توزيع حاصل ضرب متغيرين عشوائيين

التوزيع الناتج هو توزيع احتمالي يُنشأ كتوزيع ناتج ضرب متغيرين عشوائيين لهما توزيعان معروفان آخران. بفرض وجود متغيرين عشوائيين مستقلين إحصائيًا X و Y ، فإن توزيع المتغير العشوائي Z الناتج عن ضرب هذين المتغيرين هو توزيع حاصل ضربهما.Z=XY{\displaystyle Z=XY}هي شركة توزيع منتجات .

توزيع الضرب هو دالة كثافة الاحتمال لحاصل ضرب متغيرين عشوائيين. وهذا يختلف عن حاصل ضرب دالتي كثافة الاحتمال لمتغيرين عشوائيين. وقد يُشار إلى هذين المفهومين أحيانًا بشكل مبهم، كما في "حاصل ضرب التوزيعات الغاوسية".

جبر المتغيرات العشوائية

يُعدّ الضرب أحد أنواع الجبر للمتغيرات العشوائية: ومن التوزيعات المرتبطة بتوزيع الضرب: توزيع النسبة ، وتوزيع المجموع (انظر قائمة التفافات التوزيعات الاحتمالية )، وتوزيع الفرق. وبشكل أعم، يمكن الحديث عن تراكيب من المجاميع والفروق والضرب والنسب.

تم وصف العديد من هذه التوزيعات في كتاب ميلفين د. سبرينغر الصادر عام 1979 بعنوان "جبر المتغيرات العشوائية" . [ 1 ]

اشتقاق المتغيرات العشوائية المستقلة

لوX{\displaystyle X}وY{\displaystyle Y}هما متغيران عشوائيان مستقلان ومتصلان، موصوفان بدوال كثافة الاحتمالوX{\displaystyle f_{X}}ووY{\displaystyle f_{Y}}ثم دالة كثافة الاحتمال لـZ=XY{\displaystyle Z=XY}هو [ 2 ]

وZ(z)=-وX(x)وY(z/x)1|x|دx.{\displaystyle f_{Z}(z)=\int _{-\infty }^{\infty }f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{|x|}}\,dx.}

دليل

نكتب أولاً دالة التوزيع التراكمي لـZ{\displaystyle Z}ابدأ بتعريفه

FZ(z)=تعريف P(Zz)=P(XYz)=P(XYz،X0)+P(XYz،X0)=P(Yz/X،X0)+P(Yz/X،X0)=0وX(x)-z/xوY(y)دyدx+-0وX(x)z/xوY(y)دyدx{\displaystyle {\begin{aligned}F_{Z}(z)&\,{\stackrel {\text{def}}{=}}\ \mathbb {P} (Z\leq z)\\&=\mathbb {P} (XY\leq z)\\&=\mathbb {P} (XY\leq z,X\geq 0)+\mathbb {P} (XY\leq) z,X\leq 0)\\&=\mathbb {P} (Y\leq z/X,X\geq 0)+\mathbb {P} (Y\geq z/X,X\leq 0)\\&=\int _{0}^{\infty }f_{X}(x)\int _{-\infty }^{z/x}f_{Y}(y)\,dy\,dx+\int _{-\infty }^{0}f_{X}(x)\int _{z/x}^{\infty }f_{Y}(y)\,dy\,dx\end{aligned}}}

نجد دالة كثافة الاحتمال المطلوبة عن طريق اشتقاق كلا الطرفين بالنسبة إلىz{\displaystyle z}بما أن على الجانب الأيمن، z{\displaystyle z}يظهر فقط في حدود التكامل، ويمكن حساب المشتقة بسهولة باستخدام النظرية الأساسية للتفاضل والتكامل وقاعدة السلسلة . (لاحظ الإشارة السالبة المطلوبة عندما يظهر المتغير في الحد الأدنى للتكامل).

وZ(z)=0وX(x)وY(z/x)1xدx--0وX(x)وY(z/x)1xدx=0وX(x)وY(z/x)1|x|دx+-0وX(x)وY(z/x)1|x|دx=-وX(x)وY(z/x)1|x|دx.{\displaystyle {\begin{aligned}f_{Z}(z)&=\int _{0}^{\infty }f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{x}}\,dx-\int _{-\infty }^{0}f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{x}}\,dx\\&=\int _{0}^{\infty }f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{|x|}}\,dx+\int _{-\infty }^{0}f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{|x|}}\,dx\\&=\int _{-\infty }^{\infty }f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{|x|}}\,dx.\end{aligned}}}

حيث تُستخدم القيمة المطلقة لدمج الحدين بسهولة. [ 3 ]

دليل بديل

يبدأ برهان أسرع وأكثر إيجازًا بنفس خطوة كتابة التوزيع التراكمي لـZ{\displaystyle Z}بدءاً من تعريفها:

FZ(z)=دهـو  P(Zz)=P(XYz)=--وX(x)وY(y)u(z-xy)دyدx{\displaystyle {\begin{aligned}F_{Z}(z)&{\overset {\underset {\mathrm {def} }{}}{=}}\ \ \mathbb {P} (Z\leq z)\\&=\mathbb {P} (XY\leq z)\\&=\int _{-\infty }^{\infty }\int _{-\infty }^{\infty }f_{X}(x)f_{Y}(y)u(z-xy)\,dy\,dx\end{aligned}}}

أينu(){\displaystyle u(\cdot )}هي دالة هيفسايد المتدرجة وتعمل على تحديد منطقة التكامل بقيم .x{\displaystyle x}وy{\displaystyle y}مُرضٍxyz{\displaystyle xy\leq z}.

نجد دالة كثافة الاحتمال المطلوبة عن طريق اشتقاق كلا الطرفين بالنسبة إلىz{\displaystyle z}.

وZ(z)=--وX(x)وY(y)دلتا(z-xy)دyدx=-وX(x)[-وY(y)دلتا(z-xy)دy]دx=-وX(x)وY(z/x)1|x|دx.{\displaystyle {\begin{aligned}f_{Z}(z)&=\int _{-\infty }^{\infty }\int _{-\infty }^{\infty }f_{X}(x)f_{Y}(y)\delta (z-xy)\,dy\,dx\\&=\int _{-\infty }^{\infty }f_{X}(x)\left[\int _{-\infty }^{\infty }f_{Y}(y)\delta (z-xy)\,dy\right]\,dx\\&=\int _{-\infty }^{\infty }f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{|x|}}\,dx.\end{aligned}}}

حيث نستفيد من خصائص الترجمة والقياس لدالة ديراك دلتادلتا{\displaystyle \delta }.

يوضح الشكل أدناه وصفًا أكثر وضوحًا للإجراء. دالة كثافة الاحتمال المشتركةوX(x)وY(y){\displaystyle f_{X}(x)f_{Y}(y)}موجود فيx{\displaystyle x}-y{\displaystyle y}مستوى وقوس ثابتz{\displaystyle z}تظهر القيمة كخط مظلل. لإيجاد الاحتمال الهامشيوZ(z){\displaystyle f_{Z}(z)} على هذا القوس، قم بالتكامل على زيادات المساحةدxدyو(x،y){\displaystyle dx\,dy\;f(x,y)}على هذا الخط المحيطي.

رسم بياني لتوضيح توزيع حاصل ضرب متغيرين.

بدءاً منy=zx{\displaystyle y={\frac {z}{x}}}لدينا دy=-zx2دx=-yxدx{\displaystyle dy=-{\frac {z}{x^{2}}}\,dx=-{\frac {y}{x}}\,dx}إذن، الزيادة في الاحتمالية هيدلتاص=و(x،y)دx|دy|=وX(x)وY(z/x)y|x|دxدx{\displaystyle \delta p=f(x,y)\,dx\,|dy|=f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {y}{|x|}}\,dx\,dx}. منذz=yx{\displaystyle z=yx}يشير إلىدz=yدx{\displaystyle dz=y\,dx}يمكننا ربط الزيادة في الاحتمالية بـz{\displaystyle z}الزيادة، أيدلتاص=وX(x)وY(z/x)1|x|دxدz{\displaystyle \delta p=f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{|x|}}\,dx\,dz}ثم التكامل علىx{\displaystyle x}، ينتجوZ(z)=وX(x)وY(z/x)1|x|دx{\displaystyle f_{Z}(z)=\int f_{X}(x)f_{Y}(z/x){\frac {1}{|x|}}\,dx}.

