background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

Wykład 3a.  Funkcje charakterystyczne zm. los. i ich własności

.  

 

 

Funkcje charakterystyczne (F.Ch.)  

 

 

 

Jest to bardzo użyteczne narzędzie w rękach matematyka 

 
Definicja. Funkcja charakterystyczna zm. los. X to  odwzorowanie 

C

R

:

 dane wzorem: 

 

 

itX

def

Ee

)

t

(

,    gdzie  i = 

1

,          C- liczby zespolone. 

 

lub 
 

 

)

tX

sin(

iE

)

tX

cos(

E

)

t

(

 

 

lub  

 

 

R

itx

x

itx

.

c

absolutnie

.

los

.

zm

dla

,

dx

)

x

(

f

e

.

dysk

.

los

.

zm

.

dla

,

)

x

X

(

P

e

)

t

(

 

  

Ostatnie przekształcenie znane jest pod nazwą transformata Fouriera 
gęstości prawdopodobieństwa. 

 
 
Przykład 1. X~ Poisson(

)

 

 

0

k

itk

e

)

t

(

!

k

e

k

=

0

k

k

it

)

e

(

!

k

1

e

it

e

e

e

=

)

1

e

(

it

e

 

 

 

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

Przykład 2. X 

~N(0,1) 

 

2

/

2

t

2

/

2

x

itx

e

dx

e

(

2

1

)

t

(

   

( Ostatnia równość  nie jest natychmiastowa. Dowód można 
sprowadzić do  rozwiązania pewnego równania różniczkowego).    

 

Twierdzenie 2.1. Własności F.Ch. 

a) 

itX

Ee

)

t

(

jest ciągła, 

1

)

0

(

, |

1

|

)

t

(

 

 

b) Jeżeli E|X

k

|

,  to F.Ch.  jest k-krotnie różniczkowalna 

 

        oraz  

)

X

(

E

i

)

0

(

k

k

)

k

(

 

 

c)  

)

at

(

e

)

t

(

X

itb

b

aX

,  

R

b

,

a

 

 

d)  

)

t

(

)

t

(

X

X

 

 

e)  Jeżeli X i Y są niezależne to 

)

t

(

)

t

(

)

t

(

Y

X

Y

X

 

 

 

Związek 

między gęstością zmiennej X a jej funkcją 

charakterystyczną 

  Twierdzenie . Niech f(x) będzie gęstością rozkładu zm. 

los. X. Załóżmy, że  funkcja charakterystyczna 

 

zmiennej losowej X jest całkowalna (tzn. 

)

dt

|

)

t

(

|

. Wtedy mamy następującą równość 

                          

dt

)

t

(

e

2

1

)

x

(

f

itx

   

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

 

  Twierdzenie 5.1 (O jednoznaczności). Funkcja charakterystyczna  

jednoznacznie wyznacza rozkład prawdopodobieństwa, tzn. jeśli 

)

t

(

)

t

(

X

X

dla wszystkich t

R

, to 

)

x

(

F

)

x

(

F

X

X

 dla x

R

  Twierdzenie 5.2 (O ciągłości). Zbieżność funkcji 

charakterystycznych w każdym punkcie jest równoważna 

zbieżności rozkładów (dystrybuant) w każdym punkcie  

z wyjątkiem, być może, punktów nieciągłości dystrybuanty 

granicznej. Innymi słowy:  

 
 

)

a

(

F

)

a

(

F

że

,

takich

a

dla

)

a

(

F

)

a

(

F

t

),

t

(

)

t

(

X

X

X

X

X

n

n

X

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

Wykład 3b.

 

Część 2

.

Rozkład gamma i jego funkcja charakterystyczna, rozkład 

wykładniczy, rozkłady średnich z próby losowej prostej, rozkład chi-kwadrat z k stopniami 
swobody.

 

 

Rozkład gamma. Funkcja charakterystyczna 

Zmienna losowa X ma rozkład gamma, jeśli jej gęstość 
prawdopodobieństwa jest postaci 

0

p

,

0

a

0

x

dla

e

x

)

p

(

a

0

x

dla

0

)

x

(

f

ax

1

p

p

 

 

0

x

1

p

def

dx

e

x

)

p

(

 

 

Wzór na f(x) określa gęstość, ponieważ podstawiając y = ax mamy 
 

1

dy

e

y

)

p

(

1

dx

e

x

)

p

(

a

0

y

1

p

0

ax

1

p

p

. Stąd   

 

p

0

ax

1

p

a

)

p

(

dx

e

x

                                 (*)

 

Ostatni wzór jest prawdziwy dla a = a

1

 +i a

2

  , a

1

 > 0 (dowód 

pomijamy).  
 
Funkcja charakterystyczna dla zmiennej losowej o rozkładzie gamma  
z parametrami a i p  przybiera postać 

)

t

(

 

dx

e

)

x

(

f

itx

 

 

p

p

p

p

0

x

)

it

a

(

1

p

p

a

it

1

a

it

1

/

1

)

it

a

(

)

p

(

)

p

(

a

dx

e

x

)

p

(

a

 

 

 

 

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

  Momenty zmiennej los. o rozkładzie gamma(a,p) 

 

E(X) =

a

p

 ,     Var(X) =

2

a

p

  

 

 

Ważna uwaga. Przy parametrze p = 1 rozkład gamma sprowadza 
się do rozkładu wykładniczego (przypominamy 

1

)

1

(

). 

