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條件分佈及獨立性
當觀測兩個隨機變數 與 時, 兩個變數有時並非不相干。例如,
令 表某位學生第一次考試的成績, 表第二次考試的成績。
如果知道 , 則 的機率應是很低的。
又如身高 與體重 , 如果知道 (公分), 則 (公斤)的機率, 應比 (公分)時, (公斤)的機率高。上述這些例子顯示, 有時知道 的值,
是會提供一些關於 的資訊。
設 為離散型的隨機向量, 因 及 為二事件, 故可以第一章(定義2.1)事件之條件機率的定義,
來定義條件機率 。即只要 , 則
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(2.1)
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上式也可以p.d.f.表示, 我們給一定義如下。
有時為了清楚隨機變數為何, 且避免混淆, 我們會以 表在給定 之下, 的條件p.d.f.。 也常簡單地以 之分佈, 或 之p.d.f., 分別表條件分佈及條件p.d.f.。另外, 既然 被稱為一條件“ p.d.f.”, 它必須滿足p.d.f.的要求。這當然沒問題。首先, 因
, 故 。其次
故 的確是一p.d.f.。
例 1. 設 之聯合p.d.f.如下:
我們也求出邊際p.d.f. 及 , 一併填入上表。則
至於 留給各位自行求出。可看出
但
上例顯示, 雖
, 但
卻不一定等於 , 其中原因應不難想通。
利用條件p.d.f.可求出各種條件機率。例如,
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(2.4)
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若 為連續型的隨機向量, 則 , 因此無法利用事件的機率來定義給定 之下, 的條件機率, 不過經由機率理論的推導, 參照離散型隨機變數的情況, 我們給出下述定義。
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定義
2.設 為連續型的隨機向量, 以 為聯合p.d.f., , 為邊際p.d.f.。對任意 , 只要 , 在給定 之下, 之條件p.d.f.為
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(2.5)
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對任意  , 只要  , 在給定  之下,  之條件p.d.f.為
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(2.6)
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如同離散型的情況, 亦可證明 及 皆確為p.d.f.。
例 2. 承第3.1節例1.3。可求出
同理
注意因
, 且
, 故在 中, , 在 中, 。又可驗證 及 都確為p.d.f.。即
又
是否等於
要注意的是 的範圍要滿足
, 而 不一定小於 。正確的答案為(參考附圖)
條件p.d.f.亦可用來求條件期望值。對一函數 , 在給定 之下, 之條件期望值, 以 表之, 定義為
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(2.7)
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條件期望值仍具有第一章定理6.1所列出的一般的期望值之特性。
譬如說, 由於 為一 的函數, 故當給定 , 便非隨機了。因此(利用第一章(6.5)及(6.6)式)
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(2.8)
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(2.9)
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又在誤差的平方之期望值最小下, 為在知道 之下,
之最佳預測值。這是第一章定理6.2之推廣。
例 3. 承例 1。則
例 4.
承例 2。
又
因此
在給定 之下, 除了可求條件期望值 , 亦可求條件變異數
, 或以
表之, 其定義為
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(2.10)
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以上式來定義條件變異數是有道理的。
變異數是量測一變數(此處為 )與其期望值(此處為 )之離差平方(此處為 )的期望值(此處為給定 之下的期望值),
故得(2.10)式。由(2.10)式立即導致(證明留在習題第3題)
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(2.11)
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例 5. 承第3.1節例1.3,
例 2, 及例 4。求 。
例 6. 設 之聯合p.d.f.為
試求(i) , (ii) , (iii) , 及(iv)
, 。
例 7. 設 在 平面上, 以 ,
及 為三頂點之三角形內(不含三邊)均勻分佈。
試求 , , 及
。
註 1. 設 為平面上一區域, 且設 的面積(以 表之)存在且為正。 則
在 上均勻分佈, 表 之聯合p.d.f.為
例 8. 設 之聯合p.d.f.為
試求 , 及
。
例 9. 設有一函數
(i) 試證 為一二維之p.d.f.;
(ii) 假設 以 為聯合p.d.f., 試求 , 及
。  讀者可否看出 之邊際分佈皆為
,
但 並無二維的均勻分佈。又可否立即看出, 對本例, ,
及
分別為何?
由例 1及 2知, 給定 之下, 的分佈可能會隨 而變。
所以在求條件分佈時, 我們得到一分佈族: 對每一 有一分佈。
若我們想描述整個分佈族, 可以“ ”( 給定 ,
或說給定 之下 之分佈)來表示。
例如, 若 為一取正整數值之隨機變數, 且在給定 之下, 有 分佈, 則可以說 有 分佈。採用符號“ ”, 或是分佈中有一參數為隨機變數, 則我們便描述出一條件分佈族。 同樣地, 亦為一 的函數, 而 則為一隨機變數, 其值依 之值而定。若 , 則隨機變數 之值便為 。例如, 在例 4中, 我們可以寫
在前述幾個例子中, 給定 , 之分佈均隨 而變。但有些時候, 給定 , 之分佈並未改變, 亦即知道 之值, 對 並未提供任何資訊。此時我們說 與 獨立。
定義
3.設二隨機變數 之聯合p.d.f.為 , 邊際p.d.f.分別為
。若
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(2.12)
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便稱 與 獨立。
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由定義 1及 2知, 對離散型或連續型的隨機向量 ,
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(2.13)
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因此
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(2.14)
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若 與 獨立, 則(2.12)式成立, 因此
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(2.15)
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由上式又得對
, 只要 , 則
即知道 之值, 對求 的機率並無影響。
例 10. 在例 1中, 與 是否獨立?