تفسير بايزي

يتركXو(x){\displaystyle X\sim f(x)}لتكن عينة عشوائية مسحوبة من توزيع احتماليوx(x){\displaystyle f_{x}(x)}. التوسعX{\displaystyle X}بواسطةθ{\displaystyle \theta }يقوم بتوليد عينة من توزيع مُقاسθX1|θ|وX(xθ){\displaystyle \theta X\sim {\frac {1}{|\theta |}}f_{X}\left({\frac {x}{\theta }}\right)}والتي يمكن كتابتها كتوزيع شرطي زx(x|θ)=1|θ|وx(xθ){\displaystyle g_{x}(x|\theta )={\frac {1}{|\theta |}}f_{x}\left({\frac {x}{\theta }}\right)}.

تأجيرθ{\displaystyle \theta }ليكن متغيرًا عشوائيًا بدالة كثافة احتماليةوθ(θ){\displaystyle f_{\theta }(\theta )}يصبح توزيع العينة المُقاسةوX(θx)=زX(x|θ)وθ(θ){\displaystyle f_{X}(\theta x)=g_{X}(x\mid \theta )f_{\theta }(\theta )}والتكامل الخارجيθ{\displaystyle \theta }نحصلحx(x)=-زX(x|θ)وθ(θ)دθ{\displaystyle h_{x}(x)=\int _{-\infty }^{\infty }g_{X}(x|\theta )f_{\theta }(\theta )d\theta }لذاθX{\displaystyle \theta X}يتم استخلاصها من هذا التوزيعθXحX(x){\displaystyle \theta X\sim h_{X}(x)}ومع ذلك، فإن استبدال تعريفز{\displaystyle g}لدينا أيضًا حX(x)=-1|θ|وx(xθ)وθ(θ)دθ{\displaystyle h_{X}(x)=\int _{-\infty }^{\infty }{\frac {1}{|\theta |}}f_{x}\left({\frac {x}{\theta }}\right)f_{\theta }(\theta )\,d\theta }والذي له نفس شكل توزيع المنتج المذكور أعلاه. وبالتالي فإن التوزيع الاحتمالي الخلفي البايزيحX(x){\displaystyle h_{X}(x)}هو توزيع حاصل ضرب عينتين عشوائيتين مستقلتينθ{\displaystyle \theta }وX{\displaystyle X}.

في حالة كون أحد المتغيرات منفصلاً، لنفترضθ{\displaystyle \theta } احتماليةPأنا{\displaystyle P_{i}}على مستوياتθأنا{\displaystyle \theta _{i}}معأناPأنا=1{\displaystyle \sum _{i}P_{i}=1}الكثافة الشرطية هيوX(x|θأنا)=1|θأنا|وx(xθأنا){\displaystyle f_{X}(x\mid \theta _{i})={\frac {1}{|\theta _{i}|}}f_{x}\left({\frac {x}{\theta _{i}}}\right)}. لذلك وX(θx)=أناPأنا|θأنا|وX(xθأنا){\displaystyle f_{X}(\theta x)=\sum _{i}{\frac {P_{i}}{|\theta _{i}|}}f_{X}\left({\frac {x}{\theta _{i}}}\right)}.

توقع ناتج ضرب المتغيرات العشوائية

عندما يكون متغيران عشوائيان مستقلين إحصائياً، فإن القيمة المتوقعة لحاصل ضربهما تساوي حاصل ضرب قيمتيهما المتوقعتين . ويمكن إثبات ذلك من قانون القيمة المتوقعة الكلية .

هـ(XY)=هـ(هـ(XY|Y)){\displaystyle \operatorname {E} (XY)=\operatorname {E} (\operatorname {E} (XY\mid Y))}

في التعبير الداخلي، Y ثابت. وبالتالي:

هـ(XY|Y)=Yهـ[X|Y]{\displaystyle \operatorname {E} (XY\mid Y)=Y\cdot \operatorname {E} [X\mid Y]}
هـ(XY)=هـ(Yهـ[X|Y]){\displaystyle \operatorname {E} (XY)=\operatorname {E} (Y\cdot \operatorname {E} [X\mid Y])}

وهذا صحيح حتى لو كان X و Y مرتبطين إحصائياً، وفي هذه الحالةهـ[X|Y]{\displaystyle \operatorname {E} [X\mid Y]}هي دالة لـ Y. في الحالة الخاصة التي يكون فيها X و Y مستقلين إحصائيًا، تكون ثابتة مستقلة عن Y. ومن ثم:

هـ(XY)=هـ(Yهـ[X]){\displaystyle \operatorname {E} (XY)=\operatorname {E} (Y\cdot \operatorname {E} [X])}
هـ(XY)=هـ(X)هـ(Y){\displaystyle \operatorname {E} (XY)=\operatorname {E} (X)\cdot \operatorname {E} (Y)}

تباين حاصل ضرب متغيرات عشوائية مستقلة

يتركX،Y{\displaystyle X,Y}لنفترض أن لدينا متغيرات عشوائية غير مترابطة ذات متوسطاتμX،μY،{\displaystyle \mu _{X},\mu _{Y},}والتبايناتσX2،σY2{\displaystyle \sigma _{X}^{2},\sigma _{Y}^{2}}وإذا كانت المتغيرات العشوائيةX2{\displaystyle X^{2}}وY2{\displaystyle Y^{2}}إذا كانت المتغيرات غير مترابطة، فإن تباين حاصل ضرب XY هو [ 4 ]

متغير(XY)=(σX2+μX2)(σY2+μY2)-μX2μY2{\displaystyle \operatorname {Var} (XY)=(\sigma _{X}^{2}+\mu _{X}^{2})(\sigma _{Y}^{2}+\mu _{Y}^{2})-\mu _{X}^{2}\mu _{Y}^{2}}

في حالة حاصل ضرب أكثر من متغيرين، إذاX1Xن،ن>2{\displaystyle X_{1}\cdots X_{n},\;\;n>2}إذا كانت المتغيرات مستقلة إحصائيًا، فإن [ 5 ] يكون تباين حاصل ضربها هو

متغير(X1X2Xن)=أنا=1ن(σأنا2+μأنا2)-أنا=1نμأنا2{\displaystyle \operatorname {Var} (X_{1}X_{2}\cdots X_{n})=\prod _{i=1}^{n}(\sigma _{i}^{2}+\mu _{i}^{2})-\prod _{i=1}^{n}\mu _{i}^{2}}

الدالة المميزة لحاصل ضرب المتغيرات العشوائية

لنفترض أن X و Y متغيران عشوائيان مستقلان. الدالة المميزة لـ X هيφX(ت){\displaystyle \varphi _{X}(t)}ويكون توزيع Y معروفًا. ومن ثم، من قانون التوقع الكلي ، لدينا [ 6 ]

φZ(ت)=هـ(هـأناتXY)=هـ(هـ(هـأناتXY|Y))=هـ(φX(تY)){\displaystyle {\begin{aligned}\varphi _{Z}(t)&=\operatorname {E} (e^{itXY})\\&=\operatorname {E} (\operatorname {E} (e^{itXY}\mid Y))\\&=\operatorname {E} (\varphi _{X}(tY))\end{aligned}}}

إذا كانت الدوال المميزة والتوزيعات لكل من X و Y معروفة، فبدلاً من ذلك،φZ(ت)=هـ(φY(تX)){\displaystyle \varphi _{Z}(t)=\operatorname {E} (\varphi _{Y}(tX))}ينطبق أيضاً.

