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條件分佈及獨立性

  當觀測兩個隨機變數$X$$Y$時, 兩個變數有時並非不相干。例如, 令$X$表某位學生第一次考試的成績, $Y$表第二次考試的成績。 如果知道$X=100$, 則$Y=0$的機率應是很低的。 又如身高$(X)$與體重$(Y)$, 如果知道$X=180$(公分), 則$Y \geq
60$(公斤)的機率, 應比$X=140$(公分)時, $Y \geq
60$(公斤)的機率高。上述這些例子顯示, 有時知道$X$的值, 是會提供一些關於$Y$的資訊。

  設$(X,Y)$為離散型的隨機向量, 因$\{X=x\}$$\{Y=y\}$為二事件, 故可以第一章(定義2.1)事件之條件機率的定義, 來定義條件機率$P(Y=y\vert X=x)$。即只要$P(X=x)>0$, 則

$\displaystyle P(Y=y\vert X=x)=\frac{P(Y=y,X=x)}{P(X=x)}\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.1)

上式也可以p.d.f.表示, 我們給一定義如下。

 

  定義 1.$(X,Y)$為離散型的隨機向量, 以$f(x,y)$為聯合p.d.f., $f_X(x)$, $f_Y(y)$為邊際p.d.f.。對任意$x$, 只要$f_X(x)>0$, 在給定$X=x$之下, $Y$之條件p.d.f.$f(y\vert x)$

$\displaystyle f(y\vert x)=P(Y=y\vert X=x)=\frac{f(x,y)}{f_X(x)}\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.2)

對任意$y$, 只要$f_Y(y)>0$, 在給定$Y=y$之下, $X$之條件p.d.f.$f(x\vert y)$

\begin{displaymath}
f(x\vert y)=P(X=x\vert Y=y)=\frac{f(x,y)}{f_Y(y)}\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{displaymath}

(2.3)

  有時為了清楚隨機變數為何, 且避免混淆, 我們會以$f_{Y\vert X}(y\vert x)$表在給定$X=x$之下, $Y$的條件p.d.f.。 也常簡單地以$Y\vert X$之分佈, 或$Y\vert X$之p.d.f., 分別表條件分佈及條件p.d.f.。另外, 既然$f(y\vert x)$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 $f_X(x)>0,f(x,y)
\geq 0$, 故$f(y\vert x)
\geq 0$。其次

\begin{eqnarray*}
\sum_y f(y\vert x)=\sum_y \frac
{f(x,y)}{f_X(x)}=\frac{\sum_y
f(x,y)}{f_X(x)}=\frac{f_X(x)}{f_X(x)}=1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

$f(y\vert x)$的確是一p.d.f.。


例 1.$(X,Y)$之聯合p.d.f.如下:

$y\setminus x$

1

2

$f_Y(y)$

1

$\frac{1}{8}$

$\frac{1}{4}$

$\frac{3}{8}$

2

$\frac{9}{16}$

$\frac{1}{16}$

$\frac{5}{8}$

$f_X(x)$

$\frac{11}{16}$

$\frac{5}{16}$

1

我們也求出邊際p.d.f.$f_X(x)$$f_Y(y)$, 一併填入上表。則

\begin{eqnarray*}
f_{Y\vert X}(1\vert 1)&=&\frac{f(1,1)}{f_X(1)}=\frac{1/8}{11/1...
...2,2)}{f_X(2)}=\frac{1/16}{5/16}=\frac{1}{5}\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

至於$f_{X\vert Y}(x\vert y)$留給各位自行求出。可看出

\begin{eqnarray*}
\sum_y
f_{Y\vert X}(y\vert 1)&=&f_{Y\vert X}(1\vert 1)+f_{Y\ve...
...vert X}(2\vert 2)=\frac{4}{5}+\frac{1}{5}=1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

\begin{eqnarray*}
\sum_x
f_{Y\vert X}(1\vert x)&=&f_{Y\vert X}(1\vert 1)+f_{Y\ve...
...}(2\vert 2)=\frac{9}{11}+\frac{1}{5}
\neq 1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