 

0

,

0

x

dla

e

1

0

x

dla

0

)

x

(

f

x

1

 

Zwyczajowo parametr a oznacza się przez  1/

 

Zatem E(X) =

,

        

Var(X) =

2

 

 
Funkcja charakterystyczna dla zmiennej o rozkładzie wykładniczym 
ma więc postać 

 

)

it

1

(

1

)

t

(

 

 

Komentarz do rozkładów wykładniczych. 

  
1. Jeżeli  mamy do czynienia z próbą prostą pochodzącą z rozkładu 

wykładniczego, to średnia arytmetyczna z próby losowej oznaczana  

n

X

=

)

X

X

(

n

1

n

1

(  kreska tym razem nie oznacza  sprzężenia!) 

ma parametry:  E(

X

n

) =

 Var(

X

n

) =

n

/

2

 . Zatem widać, że 

statystyki tej można użyć do estymacji parametru 

, który jest 

wartością oczekiwaną w tym rozkładzie, a wariancja (miara 

rozproszenia od tej wartości) zbiega do zera przy n 

.  

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

Rozkład średniej z próby losowej prostej:

n

2

1

X

,

X

,

X

 

 1) 

n

X

=

)

X

X

(

n

1

n

1

,   

n

1

X

,

,

X 

~ rozkład wykładniczy(

). 

 
 
Przypominamy F.Ch spełnia warunek 

)

at

(

e

)

t

(

X

itb

b

aX

,  

zatem dla a=1/n, b=0   mamy 
       

)

n

/

t

(

)

t

(

k

k

X

n

/

X

 = 

n

it

1

1

       

k

 

 
  Zatem 

n

X

 jest sumą niezależnych zm. los., o identycznych F. Ch.  

Otrzymujemy więc 
 
 

n

X

X

X

X

n

it

1

1

)

n

/

t

(

)

n

/

t

(

)

n

/

t

(

)

t

(

n

2

1

n

 

 

Wniosek z twierdzenia o jednoznaczności. 

n

X

 ma rozkład 

gamma z parametrami p = n, a = n/

 
 

2)  

n

X

=

)

X

X

(

n

1

n

1

,   

n

1

X

,

,

X 

~ N(

)

,

 

 

k

k

X

Y

 

~ N(0,1);  zatem  

k

k

Y

X

 

 
Z własności F. Ch. 

)

at

(

e

)

t

(

X

itb

b

aX

  oraz z faktu 

2

/

t

Y

2

k

e

)

t

(

 mamy  

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

 

2

/

t

it

2

/

t

it

Y

it

Y

X

2

2

2

2

k

k

k

e

e

e

)

t

(

e

)

t

(

)

t

(

 

 
Zatem 
 

n

2

t

it

n

)

n

2

t

n

it

(

)

X

(

n

2

t

n

it

n

/

)

X

(

2

2

2

2

2

2

2

2

k

e

e

)

t

(

zatem

e

)

t

(

  

 

 

Wniosek. Z postaci funkcji charakterystycznej wynika, że 

średnia 

n

X

  z próby pochodzącej z rozkładu normalnego  

N

(

)

,

 ma rozkład N(

)

n

/

,

 
 

 

Rozkład Chi-kwadrat z k-stopniami swobody 

 
Jest to rozkład zmiennej losowej  
 

                          

k

1

i

2

i

Z

X

 

gdzie 

k

,

,

2

,

1

i

Z

i

są niezależnymi zmiennymi losowymi 

 o rozkładzie N(0,1). Zapis: X 

2

(k) 

 

 

Stwierdzenie 4.1  Rozkład 

2

(k)  jest rozkładem Gamma  z 

parametrami   p= k/2,     a=1/2. 

 
Dowód. Niech Y=Z

2

. Niech 

  

 

  F

1

(y)  =   P(

)

y

(

F

)

y

(

F

)

y

Z

y

(

P

)

y

Z

2

 

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

 
Zatem  

   

  

f

1

(y) = 0 dla y

0

, natomiast z faktu , że gęstość rozkładu N(0,1) jest 

symetryczna, mamy 
 

   f

1

(y) = 

y

)

y

(

f

y

2

/

)

y

(

f

2

)

)

y

(

F

)

y

((

F

  Stąd, biorąc pod 

uwagę gęstość rozkładu normalnego, otrzymujemy 
 

f

1

(y)=

0

y

dla

e

y

2

1

0

y

dla

0

2

y

2

/

1

 

 
Tak więc Y ma rozkład Gamma ( ½, ½). 
 
Można wykazać (posługując się np. F. Ch.)  następujący fakt. 
 

  Lemat. Jeżeli niezależne zmienne losowe mają rozkłady gamma 

o parametrach (p

1

,a),...,(p

n

,a) to zm. los.  

X

1

+....+X

n

 ma rozkład gamma o parametrach 

)

a

,

p

(

n

1

i

i

 
W naszym przypadku 

  

 Y

2

i

Z

 mają rozkłady gamma o parametrach (1/2,1/2). 

 
Zatem 

k

1

i

2

i

Z

X

 = 

k

1

i

i

Y

 ma rozkład gamma z parametrami 

                                                p = k/2  oraz  a = 1/2  c.b.d.o. 
 

background image

Mat. Statystyka. Wykład 3 . R. Rempała                                                                      Materiały dydaktyczne 

 

 
Wniosek. Jeżeli zmienne losowe Z

1

, Z

2

, ... ,Z

 są niezależne i o 

jednakowym rozkładzie N(

)

,

  to statystyka  

 

                                   

n

1

i

2

2

i

)

Z

(

X

 

ma rozkład 

)

n

(

2