ميلين يتحول

تحويل ميلين للتوزيعو(x){\displaystyle f(x)}الدعم متاح فقط علىx0{\displaystyle x\geq 0}والحصول على عينة عشوائيةX{\displaystyle X}يكون

مو(x)=φ(s)=0xs-1و(x)دx=هـ[Xs-1].{\displaystyle {\mathcal {M}}f(x)=\varphi (s)=\int _{0}^{\infty }x^{s-1}f(x)\,dx=\operatorname {E} [X^{s-1}].}

التحويل العكسي هو

م-1φ(s)=و(x)=12πأناج-أناج+أناx-sφ(s)دs.{\displaystyle {\mathcal {M}}^{-1}\varphi (s)=f(x)={\frac {1}{2\pi i}}\int _{c-i\infty }^{c+i\infty }x^{-s}\varphi (s)\,ds.}

لوX و Y{\displaystyle X{\text{ and }}Y}إذا كانت لدينا عينتان عشوائيتان مستقلتان من توزيعات مختلفة، فإن تحويل ميلين لحاصل ضربهما يساوي حاصل ضرب تحويلات ميلين الخاصة بهما:

مXY(s)=مX(s)مY(s){\displaystyle {\mathcal {M}}_{XY}(s)={\mathcal {M}}_{X}(s){\mathcal {M}}_{Y}(s)}

إذا اقتصرت قيمة s على القيم الصحيحة، فستكون النتيجة أبسط.

هـ[(XY)ن]=هـ[Xن]هـ[Yن]{\displaystyle \operatorname {E} [(XY)^{n}]=\operatorname {E} [X^{n}]\;\operatorname {E} [Y^{n}]}

وبالتالي فإن لحظات الضرب العشوائيXY{\displaystyle XY}هي ناتج العزوم المناظرة لـX و Y{\displaystyle X{\text{ and }}Y}وينطبق هذا على اللحظات غير الصحيحة، على سبيل المثال

هـ[(XY)1/ص]=هـ[X1/ص]هـ[Y1/ص].{\displaystyle \operatorname {E} [{(XY)^{1/p}}]=\operatorname {E} [X^{1/p}]\;\operatorname {E} [Y^{1/p}].}

يمكن إعادة بناء دالة الكثافة الاحتمالية لدالة ما من لحظاتها باستخدام طريقة تقريب نقطة السرج .

ومن النتائج الأخرى أنه بالنسبة لـ X و Y المستقلين

هـ[XصYq]=هـ[Xص]هـ[Yq]{\displaystyle \operatorname {E} [X^{p}Y^{q}]=\operatorname {E} [X^{p}]\operatorname {E} [Y^{q}]}

مثال على توزيع جاما: لتوضيح كيف أن حاصل ضرب العزوم يُعطي نتيجة أبسط بكثير من إيجاد عزوم توزيع حاصل الضرب، فلنفترضX،Y{\displaystyle X,Y}يتم أخذ العينات من توزيعين غاما ،وجيأممأ(x;θ،1)=Γ(θ)-1xθ-1هـ-x{\displaystyle f_{Gamma}(x;\theta ,1)=\Gamma (\theta )^{-1}x^{\theta -1}e^{-x}}مع المعلماتθ=α،β{\displaystyle \theta =\alpha ,\beta } لحظاتهم

هـ[Xص]=0xصΓ(x،θ)دx=Γ(θ+ص)Γ(θ).{\displaystyle \operatorname {E} [X^{p}]=\int _{0}^{\infty }x^{p}\Gamma (x,\theta )\,dx={\frac {\Gamma (\theta +p)}{\Gamma (\theta )}}.}

بضرب العزوم المتناظرة نحصل على نتيجة تحويل ميلين

هـ[(XY)ص]=هـ[Xص]هـ[Yص]=Γ(α+ص)Γ(α)Γ(β+ص)Γ(β){\displaystyle \operatorname {E} [(XY)^{p}]=\operatorname {E} [X^{p}]\;\operatorname {E} [Y^{p}]={\frac {\Gamma (\alpha +p)}{\Gamma (\alpha )}}\;{\frac {\Gamma (\beta +p)}{\Gamma (\beta )}}}

بشكل مستقل، من المعروف أن حاصل ضرب عينتين مستقلتين موزعتين وفقًا لتوزيع جاما (~Gamma( α ,1) و Gamma( β ,1)) له توزيع K :

و(z،α،β)=2Γ(α)-1Γ(β)-1zα+β2-1كα-β(2z)=1αβوك(zαβ;1،α،β)،z0{\displaystyle f(z,\alpha ,\beta )=2\Gamma (\alpha )^{-1}\Gamma (\beta )^{-1}z^{{\frac {\alpha +\beta }{2}}-1}K_{\alpha -\beta }(2{\sqrt {z}})={\frac {1}{\alpha \beta }}f_{K}\left({\frac {z}{\alpha \beta }};1,\alpha ,\beta \right),\;z\geq 0}

لإيجاد لحظات ذلك، قم بتغيير المتغيرy=2z{\displaystyle y=2{\sqrt {z}}}، مما يؤدي إلى تبسيط التكاملات المماثلة إلى:

0zصكν(2z)دz=2-2ص-10y2ص+1كν(y)دy{\displaystyle \int _{0}^{\infty }z^{p}K_{\nu }(2{\sqrt {z}})\,dz=2^{-2p-1}\int _{0}^{\infty }y^{2p+1}K_{\nu }(y)\,dy}

هكذا

20zα+β2-1كα-β(2z)دz=2-(α+β)-2ص+10y(α+β)+2ص-1كα-β(y)دy{\displaystyle 2\int _{0}^{\infty }z^{{\frac {\alpha +\beta }{2}}-1}K_{\alpha -\beta }(2{\sqrt {z}})\,dz=2^{-(\alpha +\beta )-2p+1}\int _{0}^{\infty }y^{(\alpha +\beta )+2p-1}K_{\alpha -\beta }(y)\,dy}

التكامل المحدد

0yμكν(y)دy=2μ-1Γ(1+μ+ν2)Γ(1+μ-ν2){\displaystyle \int _{0}^{\infty }y^{\mu }K_{\nu }(y)\,dy=2^{\mu -1}\Gamma \left({\frac {1+\mu +\nu }{2}}\right)\Gamma \left({\frac {1+\mu -\nu }{2}}\right)}موثقة جيداً، وقد حصلنا أخيراً
هـ[Zص]=2-(α+β)-2ص+12(α+β)+2ص-1Γ(α)Γ(β)Γ((α+β+2ص)+(α-β)2)Γ((α+β+2ص)-(α-β)2)=Γ(α+ص)Γ(β+ص)Γ(α)Γ(β){\displaystyle {\begin{aligned}E[Z^{p}]&={\frac {2^{-(\alpha +\beta )-2p+1}\;2^{(\alpha +\beta )+2p-1}}{\Gamma (\alpha )\;\Gamma (\beta )}}\Gamma \left({\frac {(\alpha +\beta +2p)+(\alpha -\beta )}{2}}\right)\Gamma \left({\frac {(\alpha +\beta +2p)-(\alpha -\beta )}{2}}\right)\\\\&={\frac {\Gamma (\alpha +p)\,\Gamma (\beta +p)}{\Gamma (\alpha )\,\Gamma (\beta )}}\end{aligned}}}

والذي، بعد بعض الصعوبة، اتفق مع نتيجة المنتج الحالية المذكورة أعلاه.