上例顯示, 雖 $\sum_y f_{Y\vert X}(y\vert x)=1$, 但 $\sum_x
f_{Y\vert X}(y\vert x)$卻不一定等於$1$, 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,

$\displaystyle P(Y \leq y\vert X=x)=\sum_{v \leq y}f_{Y\vert X}(v\vert x)\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.4)

  若$(X,Y)$為連續型的隨機向量, 則 $P(X=x)=0,\forall x \in R$, 因此無法利用事件的機率來定義給定$X=x$之下, $Y$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。

  定義 2.$(X,Y)$為連續型的隨機向量, 以$f(x,y)$為聯合p.d.f., $f_X(x)$,$f_Y(y)$為邊際p.d.f.。對任意$x$, 只要$f_X(x)>0$, 在給定$X=x$之下, $Y$之條件p.d.f.為

$\displaystyle f(y\vert x)=\frac{f(x,y)}{f_X(x)}\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.5)

對任意$y$, 只要$f_Y(y)>0$, 在給定$Y=y$之下, $X$之條件p.d.f.為

(2.6)

  如同離散型的情況, 亦可證明$f(y\vert x)$$f(x\vert y)$皆確為p.d.f.。

例 2.第3.1節例1.3。可求出

\begin{eqnarray*}
f(y\vert x)&=&\frac{f(x,y)}{f_X(x)}=\frac{24xy}{12x(1-x)^2} \\...
...c{2y}{(1-x)^2}, 0 \leq y \leq 1-x, 0< x < 1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

同理

\begin{eqnarray*}
f(x\vert y)=\frac{2x}{(1-y)^2}, 0 \leq x \leq 1-y, 0 < y < 1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

注意因 $f_X(0)=f_Y(0)=0$, 且 $f_X(1)=f_Y(1)=0$, 故在$f(y\vert x)$中, $x
\neq 0, 1$, 在$f(x\vert y)$中, $y \neq 0,1$。又可驗證$f(y\vert x)$$f(x\vert y)$都確為p.d.f.。即

\begin{eqnarray*}
\int_0^{1-x}\frac{2y}{(1-x)^2}dy=\int_0^{1-y}\frac{2x}{(1-y)^2}dx=1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

$P(Y \leq 1/2\vert x)$是否等於

\begin{eqnarray*}
\int_0^{1/2}f(y\vert x)dy=\int_0^{1/2}\frac{2y}{(1-x)^2}dy=\frac{1}{4(1-x)^2}?
\end{eqnarray*}

要注意的是$y$的範圍要滿足 $0 \leq y \leq 1-x$, 而$1/2$不一定小於$1-x$。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$g$, 在給定$X=x$之下, $g(Y)$之條件期望值, 以$E(g(Y)\vert x)$表之, 定義為

(2.7)

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$E(Y\vert x)$為一$x$的函數, 故當給定$X=x$, $E(Y\vert x)$便非隨機了。因此(利用第一章(6.5)及(6.6)式)

$\displaystyle E(E(Y\vert x)\vert x)=E(Y\vert x),$

(2.8)

(2.9)

又在誤差的平方之期望值最小下, $E(Y\vert X)$為在知道$X$之下, $Y$之最佳預測值。這是第一章定理6.2之推廣。

例 3. 承例 1。則

\begin{eqnarray*}
E(Y\vert X=1)&=&\sum_y yf(y\vert 1)=1\cdot\frac{2}{11}+2\cdot\...
...ot\frac{4}{5}+2\cdot\frac{1}{5}=\frac{6}{5}\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

例 4. 承例 2。



因此


  

  在給定$X=x$之下, 除了可求條件期望值$E(Y\vert X=x)$, 亦可求條件變異數 $\mbox{Var}(Y\vert X=x)$, 或以 $\mbox{Var}(Y\vert x)$表之, 其定義為

(2.10)

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$Y$)與其期望值(此處為$E(Y\vert x)$)之離差平方(此處為$(Y-E(Y\vert x))^2$)的期望值(此處為給定$X=x$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)

