隨機變量的變換(Transformations of Random Variables)
單變量變換
EX X ∼ B ( n , p ) X\sim B(n,p) X ∼ B ( n , p ) , let Y = n − X = h ( X ) Y=n-X=h(X) Y = n − X = h ( X )
⟹ f Y ( y ) = P ( Y = y ) = P ( n − X = y ) = P ( X = n − y ) = ( n n − y ) p n − y ( 1 − p ) y = ( n y ) p y ( 1 − p ) n − y \implies f_Y(y)=P(Y=y)=P(n-X=y)=P(X=n-y)=\binom{n}{n-y}p^{n-y}(1-p)^y=\binom{n}{y}p^y(1-p)^{n-y} ⟹ f Y ( y ) = P ( Y = y ) = P ( n − X = y ) = P ( X = n − y ) = ( n − y n ) p n − y ( 1 − p ) y = ( y n ) p y ( 1 − p ) n − y
i.e. Y ∼ B ( n , p ) Y\sim B(n,p) Y ∼ B ( n , p )
EX X ∼ N ( μ , σ 2 ) X\sim N(\mu,\sigma^2) X ∼ N ( μ , σ 2 )
Y = { 1 if X ≥ μ − 1 if X < μ Y=\begin{cases}
1 & \text{if } X\ge \mu\\
-1 & \text{if } X<\mu
\end{cases} Y = { 1 − 1 if X ≥ μ if X < μ
⟹ f Y ( y ) = P ( Y = y ) = { P ( X ≥ μ ) if y = 1 P ( X < μ ) if y = − 1 = 1 2 \implies f_Y(y)=P(Y=y)=
\begin{cases}
P(X\ge \mu) & \text{if } y=1\\
P(X<\mu) & \text{if } y=-1
\end{cases}=\frac{1}{2} ⟹ f Y ( y ) = P ( Y = y ) = { P ( X ≥ μ ) P ( X < μ ) if y = 1 if y = − 1 = 2 1
對於連續的隨機變量變換, X ∼ f ( x ) , Y = h ( x ) X\sim f(x), Y=h(x) X ∼ f ( x ) , Y = h ( x )
⟹ \implies ⟹ cdf of Y Y Y is F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) FY(y)=P(Y\le y) F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) and pdf of Y Y Y is f Y ( y ) = d d y F Y ( y ) f_Y(y)=\frac{d}{dy}F_Y(y) f Y ( y ) = d y d F Y ( y )
如果 h ( x ) h(x) h ( x ) 是單調遞增,則 h − 1 ( y ) h^{-1}(y) h − 1 ( y ) 存在,並且微分為正
F y ( y ) ≜ P ( Y ≤ y ) = P ( h ( X ) ≤ y ) = P ( X ≤ h − 1 ( y ) ) = F X ( h − 1 ( y ) ) F_y(y)\triangleq P(Y\le y)=P(h(X)\le y)=P(X\le h^{-1}(y))=F_X(h^{-1}(y)) F y ( y ) ≜ P ( Y ≤ y ) = P ( h ( X ) ≤ y ) = P ( X ≤ h − 1 ( y )) = F X ( h − 1 ( y ))
⟹ f Y ( y ) = d d y F Y ( y ) = d d y F X ( h − 1 ( y ) ) = f X ( h − 1 ( y ) ) d d y h − 1 ( y ) ⏟ > 0 \implies f_Y(y)=\frac{d}{dy}F_Y(y)=\frac{d}{dy}F_X(h^{-1}(y))=f_X(h^{-1}(y))\underbrace{\frac{d}{dy}h^{-1}(y)}_{>0} ⟹ f Y ( y ) = d y d F Y ( y ) = d y d F X ( h − 1 ( y )) = f X ( h − 1 ( y )) > 0 d y d h − 1 ( y )
