標準正規分布とカイ二乗分布からT分布を導出します.T分布は自由度が大きくなればなるほど標準正規分布に近づいていきます.
確率変数が標準正規分布
に従い,確率変数
が自由度
のカイ二乗分布に従い,互いに独立のとき,
とすると,確率変数はT分布に従います.
証明)
以下のようなへの変換を考えます.
ヤコビアンを求めると,
となります.ここで,確率変数の確率密度関数を
,確率変数
を
とすると,それぞれ
となります.確率変数Xと確率変数Yは互いに独立なので,
ここで,への変換を考えると,
となります.
以下のように,を積分して
の周辺確率密度関数を計算すると,これが確率変数
の従う確率密度関数となります。
これは,自由度nのT分布の確率密度関数です.
よって,標準正規分布とカイ二乗分布からT分布を導出できました.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 |
\begin{eqnarray*} \left \{ \begin{array}{l} T=\frac{X}{\sqrt{\frac{Y}{n}}} \\ Y=Y \end{array} \right. \quad \Longleftrightarrow \quad \left \{ \begin{array}{l} X=T\sqrt{\frac{Y}{n}} \\ Y=Y \end{array} \right. \end{eqnarray*} \begin{eqnarray*} J &=& \mathrm{mod} \left| \begin{array}{cc} \frac{\partial X}{\partial T} & \frac{\partial X}{\partial Y} \\ \frac{\partial Y}{\partial T} & \frac{\partial Y}{\partial Y} \end{array} \right| \\ &=& \mathrm{mod} \left| \begin{array}{cc} \sqrt{\frac{Y}{n}} & \frac{1}{2}\cdot \frac{T}{\sqrt{n}} \cdot \frac{1}{\sqrt{Y}} \\ 0 & 1 \end{array} \right| \\ &=& \sqrt{\frac{Y}{n}} \end{eqnarray*} \begin{eqnarray*} f_X(x) &=& \frac{1}{\sqrt{2\pi}}exp\left \{ -\frac{x^2}{2} \right \} \\ f_Y(y) &=& \frac{1}{2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} y^{\frac{n}{2}-1}e^{-\frac{y}{2}} \end{eqnarray*} \begin{eqnarray*} f(t,y) &=& f_X(x)f_Y(y) \cdot J \\ &=& \frac{1}{\sqrt{2\pi}}exp\left \{ -\frac{x^2}{2} \right \} \cdot \frac{1}{2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} y^{\frac{n}{2}-1}e^{-\frac{y}{2}} \cdot \sqrt{\frac{y}{n}} \\ &=& \frac{1}{\sqrt{2\pi}2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} y^{\frac{n}{2}-1}e^{-\frac{x^2+y}{2}}\sqrt{\frac{y}{n}} \\ && \left( \mbox{ここで,}x=t\sqrt{\frac{y}{n}} \mbox{を代入} \right) \\ &=& \frac{1}{\sqrt{2\pi}2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} y^{\frac{n}{2}-1} exp\left \{ -\left( \frac{t^2}{n}+1 \right) \frac{y}{2} \right \} \sqrt{\frac{y}{n}} \\ && (\mbox{ただし,} -\infty \leq x \leq \infty , 0 \leq u \leq \infty) \end{eqnarray*} \begin{equation*} y=\frac{2z}{\frac{t^2}{n}+1} \quad \Longleftrightarrow \quad dy = \frac{2}{\frac{t^2}{n}+1}dz \end{equation*} \begin{eqnarray*} f(t) &=& \int _0 ^{\infty} f(t,y)dy \\ &=& \int _0 ^{\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi}2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} y^{\frac{n}{2}-1} exp\left \{ -\left( \frac{t^2}{n}+1 \right) \frac{y}{2} \right \} \sqrt{\frac{y}{n}} dy \\ &=& \int _0 ^{\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi n}2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} \left( \frac{2z}{\frac{t^2}{n}+1} \right) ^{\frac{n}{2}-1} e^{-z} \left( \frac{2z}{\frac{t^2}{n}+1} \right) ^{\frac{1}{2}} \frac{2}{\frac{t^2}{n}+1}dz \\ &=& \int _0 ^{\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi n}2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} \left( \frac{2z}{\frac{t^2}{n}+1} \right) ^{\frac{n-1}{2}} e^{-z} \cdot \frac{2}{\frac{t^2}{n}+1}dz \\ &=& \int _0 ^{\infty} \frac{1}{\sqrt{2\pi n}2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} \left( \frac{t^2}{n}+1 \right) ^{-\frac{n+1}{2}} z ^{\frac{n-1}{2}}\cdot 2^{\frac{n+1}{2}} \cdot e^{-z}dz \\ &=& \frac{2^{\frac{n+1}{2}}}{\sqrt{2\pi n}2^{\frac{n}{2}}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right) \left( \frac{t^2}{n}+1 \right) ^{\frac{n+1}{2}}} \int _0 ^{\infty} z^{\frac{n-1}{2}}\cdot e^{-z}dz \\ &=& \frac{1}{\sqrt{\pi n}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right) \left( \frac{t^2}{n}+1 \right) ^{\frac{n+1}{2}}} \Gamma \left( \frac{n-1}{2}+1 \right) \qquad \left( \because \Gamma (x) = \int _0 ^{\infty} t^{x-1} e^{-t} dt \right) \\ &=& \frac{1}{\sqrt{\pi n}\Gamma \left( \frac{n}{2} \right) \left( \frac{t^2}{n}+1 \right) ^{\frac{n+1}{2}}} \Gamma \left( \frac{n+1}{2} \right) \\ &=& \frac{\Gamma \left( \frac{n+1}{2} \right) }{\sqrt{n} \Gamma \left( \frac{1}{2} \right) \Gamma \left( \frac{n}{2} \right)} \left( \frac{t^2}{n}+1 \right) ^{-\frac{n+1}{2}} \qquad \left(\because \Gamma \left( \frac{1}{2} \right) = \sqrt{\pi} \right) \\ &=& \frac{1}{\sqrt{n} B \left( \frac{n}{2},\frac{1}{2} \right)} \left( \frac{t^2}{n}+1 \right) ^{-\frac{n+1}{2}} \qquad \left( \because B(p,q)=\frac{\Gamma(p)\Gamma(q)}{\Gamma (p+q)} \right) \\ &=& n^{-\frac{1}{2}} \left\{ B \left( \frac{n}{2},\frac{1}{2} \right) \right\} ^{-1} \left( \frac{t^2}{n}+1 \right) ^{-\frac{n+1}{2}} \end{eqnarray*} |
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