$\displaystyle \mbox{Var}(Y\vert x)=E(Y^2\vert x)-(E(Y\vert x))^2\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.11)

例 5.第3.1節例1.3, 例 2, 及例 4。求$\mbox{Var}(Y\vert x)$。  提示


例 6.$X,Y$之聯合p.d.f.為

\begin{eqnarray*}
f(x,y)=\frac {1}{64}(x+y), 0\leq x,y\leq 4\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

試求(i) $f_X(x)$, (ii) $f(y\vert x)$, (iii) $E(Y\vert x)$, 及(iv) $\mbox{Var}(Y\vert x)$, $0\leq x\leq 4$。  提示

例 7.$(X,Y)$$xy$平面上, 以$(0,0)$, $(8,0)$$(0,4)$為三頂點之三角形內(不含三邊)均勻分佈。 試求$f(y\vert x)$, $E(Y\vert x)$, 及 $\mbox{Var}(Y\vert x)$。  提示


註 1.$A$為平面上一區域, 且設$A$的面積(以$S(A)$表之)存在且為正。 則
$(X,Y)$$A$上均勻分佈, 表$(X,Y)$之聯合p.d.f.為

\begin{eqnarray*}
f(x,y)=\frac {1}{S(A)}, (x,y)\in A\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

例 8.$(X,Y)$之聯合p.d.f.為

\begin{eqnarray*}
f(x,y)=\frac {1}{2} x^3e^{-x(1+y)}, x,y>0\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

試求$f(y\vert x)$, $E(Y\vert x)$ $\mbox{Var}(Y\vert x)$。  提示

例 9. 設有一函數

(i) 試證$f$為一二維之p.d.f.;

(ii) 假設$(X,Y)$$f$為聯合p.d.f., 試求$f(y\vert x)$, $E(Y\vert x)$ $\mbox{Var}(Y\vert x)$。  提示

 

  讀者可否看出$X,Y$之邊際分佈皆為 $\mathcal{U}(0,1)$, 但$(X,Y)$並無二維的均勻分佈。又可否立即看出, 對本例, $f(x\vert y)$, $E(X\vert y)$ $\mbox{Var}(X\vert y)$分別為何?

  由例 1及 2知, 給定$X=x$之下, $Y$的分佈可能會隨$x$而變。 所以在求條件分佈時, 我們得到一分佈族: 對每一$x$有一分佈。 若我們想描述整個分佈族, 可以“$Y\vert X$”($Y$給定$X$, 或說給定$X$之下$Y$之分佈)來表示。

  例如, 若$X$為一取正整數值之隨機變數, 且在給定$X=x$之下, $Y$${\cal B}(x,p)$分佈, 則可以說$Y\vert X$${\cal
B}(X,p)$分佈。採用符號“$Y\vert X$”, 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, $E(g(Y)\vert x)$亦為一$x$的函數, 而$E(g(Y)\vert X)$則為一隨機變數, 其值依$X$之值而定。若$X=x$, 則隨機變數$E(g(Y)\vert X)$之值便為$E(g(Y)\vert x)$。例如, 在例 4中, 我們可以寫

\begin{eqnarray*}
E(Y\vert x)=\frac{2}{3}(1-x),\quad E(Y^2\vert x)=\frac{1}{2}(1-x)^2\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

  在前述幾個例子中, 給定$X=x$, $Y$之分佈均隨$x$而變。但有些時候, 給定$X=x$, $Y$之分佈並未改變, 亦即知道$X$之值, 對$Y$並未提供任何資訊。此時我們說$X$$Y$獨立
 

  定義 3.設二隨機變數$X,Y$之聯合p.d.f.為$f(x,y)$, 邊際p.d.f.分別為 $f_X(x),\linebreak f_Y(y)$。若

$\displaystyle f(x,y)=f_X(x)f_Y(y), \forall x,y \in R,$

(2.12)

便稱$X$$Y$獨立

  由定義 1及 2知, 對離散型或連續型的隨機向量$(X,Y)$,

(2.13)