إذا تم سحب X و Y بشكل مستقل من توزيعات جاما ذات معلمات شكلα،β{\displaystyle \alpha ,\;\beta }ثم

هـ[XصYq]=هـ[Xص]هـ[Yq]=Γ(α+ص)Γ(α)Γ(β+q)Γ(β){\displaystyle \operatorname {E} [X^{p}Y^{q}]=\operatorname {E} [X^{p}]\;\operatorname {E} [Y^{q}]={\frac {\Gamma (\alpha +p)}{\Gamma (\alpha )}}\;{\frac {\Gamma (\beta +q)}{\Gamma (\beta )}}}

هذا النوع من النتائج صحيح بشكل عام، لأنه بالنسبة للمتغيرات المستقلة الثنائيةوX،Y(x،y)=وX(x)وY(y){\displaystyle f_{X,Y}(x,y)=f_{X}(x)f_{Y}(y)}هكذا

هـ[XصYq]=x=-y=-xصyqوX،Y(x،y)دyدx=x=-xص[y=-yqوY(y)دy]وX(x)دx=x=-xصوX(x)دxy=-yqوY(y)دy=هـ[Xص]هـ[Yq]{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {E} [X^{p}Y^{q}]&=\int _{x=-\infty }^{\infty }\int _{y=-\infty }^{\infty }x^{p}y^{q}f_{X,Y}(x,y)\,dy\,dx\\&=\int _{x=-\infty }^{\infty }x^{p}{\Big [}\int _{y=-\infty }^{\infty }y^{q}f_{Y}(y)\,dy{\Big ]}f_{X}(x)\,dx\\&=\int _{x=-\infty }^{\infty }x^{p}f_{X}(x)\,dx\int _{y=-\infty }^{\infty }y^{q}f_{Y}(y)\,dy\\&=\operatorname {E} [X^{p}]\;\operatorname {E} [Y^{q}]\end{aligned}}}

أو بعبارة أخرى، من الواضح أنXص و Yq{\displaystyle X^{p}{\text{ and }}Y^{q}}هي متغيرات مستقلة.

حالات خاصة

التوزيعات اللوغاريتمية الطبيعية

إن توزيع حاصل ضرب متغيرين عشوائيين يتبعان التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي هو توزيع لوغاريتمي طبيعي أيضًا. وهذه حالة خاصة من مجموعة نتائج أعمّ، حيث يمكن كتابة لوغاريتم حاصل الضرب كمجموع لوغاريتمات. وبالتالي، في الحالات التي يمكن فيها إيجاد نتيجة بسيطة في قائمة عمليات الالتفاف لتوزيعات الاحتمالات ، حيث تكون التوزيعات المراد التفافها هي لوغاريتمات مكونات حاصل الضرب، يمكن تحويل النتيجة للحصول على توزيع حاصل الضرب. مع ذلك، فإن هذا الأسلوب مفيد فقط عندما تكون لوغاريتمات مكونات حاصل الضرب ضمن بعض العائلات القياسية للتوزيعات.

متغيرات عشوائية مستقلة موزعة توزيعًا منتظمًا

يتركZ{\displaystyle Z}ليكن ناتج متغيرين مستقلينZ=X1X2{\displaystyle Z=X_{1}X_{2}}كل منها موزعة بشكل منتظم على الفترة [0،1]، وربما تكون نتيجة لتحويل اقتران . كما ذُكر في "التوزيعات اللوغاريتمية الطبيعية" أعلاه، فإن عمليات التفاف دالة كثافة الاحتمال في المجال اللوغاريتمي تُقابل حاصل ضرب قيم العينة في المجال الأصلي. وبالتالي، فإن إجراء التحويلu=ln(x){\displaystyle u=\ln(x)}بحيثصيو(u)|دu|=صX(x)|دx|{\displaystyle p_{U}(u)\,|du|=p_{X}(x)\,|dx|}يتم توزيع كل متغير بشكل مستقل على u كما يلي

صيو(u)=صX(x)|دu/دx|=1x-1=هـu،-<u0{\displaystyle p_{U}(u)={\frac {p_{X}(x)}{|du/dx|}}={\frac {1}{x^{-1}}}=e^{u},\;\;-\infty <u\leq 0}.

والتفاف التوزيعين هو الالتفاف الذاتي

ج(y)=u=0yهـuهـy-uدu=-u=y0هـyدu=-yهـy،-<y0{\displaystyle c(y)=\int _{u=0}^{y}e^{u}e^{y-u}du=-\int _{u=y}^{0}e^{y}du=-ye^{y},\;\;-\infty <y\leq 0}

ثم أعد تحويل المتغير إلىz=هـy{\displaystyle z=e^{y}}مما ينتج عنه التوزيع

ج2(z)=جY(y)/|دz/دy|=-yهـyهـy=-y=ln(1/z){\displaystyle c_{2}(z)=c_{Y}(y)/|dz/dy|={\frac {-ye^{y}}{e^{y}}}=-y=\ln(1/z)}على الفترة [0,1]

بالنسبة لحاصل ضرب  عينات مستقلة متعددة (> 2)، يكون مسار الدالة المميزة هو الأفضل. إذا عرّفناy~=-y{\displaystyle {\tilde {y}}=-y}ثمج(y~){\displaystyle c({\tilde {y}})}أعلاه هو توزيع جاما ذو شكل 1 ومعامل مقياس 1، ج(y~)=y~هـ-y~{\displaystyle c({\tilde {y}})={\tilde {y}}e^{-{\tilde {y}}}} ، ومعامل التباين المعروف له هو(1-أنات)-1{\displaystyle (1-it)^{-1}}. لاحظ أن|دy~|=|دy|{\displaystyle |d{\tilde {y}}|=|dy|}إذن فإن مصفوفة جاكوبي للتحويل هي الوحدة.

التفافن{\displaystyle n}عينات مستقلة منY~{\displaystyle {\tilde {Y}}}وبالتالي لديه CF(1-أنات)-ن{\displaystyle (1-it)^{-n}}وهو ما يُعرف بأنه عامل التوصيف لتوزيع جاما ذي الشكلن{\displaystyle n}:

جن(y~)=Γ(ن)-1y~(ن-1)هـ-y~=Γ(ن)-1(-y)(ن-1)هـy{\displaystyle c_{n}({\tilde {y}})=\Gamma (n)^{-1}{\tilde {y}}^{(n-1)}e^{-{\tilde {y}}}=\Gamma (n)^{-1}(-y)^{(n-1)}e^{y}}.

قم بإجراء التحويل العكسيz=هـy{\displaystyle z=e^{y}} لاستخراج دالة كثافة الاحتمال لحاصل ضرب n عينة:

ون(z)=جن(y)|دz/دy|=Γ(ن)-1(-سجلz)ن-1هـy/هـy=(-سجلz)ن-1(ن-1)!0<z1{\displaystyle f_{n}(z)={\frac {c_{n}(y)}{|dz/dy|}}=\Gamma (n)^{-1}{\Big (}-\log z{\Big )}^{n-1}e^{y}/e^{y}={\frac {{\Big (}-\log z{\Big )}^{n-1}}{(n-1)!\;\;\;}}\;\;\;0<z\leq 1}

الاستنتاج التالي، الأكثر تقليدية، من موقع Stackexchange [ 7 ] يتوافق مع هذه النتيجة. أولاً، لنفترضZ2=X1X2{\displaystyle Z_{2}=X_{1}X_{2}}دالة التوزيع التراكمي الخاصة بها هي

FZ2(z)=برو[Z2z]=x=01برو[X2zx]وX1(x)دx=x=0z1دx+x=z1zxدx=z-zسجلz،0<z1{\displaystyle {\begin{aligned}F_{Z_{2}}(z)=\Pr {\Big [}Z_{2}\leq z{\Big ]}&=\int _{x=0}^{1}\Pr {\Big [}X_{2}\leq {\frac {z}{x}}{\Big ]}f_{X_{1}}(x)\,dx\\&=\int _{x=0}^{z}1dx+\int _{x=z}^{1}{\frac {z}{x}}\,dx\\&=z-z\log z,\;\;0<z\leq 1\end{aligned}}}

كثافةz2 ثم و(z2)=-سجل(z2){\displaystyle z_{2}{\text{ is then }}f(z_{2})=-\log(z_{2})}