例 11. 設 有如例 8之聯合p.d.f., 即
試判斷 與 是否獨立。
要利用(2.12)式來決定 與 是否獨立,
便須知 與 之邊際p.d.f.
及 。
利用下述定理,
有時可讓檢驗工作容易些。
下述系理為定理 1之一立即的推論。
利用定理 1, 立即可判定例 11中的 與 不獨立。
底下再給一例。
例 12. 設 之聯合p.d.f.為
試證 與 獨立。 
在利用獨立的定義, 或定理 1, 以檢驗二隨機變數是否獨立, 要留意的是使 之 的集合, 必須是
的型式, 其中
, 即為 上一有“乘積”型式的區域, 通常以 表之。換句話說, 的範圍要彼此無關。在第3.1節例1.3中, 雖然 , 表面上看起來, 可寫成 的型式, 但使 之 的集合為
,
, , 為平面上一三角形, 並無 的型式。 範圍如果是
當然也不行。更明確地說, 第3.1節例1.3中之 應寫成
因其中指示函數的部分, 無法寫成一個 的函數乘上一個 的函數,
所以 與 不獨立。
當 與 獨立時, 有關 與 的機率或期望值都會較好求。
我們給一定理。
例 13. 設 為二獨立的隨機變數, 有 分佈, 有
分佈。 求 之機率及 之期望值。
例 14. 設 為二獨立的隨機變數,
且皆有
分佈。又設平面上有一隨機的矩形 ,
四個頂點之座標分別為 , ,
及 。則 之面積的期望值與中位數何者為大?
例 15. 自區間 隨機地取兩數, 以 及 表之。求最接近 的
整數恰為一偶數之機率。
註 2.
此處用到
底下檢驗二隨機變數獨立的定理,亦為定理
1之一推論。
我們略去其證明。
定理
3.設有二隨機變數 。則 與 獨立, 若且唯若
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(2.22)
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上式左側稱為 之聯合特徵函數。
定理 3即是說 與 獨立,
若且唯若其聯合特徵函數等於 各自特徵函數之積。
定理 3也有母函數(針對取非負整數值之隨機變數),
拉普拉斯轉換(針對取非負整數值之隨機變數)及動差母函數之版本。
只要這些轉換至少在一二維的開區間存在(母函數及拉普拉斯轉換沒問題,
動差母函數 有時只有在 才存在)。 定理 3有下述一重要的推論。
系理
2.設 為二獨立的隨機變數。則
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(2.23)
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同樣地,系理 2亦有關於其他三個轉換的版本。
例 16. 設 為二獨立的隨機變數, 各有
及
的分佈。求 之分佈。 
利用適當的轉換,
可求出一些具有常見分佈(參數可能不同)之隨機變數和的分佈。
我們列出如下。
並非所有獨立的同一類分佈之隨機變數的和仍有同一類分佈(當然如果將幾何分佈視為負二項分佈,
則(vi)為(vii)之一特例)。定理 4(vi)為一例。另外,
設 獨立。則當 皆有 分佈時,
並無均勻分佈。
我們再給一有趣的例子。
例 17. 對一正整數 , 假設任選一正整數是 的倍數之機率為 。 這個假設是合理的, 原因則讓大家自行想想。利用
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(2.24)
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試求任選二正整數互質的機率 。
我們再給兩個補充說明。首先,
若(2.12)(或(2.16))式在一集合 不成立, 但
,
則 與 仍為獨立的隨機變數。例如, 若
令
。由於
故 與 獨立。
其次,若 與 獨立, 由(2.15)式, 可得
條件期望值與給定的 無關。反之若上式成立,
是否導致 與 獨立呢? 本節最後我們來介紹偏斜常態分佈(skew
normal distribution)。
此分佈族包含常態分佈, 且與常態分佈有一些相同或相似的性質。
但此分佈由於有一偏斜參數(skewness
parameter), 適合當做有偏斜數據(即p.d.f.並非左右對稱,
期望值也不等於中位數)的機率模型。
一隨機變數 , 若其p.d.f.為
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(2.25)
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其中 , 且 ,
分別為
分佈之p.d.f.及分佈函數,
便稱為有參數
之偏斜常態分佈,
以
表之。 圖
1給出兩個
分佈p.d.f.的圖形。
可看出圖形是有偏斜的, 不像常態分佈的圖形為左右對稱。
圖 1
及
p.d.f.之圖形
我們列出一些偏斜常態分佈簡單的性質如下。
(i)
;
(ii) 若
, 則
;
(iii) 若
, 則
;
(iv) 若
, 則 之分佈函數為
(v)
;
(vi)
。
上述這些性質的證明並不困難,
其他性質可參考Azzalini(1985)。
由表面的形式, 一時可能不易看出(2.25)式的確定義出一p.d.f.。
即使由性質(iv), 也不易看出
事實上, 設 為二獨立的隨機變數, 且皆有
分佈, 因
,
, 故
因此
又
由於
, 且
故
為一p.d.f.。 底下先給一例。
例 18. 設 為二獨立的隨機變數, 且皆有
分佈。
令
試證對
, 有
分佈。
進一步閱讀資料:黃文璋 (2003) . 條件分佈及獨立性。數理統計講義第三章。國立高雄大學應用數學系。
 
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