因此

(2.14)

$X$$Y$獨立, 則(2.12)式成立, 因此

(2.15)

由上式又得對 $\forall A \subset R$, 只要$f_X(x)>0$, 則

\begin{eqnarray*}
P(Y \in A\vert x)=\int_Af(y\vert x)dy=\int_Af_Y(y)dy=P(Y \in A),
\end{eqnarray*}

即知道$X=x$之值, 對求$Y$的機率並無影響。


例 10. 在例 1中,$X$$Y$是否獨立?  提示

 
例 11.$(X,Y)$有如例 8之聯合p.d.f., 即

\begin{eqnarray*}
f(x,y)=\frac 12 x^3 e^{-x(1+y)}, x,y>0\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

試判斷$X$$Y$是否獨立。  提示

  要利用(2.12)式來決定$X$$Y$是否獨立, 便須知$X$$Y$之邊際p.d.f.$f_X(x)$
$f_Y(y)$。 利用下述定理, 有時可讓檢驗工作容易些。

  定理 1.設隨機向量$(X,Y)$$f(x,y)$為聯合p.d.f.。則$X$$Y$獨立, 若且唯若存在函數$g(x)$$h(y)$, 使得對 $\forall x,y \in R$,                                                                                提示

$\displaystyle f(x,y)=g(x)h(y)\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.16)

  下述系理為定理 1之一立即的推論。

 

  系理 1.設隨機向量$(X,Y)$$F(x,y)$為其聯合分佈函數, 則$X$$Y$獨立, 若且唯若

$\displaystyle F(x,y)=F_X(x)F_Y(y), x,y \in R,$

(2.20)

若且唯若存在函數$G(x)$$H(y)$, 使得對 $\forall x,y \in R$,

$\displaystyle F(x,y)=G(x)H(y)\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.21)

  利用定理 1, 立即可判定例 11中的$X$$Y$不獨立。 底下再給一例。
例 12.$(X,Y)$之聯合p.d.f.為

\begin{eqnarray*}
f(x,y)=\frac{1}{121,\!500}x^3y^2e^{-x/3-y/5},x,y>0\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

試證$X$$Y$獨立。  提示

 

  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$f(x,y)>0$$(x,y)$的集合, 必須是 $\{(x,y)\vert x
\in A, y \in B\}$的型式, 其中 $A=\{x\vert f_X(x)>0\},B=\{y\vert f_Y(y)>0\}$, 即為$R^2$上一有“乘積”型式的區域, 通常以$A \times
B$表之。換句話說, $x,
y$的範圍要彼此無關。在第3.1節例1.3中, 雖然$f(x,y)=24xy$, 表面上看起來, 可寫成$g(x)h(y)$的型式, 但使$f(x,y)>0$$x,
y$的集合為 $\{0 \leq x \leq 1$, $0 \leq y \leq
1$, $x+y \leq 1\}$, 為平面上一三角形, 並無$A \times
B$的型式。 範圍如果是 $x^2+y^2 \leq 4$當然也不行。更明確地說, 第3.1節例1.3中之$f(x,y)$應寫成

因其中指示函數的部分, 無法寫成一個$x$的函數乘上一個$y$的函數, 所以$X$$Y$不獨立。

  當$X$$Y$獨立時, 有關$X$$Y$的機率或期望值都會較好求。 我們給一定理。

 

  定理 2.$X,Y$為二獨立的隨機變數。則

(i) 對 $\forall A,B \subset R$,

\begin{eqnarray*}
P(X \in A,Y \in B)=P(X \in A)P(Y \in B),
\end{eqnarray*}

即事件$\{X \in A\}$$\{Y \in B\}$相互獨立。

(ii) 設有函數$g(x)$$h(y)$, 滿足$E(g(X))$$E(h(Y))$皆存在。則                       提示

\begin{eqnarray*}
E(g(X)h(Y))=E(g(X)) \cdot E(h(Y))\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}                