如果 h ( x ) h(x) h ( x ) 是單調遞減,則 h − 1 ( y ) h^{-1}(y) h − 1 ( y ) 存在,並且微分為負
F y ( y ) ≜ P ( Y ≤ y ) = P ( h ( X ) ≤ y ) = P ( X ≥ h − 1 ( y ) ) = 1 − F X ( h − 1 ( y ) ) F_y(y)\triangleq P(Y\le y)=P(h(X)\le y)=P(X\ge h^{-1}(y))=1-F_X(h^{-1}(y)) F y ( y ) ≜ P ( Y ≤ y ) = P ( h ( X ) ≤ y ) = P ( X ≥ h − 1 ( y )) = 1 − F X ( h − 1 ( y ))
⟹ f Y ( y ) = d d y F Y ( y ) = d d y ( 1 − F X ( h − 1 ( y ) ) ) = − f X ( h − 1 ( y ) ) d d y h − 1 ( y ) ⏟ < 0 \implies f_Y(y)=\frac{d}{dy}F_Y(y)=\frac{d}{dy}(1-F_X(h^{-1}(y)))=-f_X(h^{-1}(y))\underbrace{\frac{d}{dy}h^{-1}(y)}_{<0} ⟹ f Y ( y ) = d y d F Y ( y ) = d y d ( 1 − F X ( h − 1 ( y ))) = − f X ( h − 1 ( y )) < 0 d y d h − 1 ( y )
如果 X X X 有連續的 pdf f X ( x ) f_X(x) f X ( x ) , 並且 h h h 是 1-1 ,且 h ′ ( x ) h'(x) h ′ ( x ) 存在連續導數,則 Y = h ( X ) Y=h(X) Y = h ( X ) 有 pdf
f Y ( y ) = f X ( h − 1 ( y ) ) ∣ d d y h − 1 ( y ) ∣ , y ∈ Y f_Y(y)=f_X(h^{-1}(y))\left|\frac{d}{dy}h^{-1}(y)\right|, y\in \mathscr{Y} f Y ( y ) = f X ( h − 1 ( y )) d y d h − 1 ( y ) , y ∈ Y 其中 Y = h ( X ) , X = { x ; f X ( x ) > 0 } \mathscr{Y}=h(\mathscr{X}), \mathscr{X}=\set{x;f_X(x)>0} Y = h ( X ) , X = { x ; f X ( x ) > 0 }
EX : X ∼ N ( μ , σ 2 ) X\sim N(\mu,\sigma^2) X ∼ N ( μ , σ 2 ) , let Y = h ( X ) = X − μ σ ⟺ X = σ Y + μ = h − 1 ( y ) ⟹ d d y h − 1 ( y ) = σ Y=h(X)=\frac{X-\mu}{\sigma}\iff X=\sigma Y+\mu=h^{-1}(y)\implies \frac{d}{dy}h^{-1}(y)=\sigma Y = h ( X ) = σ X − μ ⟺ X = σY + μ = h − 1 ( y ) ⟹ d y d h − 1 ( y ) = σ
f Y ( y ) = f X ( σ y + μ ) ∣ d d y ( σ y + μ ) ∣ = 1 2 π e − y 2 2 ∀ y ∈ R \begin{align*}
f_Y(y)&=f_X(\sigma y+\mu)\left|\frac{d}{dy}(\sigma y+\mu)\right|\\
&=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{y^2}{2}}\quad \forall y\in\R
\end{align*} f Y ( y ) = f X ( σ y + μ ) d y d ( σ y + μ ) = 2 π 1 e − 2 y 2 ∀ y ∈ R
⟹ Y ∼ N ( 0 , 1 ) \implies Y\sim N(0,1) ⟹ Y ∼ N ( 0 , 1 )