بضرب الناتج في عينة مستقلة ثالثة نحصل على دالة التوزيع

FZ3(z)=برو[Z3z]=x=01برو[X3zx]وZ2(x)دx=-x=0zسجل(x)دx-x=z1zxسجل(x)دx=-z(سجل(z)-1)+12zسجل2(z){\displaystyle {\begin{aligned}F_{Z_{3}}(z)=\Pr {\Big [}Z_{3}\leq z{\Big ]}&=\int _{x=0}^{1}\Pr {\Big [}X_{3}\leq {\frac {z}{x}}{\Big ]}f_{Z_{2}}(x)\,dx\\&=-\int _{x=0}^{z}\log(x)\,dx-\int _{x=z}^{1}{\frac {z}{x}}\log(x)\,dx\\&=-z{\Big (}\log(z)-1{\Big )}+{\frac {1}{2}}z\log ^{2}(z)\end{aligned}}}

بأخذ المشتقة ينتج وZ3(z)=12سجل2(z)،0<z1.{\displaystyle f_{Z_{3}}(z)={\frac {1}{2}}\log ^{2}(z),\;\;0<z\leq 1.}

يفترض كاتب المذكرة أنه، بشكل عام، وZن(z)=(-سجلz)ن-1(ن-1)!،0<z1{\displaystyle f_{Z_{n}}(z)={\frac {(-\log z)^{n-1}}{(n-1)!\;\;\;}},\;\;0<z\leq 1}

هندسة توزيع حاصل ضرب متغيرين عشوائيين في المربع الواحدي.

يوضح الشكل طبيعة التكاملات المذكورة أعلاه. تمثل مساحة المنطقة المحددة داخل المربع الواحدي وأسفل الخط z = xy دالة التوزيع التراكمي لـ z. وتنقسم هذه المنطقة إلى جزأين. الأول هو للنطاق 0 < x < z، حيث تكون الزيادة في المساحة في الفتحة الرأسية مساوية لـ dx . أما الجزء الثاني فيقع أسفل الخط xy ، ويبلغ ارتفاعه y = z/x ، ومساحته المتزايدة dx = z/x .

توزيعات طبيعية مركزية مستقلة

يتبع حاصل ضرب عينتين طبيعيتين مستقلتين دالة بيسل المعدلة . ليكنx،y{\displaystyle x,y}أن تكون عينات مستقلة من توزيع طبيعي (0،1) وz=xy{\displaystyle z=xy}. ثم

صZ(z)=ك0(|z|)π،-<z<+{\displaystyle p_{Z}(z)={\frac {K_{0}(|z|)}{\pi }},\;\;\;-\infty <z<+\infty }

يمكن تحديد تباين هذا التوزيع، من حيث المبدأ، عن طريق التكامل المحدد من Gradsheyn و Ryzhik، [ 8 ]

0xμكν(أx)دx=2μ-1أ-μ-1Γ(1+μ+ν2)Γ(1+μ-ν2)،أ>0،ν+1±μ>0{\displaystyle \int _{0}^{\infty }x^{\mu }K_{\nu }(ax)\,dx=2^{\mu -1}a^{-\mu -1}\Gamma {\Big (}{\frac {1+\mu +\nu }{2}}{\Big )}\Gamma {\Big (}{\frac {1+\mu -\nu }{2}}{\Big )},\;\;a>0,\;\nu +1\pm \mu >0}

هكذا هـ[Z2]=-z2ك0(|z|)πدz=4πΓ2(32)=1{\displaystyle \operatorname {E} [Z^{2}]=\int _{-\infty }^{\infty }{\frac {z^{2}K_{0}(|z|)}{\pi }}\,dz={\frac {4}{\pi }}\;\Gamma ^{2}{\Big (}{\frac {3}{2}}{\Big )}=1}

ثمة نتيجة أبسط بكثير، وردت في قسم سابق، وهي أن تباين حاصل ضرب عينتين مستقلتين متوسطهما صفر يساوي حاصل ضرب تبايناتهما. وبما أن تباين كل عينة طبيعية يساوي واحدًا، فإن تباين حاصل الضرب يساوي واحدًا أيضًا.

غالباً ما يُخلط بين حاصل ضرب عينتين غاوسيتين وحاصل ضرب دالتين كثافة احتمالية غاوسيتين. ينتج عن الأخير ببساطة توزيع غاوسي ثنائي المتغيرات.

التوزيعات الطبيعية المركزية المترابطة

تناول ناداراجاها وبوغاني مؤخرًا حالة ناتج عينات التوزيع الطبيعي المترابطة. [ 9 ] ليكنX، Y{\displaystyle X{\text{, }}Y}متغيرات ذات متوسط ​​صفري، وتباين يساوي واحدًا، وموزعة توزيعًا طبيعيًا بمعامل ارتباطρ ودع Z=XY{\displaystyle \rho {\text{ and let }}Z=XY}

ثم

وZ(z)=1π1-ρ2خبرة(ρz1-ρ2)ك0(|z|1-ρ2){\displaystyle f_{Z}(z)={\frac {1}{\pi {\sqrt {1-\rho ^{2}}}}}\exp \left({\frac {\rho z}{1-\rho ^{2}}}\right)K_{0}\left({\frac {|z|}{1-\rho ^{2}}}\right)}

المتوسط ​​والتباين : بالنسبة للمتوسط ​​لديناهـ[Z]=ρ{\displaystyle \operatorname {E} [Z]=\rho }انطلاقًا من تعريف معامل الارتباط، يمكن إيجاد التباين بتحويل متغيرين غير مرتبطين U و V ، لهما تباين يساوي واحدًا ومتوسط ​​يساوي صفرًا. لنفترض

X=يو،Y=ρيو+(1-ρ2)V{\displaystyle X=U,\;\;Y=\rho U+{\sqrt {(1-\rho ^{2})}}V}

إذن ، X و Y متغيران ذوا تباين موحد ومعامل ارتباطρ{\displaystyle \rho }و

(XY)2=يو2(ρيو+(1-ρ2)V)2=يو2(ρ2يو2+2ρ1-ρ2يوV+(1-ρ2)V2){\displaystyle (XY)^{2}=U^{2}{\bigg (}\rho U+{\sqrt {(1-\rho ^{2})}}V{\bigg )}^{2}=U^{2}{\bigg (}\rho ^{2}U^{2}+2\rho {\sqrt {1-\rho ^{2}}}UV+(1-\rho ^{2})V^{2}{\bigg )}}

بإزالة الحدود ذات القوى الفردية، والتي من الواضح أن توقعاتها تساوي صفرًا، نحصل على

هـ[(XY)2]=ρ2هـ[يو4]+(1-ρ2)هـ[يو2]هـ[V2]=3ρ2+(1-ρ2)=1+2ρ2{\displaystyle \operatorname {E} [(XY)^{2}]=\rho ^{2}\operatorname {E} [U^{4}]+(1-\rho ^{2})\operatorname {E} [U^{2}]\operatorname {E} [V^{2}]=3\rho ^{2}+(1-\rho ^{2})=1+2\rho ^{2}}

منذ(هـ[Z])2=ρ2{\displaystyle (\operatorname {E} [Z])^{2}=\rho ^{2}}لدينا

متغير(Z)=هـ[Z2]-(هـ[Z])2=1+2ρ2-ρ2=1+ρ2{\displaystyle \operatorname {Var} (Z)=\operatorname {E} [Z^{2}]-(\operatorname {E} [Z])^{2}=1+2\rho ^{2}-\rho ^{2}=1+\rho ^{2}}

خط التقارب للارتباط العالي: في حالة الارتباط العالي،ρ1{\displaystyle \rho \rightarrow 1}يتقارب الناتج على مربع عينة واحدة. في هذه الحالةك0{\displaystyle K_{0}}الخط المقارب هوك0(x)π2xهـ-x في الحد كما x=|z|1-ρ2{\displaystyle K_{0}(x)\rightarrow {\sqrt {\tfrac {\pi }{2x}}}e^{-x}{\text{ in the limit as }}x={\frac {|z|}{1-\rho ^{2}}}\rightarrow \infty } و

ص(z)1π1-ρ2خبرة(ρz1-ρ2)π(1-ρ2)2zخبرة(-|z|1-ρ2)=12πzخبرة(-|z|+ρz(1-ρ)(1+ρ))=12πzخبرة(-z1+ρ)،z>01Γ(12)2zهـ-z2، مثل ρ1{\displaystyle {\begin{aligned}p(z)&\rightarrow {\frac {1}{\pi {\sqrt {1-\rho ^{2}}}}}\exp \left({\frac {\rho z}{1-\rho ^{2}}}\right){\sqrt {\frac {\pi (1-\rho ^{2})}{2z}}}\exp \left(-{\frac {|z|}{1-\rho ^{2}}}\right)\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi z}}}\exp {\Bigg (}{\frac {-|z|+\rho z}{(1-\rho )(1+\rho )}}{\Bigg )}\\&={\frac {1}{\sqrt {2\pi z}}}\exp {\Bigg (}{\frac {-z}{1+\rho }}{\Bigg )},\;\;z>0\\&\rightarrow {\frac {1}{\Gamma ({\tfrac {1}{2}}){\sqrt {2z}}}}e^{-{\tfrac {z}{2}}},\;\;{\text{ as }}\rho \rightarrow 1\\\end{aligned}}}

وهو توزيع كاي تربيع بدرجة حرية واحدة.