例 13.$X,Y$為二獨立的隨機變數, $X$${\cal E}(2)$分佈, $Y$ ${\cal U}[0,
3]$分佈。  求之機率及之期望值。  提示


例 14.$U_1, U_2$為二獨立的隨機變數, 且皆有 $\mathcal{U}(0,1]$分佈。又設平面上有一隨機的矩形$A$, 四個頂點之座標分別為$(0,0)$, $(U_1,0)$, $(U_1,U_2)$$(0,U_2)$。則$A$之面積的期望值與中位數何者為大?    提示


例 15. 自區間$(0,1)$隨機地取兩數, 以$X$$Y$表之。求最接近$X/Y$的 整數恰為一偶數之機率。  提示

註 2. 此處用到

\begin{eqnarray*}
\arctan x=x-\frac{1}{3}x^3+\frac{1}{5}x^5+ \cdots + \frac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1} + \cdots ,\vert x\vert\leq 1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

  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$X,Y$。則$X$$Y$獨立, 若且唯若

$\displaystyle \psi(s,t)=E(e^{isX+itY})=E(e^{isX})E(e^{itY}), s,t\in R\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.22)

   上式左側稱為$X,Y$聯合特徵函數。 定理 3即是說$X$$Y$獨立, 若且唯若其聯合特徵函數等於$X,Y$各自特徵函數之積。 定理 3也有母函數(針對取非負整數值之隨機變數), 拉普拉斯轉換(針對取非負整數值之隨機變數)及動差母函數之版本。 只要這些轉換至少在一二維的開區間存在(母函數及拉普拉斯轉換沒問題, 動差母函數$M(s,t)=E(e^{sX+tY})$有時只有在$s=t=0$才存在)。

  定理 3有下述一重要的推論。

 

 系理 2.$X,Y$為二獨立的隨機變數。則

$\displaystyle E(e^{it(X+Y)})=E(e^{itX})E(e^{itY}), t \in R\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.23)

  同樣地,系理 2亦有關於其他三個轉換的版本。


例 16. $X,Y$為二獨立的隨機變數, 各有 $\mathcal{P}(\lambda)$ $\mathcal{P}(\mu)$的分佈。求$X+Y$之分佈。   提示

 
  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。

 定理 4.$X_1,X_2$為二獨立的隨機變數。令$S=X_1+X_2$。 則對$i=1,2$,

(i) 若$X_i$ ${\cal P}(\lambda_i)$分佈, 則$S$ ${\cal
P}(\lambda_1+\lambda_2)$分佈;

(ii) 若$X_i$ ${\cal B}(n_i,p)$分佈, 則$S$ ${\cal
B}(n_1+n_2,p)$分佈;

(iii) 若$X_i$ $ \Gamma (\alpha_i,\beta)$分佈, 則$S$ $
\Gamma(\alpha_1+\alpha_2,\beta)$分佈;

(iv) 若$X_i$$\chi^2_{n_i}$分佈, 則$S$ $
\chi^2_{n_1+n_2}$分佈;

(v) 若$X_i$ ${\cal N}(\mu_i,\sigma_i^2)$分佈, 則$S$ ${\cal
N}(\mu_1+\mu_2,\sigma_1^2+\sigma_2^2)$分佈;

(vi) 若$X_i$有自0開始之${\cal G}e(p)$分佈, 則$S$ ${\cal
NB}(2,p)$分佈;

(vii) 若$X_i$ ${\cal NB}(r_i,p)$分佈, 則$S$ ${\cal
NB}(r_1+r_2,p)$分佈。


  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$X_1,X_2$獨立。則當$X_1,X_2$皆有${\cal U}(0,1)$分佈時, $X_1+X_2$並無均勻分佈。

  我們再給一有趣的例子。


例 17. 對一正整數$i$, 假設任選一正整數是$i$的倍數之機率為$1/i$。 這個假設是合理的, 原因則讓大家自行想想。利用

$\displaystyle \sum_{i=1}^{\infty}\frac{1}{i^2}=\frac{\pi^2}{6}\raisebox{-1.2mm}{。}$

(2.24)

