y ) . ♣

Коэффициентом корреляции случайных величин X и Y называется

отношение corr( X ,Y ) = cov(X ,Y ) /(σX σY ) , где

σX , σY - средние

квадратические отклонения случайных величин X

и Y.

Пример 5. Найдем ковариацию и коэффициент корреляции случайных величин Х и Y из примера 1. Введем случайную величину Z = X Y:

 

Z

 

0

 

1

 

 

Р

 

3/4

 

1/4

 

MX = 1/2, DX = 1/4, MY = 3/4, DY = 3/16, MZ = M(XY) = 1/4;

cov(X,Y) = M(XY) – MX MY= –1/8;

 

 

 

corr(X,Y) = cov (X,Y)/(σxσy) = –1/( 2

3 ). ♦

Дисперсия суммы

случайных

величин X и Y D(X +Y ) =

= DX + DY +2cov(X ,Y ) = 1/4 + 3/16 + 2(–1/8) = 3/16.

§ 3. Нормальное распределение на плоскости

Нормальное распределение на плоскости - это нормальное распределение для системы двух случайных величин X и Y.

Нормальное распределение на плоскости задается плотностью

 

 

 

 

 

1

 

 

(x−m

x

)2

 

 

 

2r(x

−mx )(y−my )

 

 

 

(y−my )2

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

f (x, y) =

 

1

 

e

 

2(1−r 2 )

 

σx 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σxσY

 

 

 

σy 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

2πσxσy

1− r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распределение зависит от пяти параметров:

 

mx , my ,

 

 

σx ,

σy , r .

Выясним их смысл. Для этого найдем плотности компонент X и Y:

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

−

(x−mx )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1(x) = ∫ f (x, y)dy =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2σx 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σx

 

2π

 

e

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

−

 

( y−my )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2σy 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f2 ( y) = ∫ f (x, y)dx =

σy

 

 

2π

e

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cлучайные величины X и Y имеют нормальное распределение c

параметрами

 

mx ,

σx

 

и

 

 

 

 

my ,σy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cоответственно.

Cледовательно, MX = mx , DX = σx

2 ; MY = my , DY = σy

2 .

 

 

 

Найдем ковариацию компонент X и Y:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞ ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cov(X ,Y ) = ∫

∫(x −MX )(y −MY ) f (x, y)dxdy = rσxσy .

 

 

 

 

 

 

−∞−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что параметр r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x, y)

 

 

 

 

 

 

 

совпадает

 

с

коэффициентом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

корреляции X и Y:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

corr(X ,Y ) = cov(X ,Y ) /(σxσy )= r .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

my

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геометрически

 

плотность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

двумерного

нормального

 

закона

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

представляет собой "холм", вершина

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которого

находится

над

 

точкой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ

 

 

( mx , my )

(рис.2).

В

сечении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.

 

 

 

 

 

 

 

поверхности

 

 

плотности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плоскостями,

параллельными оси

f (x, y) ,

 

 

 

 

получаются

кривые,

подобные гауссовым. В сечениях плоскостями, параллельными плоскости XOY, получаются эллипсы. Уравнения эллипсов:

(x −m

x

)2

 

2r(x −mx )(y −my )

 

(y −my )2

 

 

−

 

 

+

 

= c .

σx2

 

 

 

 

 

 

σxσy

 

σy2

Эти эллипсы называются эллипсами рассеивания, а их оси (общие для всех эллипсов) - главными осями рассеивания (η и ξ).

Лекция 8

§ 4. Зависимость и ковариация

Cлучайные величины X и Y называются независимыми, если функция распределения cлучайного вектора (X, Y) равна произведению функций распределения компонент X и Y:

F(x, y) = F1(x) F2 ( y), − ∞ < x < ∞, − ∞ < y < ∞ .

Утверждение 3. Непрерывные случайные величины независимы тогда и только тогда, когда плотность случайного вектора (X, Y) равна

произведению плотностей компонент X и Y: f (x, y) = f 1(x) f 2 ( y) . Для доказательства необходимости продифференцируем по x и y

обе части равенства из определения независимых случайных величин. Для доказательства достаточности возьмем интегралы от обеих частей

равенства f (x, y) = f 1(x) f 2 ( y) по области {(–∞, x), (–∞, y)}. ♣ Утверждение 4. Дискретные случайные величины независимы

тогда и только тогда, когда P(X = xi , Y = y j )= P(X = xi ) P(Y = y j ) для любых пар значений xi , y j , i, j N , случайных величин X и Y.

Доказательство.

P(X = xi , Y = y j )

= P(X ≤ xi , Y = y j ) − P(X ≤ xi−1, Y = y j ) =

= P(X ≤ xi , Y ≤ y j )

− P(X ≤ xi , Y ≤ y j −1) − P(X ≤ xi−1, Y ≤ y j )+

+ P(X ≤ xi−1, Y ≤ y j−1)= P(X ≤ xi ) P(Y ≤ y j )− P(X ≤ xi ) P(Y ≤ y j −1)−

− P(X ≤ xi−1) P(Y ≤ y j )

+ P(X ≤ xi−1) P(Y ≤ y j−1)= P(X ≤ xi ) P(Y = y j )−

 

− P(X ≤ xi−1) P(Y = y j ) = P(X = xi ) P(Y = y j ). ♣

Пример 6. В примере 2 плотность случайного

 

вектора (X,Y)

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x, y) =

 

 

,

 

−∞ < x < ∞,

−∞ < y < ∞ ,

а

плотности

π2 (1+ x2 )(1+ y2 )

1

 

 

 

 

1

 

 

 

компонент f (x) =

 

,

−∞ < x < ∞,

f ( y) =

 

,

−∞ < y < ∞ .

π(1+ x2 )

π(1+ y2 )

Следовательно, cлучайные величины X и Y независимы. ♦ Утверждение 5. Для независимых случайных величин X и Y

ковариация равна нулю.

Доказательство. Из утверждений 2 и 3 следует, что для независимых случайных величин X и Y M(XY) = M(X) M(Y), если M(X) и M(Y) существуют.

Для непрерывных случайных величин это так, поскольку

∞

∞

∞

∞

M (XY )= ∫

∫ xyf (x, y)dxdy = ∫

∫xyf1(x) f2 ( y)dxdy =

−∞ −∞

−∞ −∞

∞ ∞

=∫ x f1(x)dx ∫y f2 ( y)dy = MX MY .

−∞ −∞

Для дискретных случайных величин

M(XY) =∑∑xi yj P(X = xi , Y = yj )=∑∑xi yj P(X = xi ) P(Y = yj ) =

i j

i j

=∑xi P(X = xi ) ∑yj P(Y = yj )=MX MY, i, j N .

i

j

Отсюда сov(X, Y) = M(XY) – M(X)M(Y) = 0. ♣

Замечание. M(XY) = M(X) M(Y), если одна из независимых случайных величин непрерывного, а другая дискретного типа.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]