عينات متعددة مترابطة . كما يوضح ناداراجاها وآخرون أنه إذاZ1،Z2،..Zن نكون ن{\displaystyle Z_{1},Z_{2},..Z_{n}{\text{ are }}n}متغيرات عشوائية مستقلة ومتطابقة التوزيع تم أخذ عينات منهاوZ(z){\displaystyle f_{Z}(z)}وZ¯=1نZأنا{\displaystyle {\bar {Z}}={\tfrac {1}{n}}\sum Z_{i}}هل هذا هو متوسطهم إذن؟

وZ¯(z)=نن/22-ن/2Γ(ن2)|z|ن/2-1خبرة(β-γ2z)دبليو0،1-ن2(|z|)،-<z<.{\displaystyle f_{\bar {Z}}(z)={\frac {n^{n/2}2^{-n/2}}{\Gamma ({\frac {n}{2}})}}|z|^{n/2-1}\exp \left({\frac {\beta -\gamma }{2}}z\right){W}_{0,{\frac {1-n}{2}}}(|z|),\;\;-\infty <z<\infty .}

حيث W هي دالة ويتاكر بينماβ=ن1-ρ،γ=ن1+ρ{\displaystyle \beta ={\frac {n}{1-\rho }},\;\;\gamma ={\frac {n}{1+\rho }}}.

استخدام الهويةدبليو0،ν(x)=xπكν(x/2)،x0{\displaystyle W_{0,\nu }(x)={\sqrt {\frac {x}{\pi }}}K_{\nu }(x/2),\;\;x\geq 0}انظر على سبيل المثال إلى تجميع DLMF. يمكن تبسيط هذا التعبير إلى حد ما إلى المعادلة (13.13.9)، [ 10 ]

وz¯(z)=نن/22-ن/2Γ(ن2)|z|ن/2-1خبرة(β-γ2z)β+γπ|z|ك1-ن2(β+γ2|z|)،-<z<.{\displaystyle f_{\bar {z}}(z)={\frac {n^{n/2}2^{-n/2}}{\Gamma ({\frac {n}{2}})}}|z|^{n/2-1}\exp \left({\frac {\beta -\gamma }{2}}z\right){\sqrt {{\frac {\beta +\gamma }{\pi }}|z|}}\;K_{\frac {1-n}{2}}\left({\frac {\beta +\gamma }{2}}|z|\right),\;\;-\infty <z<\infty .}

يُعطي ملف كثافة الاحتمال التوزيع الهامشي للتغاير الطبيعي ثنائي المتغيرات للعينة، وهي نتيجة مُوضحة أيضًا في مقالة توزيع ويشارت. ويمكن إيجاد التوزيع التقريبي لمعامل الارتباط باستخدام تحويل فيشر .

عينات متعددة غير مركزية مترابطة . تم اشتقاق توزيع ناتج العينات الطبيعية غير المركزية المترابطة بواسطة كوي وآخرون [ 11 ] ويأخذ شكل سلسلة لانهائية من دوال بيسل المعدلة من النوع الأول.

لحظات ناتجة عن عينات طبيعية مركزية مترابطة

بالنسبة للتوزيع الطبيعي المركزي N(0,1)، تكون العزوم هي

هـ[Xص]=1σ2π-xصخبرة(-x22σ2)دx={0لو ص غريب،σص(ص-1)!!لو ص متساوٍ.{\displaystyle \operatorname {E} [X^{p}]={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}\int _{-\infty }^{\infty }x^{p}\exp(-{\tfrac {x^{2}}{2\sigma ^{2}}})\,dx={\begin{cases}0&{\text{if }}p{\text{ is odd,}}\\\sigma ^{p}(p-1)!!&{\text{if }}p{\text{ is even.}}\end{cases}}}

أينن!!{\displaystyle n!!}يرمز إلى المضروب المزدوج .

لوX،Yنورم(0،1){\displaystyle X,Y\sim {\text{Norm}}(0,1)}إذا كانت المتغيرات مترابطة مركزياً، وهي أبسط حالة ثنائية المتغيرات لمسألة العزم الطبيعي متعدد المتغيرات التي وصفها كان، [ 12 ]

هـ[XصYq]={0لو ص+q غريب،ص!q!2ص+q2ك=0ت(2ρ)2ك(ص2-ك)!(q2-ك)!(2ك)!لو ص و q بلص!q!2ص+q2ك=0ت(2ρ)2ك+1(ص-12-ك)!(q-12-ك)!(2ك+1)!لو ص و q غريب{\displaystyle \operatorname {E} [X^{p}Y^{q}]={\begin{cases}0&{\text{if }}p+q{\text{ is odd,}}\\{\frac {p!q!}{2^{\tfrac {p+q}{2}}}}\sum _{k=0}^{t}{\frac {(2\rho )^{2k}}{{\Big (}{\frac {p}{2}}-k{\Big )}!\;{\Big (}{\frac {q}{2}}-k{\Big )}!\;(2k)!}}&{\text{if }}p{\text{ and }}q{\text{ are even}}\\{\frac {p!q!}{2^{\tfrac {p+q}{2}}}}\sum _{k=0}^{t}{\frac {(2\rho )^{2k+1}}{{\Big (}{\frac {p-1}{2}}-k{\Big )}!\;{\Big (}{\frac {q-1}{2}}-k{\Big )}!\;(2k+1)!}}&{\text{if }}p{\text{ and }}q{\text{ are odd}}\end{cases}}}

أين

ρ{\displaystyle \rho }هو معامل الارتباط وت=مين([ص،q]/2){\displaystyle t=\min([p,q]/2)}

[بحاجة إلى مراجعة]

التوزيعات الطبيعية غير المركزية المترابطة

تم اشتقاق توزيع ناتج العينات الطبيعية غير المركزية المرتبطة بواسطة Cui et al. [ 11 ] ويأخذ شكل سلسلة لانهائية.

تُشابه توزيعات المنتجات هذه إلى حد ما توزيع ويشارت . وهذا الأخير هو التوزيع المشترك للعناصر الأربعة (في الواقع ثلاثة عناصر مستقلة فقط) لمصفوفة التغاير العيني .xت،yت{\displaystyle x_{t},y_{t}}إذا كانت العينات مأخوذة من سلسلة زمنية ثنائية المتغيرات ، فإندبليو=ت=1ك(xتyت)(xتyت)تي{\displaystyle W=\sum _{t=1}^{K}{\dbinom {x_{t}}{y_{t}}}{\dbinom {x_{t}}{y_{t}}}^{T}}هي مصفوفة ويشارت ذات K درجة حرية. تمثل توزيعات الضرب أعلاه التوزيع غير المشروط لمجموع K > 1 عينة مندبليو2،1{\displaystyle W_{2,1}}.