試求任選二正整數互質的機率$p$。    提示

  我們再給兩個補充說明。首先, 若(2.12)(或(2.16))式在一集合$A$不成立, 但 $\int\int_Adxdy=0$, 則$X$$Y$仍為獨立的隨機變數。例如, 若

\begin{eqnarray*}
f(x,y)=\left\{
\begin{array}{lll}
e^{-\lambda x-\mu y} &, x,...
...ambda xy} &, x,y>0,x=y\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{array} \right.
\end{eqnarray*}

$A=\{(x,y)\vert x,y>0,x=y\}$。由於

\begin{eqnarray*}
\int\int_A dxdy=\int_0^\infty \int_y^y 1 dxdy=\int_0^\infty 0
dy=0,
\end{eqnarray*}

$X$$Y$獨立。

  其次,若$X$$Y$獨立, 由(2.15)式, 可得

\begin{eqnarray*}
E(Y\vert X)=E(Y),
\end{eqnarray*}

條件期望值與給定的$X$無關。反之若上式成立, 是否導致$X$$Y$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$Z$, 若其p.d.f.為

$\displaystyle f(z)=2\phi(z)\Phi(\lambda z), -\infty<z<\infty,$

(2.25)

其中$\lambda\in R$, 且$\phi(z)$, $\Phi(z)$分別為 $\mathcal{N}(0,1)$分佈之p.d.f.及分佈函數, 便稱為有參數 $\mbox{\mathversion{bold}{$\lambda$}}$之偏斜常態分佈, 以 $\mathcal{SN}(\lambda)$表之。

  圖 1給出兩個 $\mathcal{SN}(\lambda)$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 $\mathcal{SN}(2)$ $\mathcal{SN}(5)$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) $\mathcal{SN}(0)=\mathcal{N}(0,1)$;

(ii) 若 $Z\sim \mathcal{SN}(\lambda)$, 則 $-Z\sim
\mathcal{SN}(-\lambda)$;

(iii) 若 $Z\sim \mathcal{SN}(\lambda)$, 則 $Z^2\sim
\chi_1^2$;

(iv) 若 $Z\sim \mathcal{SN}(\lambda)$, 則$Z$之分佈函數為

\begin{eqnarray*}
\Phi(z;\lambda)=P(Z\leq z)=2\int_{-\infty}^{z}\int_{-\infty}^{\lambda
t}\phi(t) \phi(u) dudt;
\end{eqnarray*}

(v) $1-\Phi(-z;\lambda)=\Phi(z;-\lambda)$;

(vi) $\Phi(z;1)=(\Phi(z))^2$

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

\begin{eqnarray*}
\lim_{z\rightarrow \infty} \Phi(z;
\lambda)=2\int_{-\infty}^{\...
...-\infty}^{\lambda t}
\phi(t) \phi(u) dudt=1\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

事實上, 設$X,Y$為二獨立的隨機變數, 且皆有 $\mathcal{N}(0,1)$分佈, 因 $X\stackrel{d}{=}(-X)$, $Y\stackrel{d}{=}(-Y)$, 故

\begin{eqnarray*}
-(X-\lambda Y)=(-X)-\lambda (-Y)\stackrel{d}{=}X-\lambda Y\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

因此

\begin{eqnarray*}
\frac 12=P(X-\lambda Y<0) &=& P(X<\lambda Y)\\
&=& \int_{-\in...
...\infty}^{\infty} \phi(y) \Phi(\lambda y) dy\raisebox{-1.2mm}{。}
\end{eqnarray*}

由於 $2\phi(z)\Phi(\lambda z)\geq 0$, 且

\begin{eqnarray*}
\int_{-\infty}^{\infty} 2\phi(z)\Phi(\lambda z) dz=1,
\end{eqnarray*}

$2\phi(z)\Phi(\lambda z)$為一p.d.f.。 底下先給一例。

例 18.$X,Y$為二獨立的隨機變數, 且皆有 $\mathcal{N}(0,1)$分佈。 令

試證對 $\forall \lambda\in R$, $Z$ $\mathcal{SN}(\lambda)$分佈。  提示

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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