EX : Let X ∼ Gamma ( α , β ) X\sim \text{Gamma}(\alpha,\beta) X ∼ Gamma ( α , β ) with α > 0 , β > 0 \alpha>0,\beta>0 α > 0 , β > 0 given, and Y = 2 X β = h ( X ) Y=\frac{2X}{\beta}=h(X) Y = β 2 X = h ( X )
⟹ Y = h ( X ) = ( 0 , ∞ ) \implies \mathscr{Y}=h(\mathscr{X})=(0,\infty) ⟹ Y = h ( X ) = ( 0 , ∞ ) and X = β Y 2 h − 1 ( Y ) X=\frac{\beta Y}{2}h^{-1}(Y) X = 2 β Y h − 1 ( Y )
f Y ( y ) = f X ( h − 1 ( y ) ) ∣ d d y h − 1 ( y ) ∣ , y ∈ Y = f X ( β y 2 ) ∣ β 2 ∣ , y > 0 = 1 Γ ( α ) β α ( β y 2 ) α − 1 exp ( − β y β ⋅ β 2 ) = 1 Γ ( α ) 2 α y α − 1 e − y / 2 , y > 0 = pdf of Gamma ( α , 2 ) \begin{align*}
f_Y(y)&=f_X(h^{-1}(y))\left|\frac{d}{dy}h^{-1}(y)\right|, y\in\mathscr{Y}\\
&=f_X\left(\frac{\beta y}{2}\right)\left|\frac{\beta}{2}\right|, y>0\\
&=\frac{1}{\Gamma(\alpha)\beta^\alpha}\left(\frac{\beta y}{2}\right)^{\alpha-1}\exp\left(-\frac{\beta y}{\beta}\cdot\frac{\beta}{2} \right)\\
&=\frac{1}{\Gamma(\alpha)2^\alpha}y^{\alpha-1}e^{-y/2}, y>0\\
&=\text{pdf of Gamma}(\alpha,2)
\end{align*} f Y ( y ) = f X ( h − 1 ( y )) d y d h − 1 ( y ) , y ∈ Y = f X ( 2 β y ) 2 β , y > 0 = Γ ( α ) β α 1 ( 2 β y ) α − 1 exp ( − β β y ⋅ 2 β ) = Γ ( α ) 2 α 1 y α − 1 e − y /2 , y > 0 = pdf of Gamma ( α , 2 )
i.e. X ∼ Gamma ( α , β ) ⟹ β ∗ X β ∼ Gamma ( α , β ∗ ) X\sim \text{Gamma}(\alpha,\beta)\implies \frac{\beta^*X}{\beta}\sim \text{Gamma}(\alpha,\beta^*) X ∼ Gamma ( α , β ) ⟹ β β ∗ X ∼ Gamma ( α , β ∗ )
Remark :
X ∼ Gamma ( k 2 , 2 ) = χ k 2 X\sim\text{Gamma}(\frac{k}{2},2)=\chi^2_k X ∼ Gamma ( 2 k , 2 ) = χ k 2
X ∼ Gamma ( α , β ) , Y = 1 X X\sim\text{Gamma}(\alpha,\beta), Y=\frac{1}{X} X ∼ Gamma ( α , β ) , Y = X 1
f Y ( y ) = f X ( 1 y ) ∣ − 1 y 2 ∣ = 1 Γ ( α ) β α ( 1 y ) α + 1 e − 1 / β y , y > 0 \begin{align*}
f_Y(y)=f_X(\frac{1}{y})\left|-\frac{1}{y^2}\right|=\frac{1}{\Gamma(\alpha)\beta^\alpha}(\frac{1}{y})^{\alpha+1}e^{-1/\beta y}, y>0
\end{align*} f Y ( y ) = f X ( y 1 ) − y 2 1 = Γ ( α ) β α 1 ( y 1 ) α + 1 e − 1/ β y , y > 0