توزيعات طبيعية مركزية مستقلة ذات قيم مركبة

ناتج متغيرين

يتركu1،v1،u2،v2{\displaystyle u_{1},v_{1},u_{2},v_{2}}لنفترض أن لدينا عينات مستقلة من توزيع طبيعي (0،1).z1=u1+أناv1 و z2=u2+أناv2 ثم z1،z2{\displaystyle z_{1}=u_{1}+iv_{1}{\text{ and }}z_{2}=u_{2}+iv_{2}{\text{ then }}z_{1},z_{2}}هي عينات مستقلة ذات توزيع طبيعي معقد بمتوسط ​​صفري وتناظر دائري. تبايناتها المعقدة هيمتغير|zأنا|=2.{\displaystyle \operatorname {Var} |z_{i}|=2.}

دوال الكثافة لـ

رأنا|zأنا|=(uأنا2+vأنا2)12،أنا=1،2{\displaystyle r_{i}\equiv |z_{i}|=(u_{i}^{2}+v_{i}^{2})^{\frac {1}{2}},\;\;i=1,2}تُعرَّف توزيعات رايلي على النحو التالي:
ور(رأنا)=رأناهـ-رأنا2/2 متوسط π2 والتباين4-π2{\displaystyle f_{r}(r_{i})=r_{i}e^{-r_{i}^{2}/2}{\text{ of mean }}{\sqrt {\tfrac {\pi }{2}}}{\text{ and variance}}{\frac {4-\pi }{2}}}

المتغيرyأنارأنا2{\displaystyle y_{i}\equiv r_{i}^{2}}من الواضح أنها تتبع توزيع كاي تربيع بدرجتي حرية ولها دالة كثافة احتمالية (PDF).

وyأنا(yأنا)=12هـ-yأنا/2 متوسط ​​القيمة 2{\displaystyle f_{y_{i}}(y_{i})={\tfrac {1}{2}}e^{-y_{i}/2}{\text{ of mean value }}2}

أظهر ويلز وآخرون [ 13 ] أن دالة الكثافة لـs|z1z2|{\displaystyle s\equiv |z_{1}z_{2}|}يكون

وs(s)=sك0(s)،s0{\displaystyle f_{s}(s)=sK_{0}(s),\;\;s\geq 0}

ودالة التوزيع التراكمي لـs{\displaystyle s}يكون

P(أ)=برو[sأ]=s=0أsك0(s)دs=1-أك1(أ){\displaystyle P(a)=\Pr[s\leq a]=\int _{s=0}^{a}sK_{0}(s)ds=1-aK_{1}(a)}

وبالتالي فإن التمثيل القطبي لحاصل ضرب عينتين غاوسيتين معقدتين غير مرتبطتين هو

وs،θ(s،θ)=وs(s)صθ(θ) أين ص(θ) موحد في [0،2π]{\displaystyle f_{s,\theta }(s,\theta )=f_{s}(s)p_{\theta }(\theta ){\text{ where }}p(\theta ){\text{ is uniform on }}[0,2\pi ]}.

يمكن إيجاد العزمين الأول والثاني لهذا التوزيع من التكامل في التوزيعات الطبيعية أعلاه

م1=0s2ك0(s)دx=2Γ2(32)=2(π2)2=π2{\displaystyle m_{1}=\int _{0}^{\infty }s^{2}K_{0}(s)\,dx=2\Gamma ^{2}({\tfrac {3}{2}})=2({\tfrac {\sqrt {\pi }}{2}})^{2}={\frac {\pi }{2}}}
م2=0s3ك0(s)دx=22Γ2(42)=4{\displaystyle m_{2}=\int _{0}^{\infty }s^{3}K_{0}(s)\,dx=2^{2}\Gamma ^{2}({\tfrac {4}{2}})=4}

وبالتالي فإن تباينه هومتغير(s)=م2-م12=4-π24{\displaystyle \operatorname {Var} (s)=m_{2}-m_{1}^{2}=4-{\frac {\pi ^{2}}{4}}}.

علاوة على ذلك، كثافةzs2=|ر1ر2|2=|ر1|2|ر2|2=y1y2{\displaystyle z\equiv s^{2}={|r_{1}r_{2}|}^{2}={|r_{1}|}^{2}{|r_{2}|}^{2}=y_{1}y_{2}} يتوافق مع حاصل ضرب عينتين مستقلتين من اختبار مربع كايyأنا{\displaystyle y_{i}}كل منها بدرجتي حرية. كتابة هذه كتوزيعات جاما مُقاسةوy(yأنا)=1θΓ(1)هـ-yأنا/θ مع θ=2{\displaystyle f_{y}(y_{i})={\tfrac {1}{\theta \Gamma (1)}}e^{-y_{i}/\theta }{\text{ with }}\theta =2}ثم، من نواتج جاما أدناه، تكون كثافة الناتج هي

وZ(z)=12ك0(z) مع التوقع هـ(z)=4{\displaystyle f_{Z}(z)={\tfrac {1}{2}}K_{0}({\sqrt {z}}){\text{ with expectation }}\operatorname {E} (z)=4}

مجموع حاصل ضرب متغيرين

يتركu1،v1،u2،v2،...،u2شمال،v2شمال،{\displaystyle u_{1},v_{1},u_{2},v_{2},\ldots ,u_{2N},v_{2N},}يكون4شمال{\displaystyle 4N}عينات مستقلة من توزيع طبيعي (0،1). الإعدادz1=u1+أناv1،z2=u2+أناv2،...، و z2شمال=u2شمال+أناv2شمال،{\displaystyle z_{1}=u_{1}+iv_{1},z_{2}=u_{2}+iv_{2},\ldots ,{\text{ and }}z_{2N}=u_{2N}+iv_{2N},}ثمz1،z2،...،z2شمال{\displaystyle z_{1},z_{2},\ldots ,z_{2N}}هي عينات مستقلة ذات متوسط ​​صفري وتوزيع طبيعي معقد مع تناظر دائري.

دع منsأنا=1شمالz2أنا-1z2أنا{\displaystyle s\equiv \sum _{i=1}^{N}z_{2i-1}z_{2i}}أظهر هيليوت وآخرون [ 14 ] أن دالة الكثافة المشتركة للأجزاء الحقيقية والخيالية لـs{\displaystyle s}، المشار إليهsR{\displaystyle s_{\textrm {R}}}وsأنا{\displaystyle s_{\textrm {I}}}، على التوالي، معطاة بواسطة

صsR،sأنا(sR،sأنا)=2(sR2+sأنا2)شمال-12πΓ(ن)σsشمال+1كن-1(2sR2+sأنا2σs)،{\displaystyle p_{s_{\textrm {R}},s_{\textrm {I}}}(s_{\textrm {R}},s_{\textrm {I}})={\frac {2\left(s_{\textrm {R}}^{2}+s_{\textrm {I}}^{2}\right)^{\frac {N-1}{2}}}{\pi \Gamma (n)\sigma _{s}^{N+1}}}K_{n-1}\!\left(\!2{\frac {\sqrt {s_{\textrm {R}}^{2}+s_{\textrm {I}}^{2}}}{\sigma _{s}}}\right),}أينσs{\displaystyle \sigma _{s}}هو الانحراف المعياري لـs{\displaystyle s}. لاحظ أنσs=1{\displaystyle \sigma _{s}=1}إذا كان كل شيءuأنا،vأنا{\displaystyle u_{i},v_{i}}المتغيرات طبيعية (0،1).

بالإضافة إلى ذلك، فإنها تثبت أيضًا أن دالة الكثافة لحجمs{\displaystyle s}،|s|{\displaystyle |s|}، يكون

ص|s|(s)=4Γ(شمال)σsشمال+1sشمالكشمال-1(2sσs)،{\displaystyle p_{|s|}(s)={\frac {4}{\Gamma (N)\sigma _{s}^{N+1}}}s^{N}K_{N-1}\left({\frac {2s}{\sigma _{s}}}\right),}أينs=sR2+sأنا2{\displaystyle s={\sqrt {s_{\textrm {R}}^{2}+s_{\textrm {I}}^{2}}}}.