⟹ y \implies y ⟹ y has a inverse Gamma dist
EX : X ∼ U ( a , b ) X\sim U(a,b) X ∼ U ( a , b ) , and Y = X − a b − a = h ( X ) Y=\frac{X-a}{b-a}=h(X) Y = b − a X − a = h ( X )
⟹ Y = ( 0 , 1 ) , X = ( b − a ) Y + a = h − 1 ( y ) \implies \mathscr{Y}=(0,1), X=(b-a)Y+a=h^{-1}(y) ⟹ Y = ( 0 , 1 ) , X = ( b − a ) Y + a = h − 1 ( y )
⟹ f Y ( y ) = f X ( h − 1 ( y ) ) ∣ d d y h − 1 ( y ) ∣ , y ∈ Y = 1 b − a ⋅ ( b − 1 ) = 1 \begin{align*}
\implies f_Y(y)&=f_X(h^{-1}(y))\left|\frac{d}{dy}h^{-1}(y)\right|, y\in\mathscr{Y}\\
&=\frac{1}{b-a}\cdot (b-1)=1
\end{align*} ⟹ f Y ( y ) = f X ( h − 1 ( y )) d y d h − 1 ( y ) , y ∈ Y = b − a 1 ⋅ ( b − 1 ) = 1
i.e. Y ∼ U ( 0 , 1 ) Y\sim U(0,1) Y ∼ U ( 0 , 1 )
EX : U ∼ U ( 0 , 1 ) , X = − 2 ln U = h ( U ) ∈ ( 0 , ∞ ) ⟹ U = e − X / 2 = h − 1 ( X ) U\sim U(0,1), X=-2\ln U=h(U)\in(0,\infty)\implies U=e^{-X/2}=h^{-1}(X) U ∼ U ( 0 , 1 ) , X = − 2 ln U = h ( U ) ∈ ( 0 , ∞ ) ⟹ U = e − X /2 = h − 1 ( X )
⟹ f X ( x ) = f U ( h − 1 ( x ) ) ∣ d d x h − 1 ( x ) ∣ = 1 ⋅ ∣ − 1 2 e − x / 2 ∣ = 1 2 e − x / 2 , x > 0 \implies f_X(x)=f_U(h^{-1}(x))\left|\frac{d}{dx}h^{-1}(x)\right|=1\cdot\left|\frac{-1}{2}e^{-x/2}\right|=\frac{1}{2}e^{-x/2}, x>0 ⟹ f X ( x ) = f U ( h − 1 ( x )) d x d h − 1 ( x ) = 1 ⋅ 2 − 1 e − x /2 = 2 1 e − x /2 , x > 0
i.e. X ∼ χ 2 2 ⟹ − 2 ln U ∼ χ 2 2 X\sim\chi^2_2\implies -2\ln U\sim \chi^2_2 X ∼ χ 2 2 ⟹ − 2 ln U ∼ χ 2 2
EX : Z sin N ( 0 , 1 ) , Y = Z 2 = h ( Z ) Z\sin N(0,1), Y=Z^2=h(Z) Z sin N ( 0 , 1 ) , Y = Z 2 = h ( Z ) ,變換並不是 1-1
h = { z 2 z ≥ 0 z 2 z < 0 ⟹ h − 1 = { z z ≥ 0 − z z < 0 h=\begin{cases}
z^2 & z\ge 0\\
z^2 & z<0
\end{cases}\implies h^{-1}=\begin{cases}
\sqrt{z} & z\ge 0\\
-\sqrt{z} & z<0
\end{cases} h = { z 2 z 2 z ≥ 0 z < 0 ⟹ h − 1 = { z − z z ≥ 0 z < 0
⟹ F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) = P ( Z 2 ≤ y ) = P ( − y ≤ Z ≤ y ) = Φ ( y ) − Φ ( − y ) \implies F_Y(y)=P(Y\le y)=P(Z^2\le y)=P(-\sqrt{y}\le Z\le \sqrt{y})=\Phi(\sqrt{y})-\Phi(-\sqrt{y}) ⟹ F Y ( y ) = P ( Y ≤ y ) = P ( Z 2 ≤ y ) = P ( − y ≤ Z ≤ y ) = Φ ( y ) − Φ ( − y )
f Y ( y ) = d d y F Y ( y ) = d d y [ Φ ( y ) − Φ ( − y ) ] = ϕ ( y ) d d y y − ϕ ( − y ) d d y ( − y ) = 2 ϕ ( y ) d d y y = 2 ⋅ 1 2 π e − y / 2 ⋅ 1 2 y − 1 / 2 = 1 π 2 1 / 2 y 1 2 − 1 e − y / 2 , y > 0 ∝ pdf of Gamma ( 1 2 , 2 ) \begin{align*}
f_Y(y)&=\frac{d}{dy}F_Y(y)\\
&=\frac{d}{dy}[\Phi(\sqrt{y})-\Phi(-\sqrt{y})]\\
&=\phi(\sqrt{y})\frac{d}{dy}\sqrt{y}-\phi(-\sqrt{y})\frac{d}{dy}(-\sqrt{y})\\
&=2\phi(\sqrt{y})\frac{d}{dy}\sqrt{y}=2\cdot\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-y/2}\cdot\frac{1}{2}y^{-1/2}\\
&=\frac{1}{\sqrt{\pi}2^{1/2}}y^{\frac{1}{2}-1}e^{-y/2}, y>0\\
&\propto \text{pdf of Gamma}(\frac{1}{2},2)
\end{align*} f Y ( y ) = d y d F Y ( y ) = d y d [ Φ ( y ) − Φ ( − y )] = ϕ ( y ) d y d y − ϕ ( − y ) d y d ( − y ) = 2 ϕ ( y ) d y d y = 2 ⋅ 2 π 1 e − y /2 ⋅ 2 1 y − 1/2 = π 2 1/2 1 y 2 1 − 1 e − y /2 , y > 0 ∝ pdf of Gamma ( 2 1 , 2 )
i.e. Z 2 ∼ Gamma ( 1 2 , 2 ) = χ 1 2 Z^2\sim\text{Gamma}(\frac{1}{2},2)=\chi^2_1 Z 2 ∼ Gamma ( 2 1 , 2 ) = χ 1 2
Remark : 如果發現兩個 pdf 函數成比例(變數相關部分相同 ∀ x \forall x ∀ x ),則兩個 pdf 相同。
因為 pdf 積分為 1,如果變數部分相同,則常數部分一定相同。
Let X X X have a conti. pdf f X ( x ) f_X(x) f X ( x ) and X = { x : f ( x ) > 0 } \mathscr{X}=\set{x:f(x)>0} X = { x : f ( x ) > 0 } be the support of X X X , Y = h ( X ) Y=h(X) Y = h ( X ) .
Suppose ∃ { A 0 , A 1 , , ⋅ , A k } \exist\set{A_0,A_1,,\cdot,A_k} ∃ { A 0 , A 1 ,, ⋅ , A k } :partition of X \mathscr{X} X s.t. P ( X ∈ A 0 ) = 0 P(X\in A_0)=0 P ( X ∈ A 0 ) = 0 and suppose ∃ h i \exist h_i ∃ h i on A i , i = 1 , 2 , ⋯ , k A_i,i=1,2,\cdots,k A i , i = 1 , 2 , ⋯ , k with
h ( x ) = h i ( x ) , ∀ x ∈ A i h(x)=h_i(x),\forall x\in A_i h ( x ) = h i ( x ) , ∀ x ∈ A i
h i h_i h i is monotone on A i A_i A i
h i ( A i ) = { y : y = h i ( x ) , x ∈ A i } , ∀ i h_i(A_i)=\set{y:y=h_i(x),x\in A_i},\forall i h i ( A i ) = { y : y = h i ( x ) , x ∈ A i } , ∀ i
Y = h ( X ) = { y : y = h ( x ) , x