اللحظة الأولى لهذا التوزيع، أي متوسط|s|{\displaystyle |s|}ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

هـ{|s|}=πσsΓ(شمال+12)2Γ(شمال)،{\displaystyle E\{|s|\}={\sqrt {\pi }}\sigma _{s}{\frac {\Gamma (N+{\frac {1}{2}})}{2\Gamma (N)}},}مما يبسط الأمر أكثر إلىهـ{|s|}σsπشمال2،{\displaystyle E\{|s|\}\sim {\frac {\sigma _{s}{\sqrt {\pi N}}}{2}},}متىشمال{\displaystyle N}كبير تقاربياً (أي،شمال{\displaystyle N\rightarrow \infty }) .

مجموع حاصل ضرب متغيرين

هناكشمال{\displaystyle N}أزواج من متغيرات الضرب الحقيقي{Y1،Y2،...،Y2شمال}{\displaystyle \{Y_{1},Y_{2},\dots ,Y_{2N}\}}حيث تكون المتغيرات داخل كل زوج مستقلة وموزعة توزيعًا متطابقًا، لكن التباينات تختلف بين الأزواج. يتم استخراج متغيرين في كل زوج من جزء واحد (حقيقي/تخيلي) من حاصل ضرب متغيرين مركبين موزعين توزيعًا طبيعيًا.

يتركأجشمال(0،σأ2){\displaystyle A\sim {\mathcal {CN}}(0,\sigma _{A}^{2})}وبجشمال(0،σب2){\displaystyle B\sim {\mathcal {CN}}(0,\sigma _{B}^{2})}إنهم مستقلون. المنتجأب=يكرر(أ)يكرر(ب)-أنا(أ)أنا(ب)+أنا[يكرر(أ)أنا(ب)+أنا(أ)يكرر(ب)]{\displaystyle AB={\text{Re}}(A){\text{Re}}(B)-{\text{Im}}(A){\text{Im}}(B)+i[{\text{Re}}(A){\text{Im}}(B)+{\text{Im}}(A){\text{Re}}(B)]}، أينيكرر{}{\displaystyle {\text{Re}}\{\cdot \}}وأنا{}{\displaystyle {\text{Im}}\{\cdot \}}تشير إلى الأجزاء الحقيقية والخيالية، على التوالي.{يكرر(أ)يكرر(ب)،-أنا(أ)أنا(ب)}{\displaystyle \{{\text{Re}}(A){\text{Re}}(B),-{\text{Im}}(A){\text{Im}}(B)\}}يمكن استخراجها كمتغيرين{Y2ن-1،Y2ن}{\displaystyle \{Y_{2n-1},Y_{2n}\}}في الزوج المذكور أعلاه، بمتوسط ​​صفري وتباين صفريبن=σأ2σب2{\displaystyle b_{n}=\sigma _{A}^{2}\sigma _{B}^{2}}لكل متغير من الزوج رقم n. ويتكرر نفس التنسيق في الجزء التخيلي.

أظهر جونبو [ 15 ] [ 16 ] أن دالة كثافة الاحتمال لمجموعشمال{\displaystyle N}أزواج من متغيرات الضرب الحقيقية المستقلة والمتطابقة التوزيعy=ك=12شمالyك{\displaystyle y=\sum _{k=1}^{2N}y_{k}}بمتوسط ​​صفر وتباينبن{\displaystyle b_{n}}بالنسبة للزوج رقم n هو

وY(y)=12ن=1شمالبن2شمال-32هـ-|y|بنننشمال(بن-بن)،بنبن،شمال2{\displaystyle f_{Y}(y)={\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{N}{\frac {b_{n}^{\frac {2N-3}{2}}e^{-{\frac {|y|}{\sqrt {b_{n}}}}}}{\prod _{n'\neq n}^{N}(b_{n}-b_{n'})}},b_{n}\neq b_{n'},N\geq 2}

متىشمال=1{\displaystyle N=1}، يتم الحصول على دالة الكثافة الاحتمالية بدون المقام.

مجموع حاصل ضرب متغيرين بالإضافة إلى متغير ذي توزيع غاوسي

دالة كثافة الاحتمال لمجموعشمال{\displaystyle N}أزواج من متغيرات الضرب الحقيقية المستقلة والمتطابقة التوزيع ذات متوسط ​​صفري وتباين بن{\displaystyle b_{n}}بالنسبة للزوج رقم n، بالإضافة إلى متغير حقيقي موزع توزيعًا طبيعيًا (غاوسيًا).zشمال(0،σz2){\displaystyle z\sim {\mathcal {N}}(0,\sigma _{z}^{2})}،x=y+z{\displaystyle x=y+z}، هو [ 15 ] [ 16 ]

وX(x)=14ن=1شمالبن2شمال-32ننشمال(بن-بن)[هـ-xبن+σz22بنerfc(-بنx+σz22σz2بن)+هـxبن+σz22بنerfc(بنx+σz22σz2بن)]{\displaystyle f_{X}(x)={\frac {1}{4}}\sum _{n=1}^{N}{\frac {b_{n}^{\frac {2N-3}{2}}}{\prod _{n'\neq n}^{N}(b_{n}-b_{n'})}}{\bigg [}e^{-{\frac {x}{\sqrt {b_{n}}}}+{\frac {\sigma _{z}^{2}}{2b_{n}}}}{\text{erfc}}{\bigg (}{\frac {-{\sqrt {b_{n}}}x+\sigma _{z}^{2}}{\sqrt {2\sigma _{z}^{2}b_{n}}}}{\bigg )}+e^{{\frac {x}{\sqrt {b_{n}}}}+{\frac {\sigma _{z}^{2}}{2b_{n}}}}{\text{erfc}}{\bigg (}{\frac {{\sqrt {b_{n}}}x+\sigma _{z}^{2}}{\sqrt {2\sigma _{z}^{2}b_{n}}}}{\bigg )}{\bigg ]}}

أينبنبن{\displaystyle b_{n}\neq b_{n'}}،شمال2{\displaystyle N\geq 2}وerfc{}{\displaystyle {\text{erfc}}\{\cdot \}}تشير إلى دالة الخطأ التكميلية . عندماشمال=1{\displaystyle N=1}يتم الحصول على دالة كثافة الاحتمال عن طريق تحديد المصطلحننشمال(بن-بن)=1{\displaystyle \prod _{n'\neq n}^{N}(b_{n}-b_{n'})=1}.

توزيعات طبيعية غير مركزية مستقلة ذات قيم مركبة

تم وصف ناتج الدوال الغاوسية المعقدة المستقلة غير المركزية بواسطة O'Donoughue و Moura [ 17 ] ويشكل سلسلة مزدوجة لانهائية من دوال بيسل المعدلة من النوع الأول والثاني.

توزيعات جاما

ناتج عينتين مستقلتين من جاما،z=x1x2{\displaystyle z=x_{1}x_{2}}، تعريفΓ(x;كأنا،θأنا)=xكأنا-1هـ-x/θأناΓ(كأنا)θأناكأنا{\displaystyle \Gamma (x;k_{i},\theta _{i})={\frac {x^{k_{i}-1}e^{-x/\theta _{i}}}{\Gamma (k_{i})\theta _{i}^{k_{i}}}}}، يتبع [ 18 ]

صZ(z)=2Γ(ك1)Γ(ك2)zك1+ك22-1(θ1θ2)ك1+ك22كك1-ك2(2zθ1θ2)=2Γ(ك1)Γ(ك2)yك1+ك22-1θ1θ2كك1-ك2(2y) أين y=zθ1θ2{\displaystyle {\begin{aligned}p_{Z}(z)&={\frac {2}{\Gamma (k_{1})\Gamma (k_{2})}}{\frac {z^{{\frac {k_{1}+k_{2}}{2}}-1}}{(\theta _{1}\theta _{2})^{\frac {k_{1}+k_{2}}{2}}}}K_{k_{1}-k_{2}}\left(2{\sqrt {\frac {z}{\theta _{1}\theta _{2}}}}\right)\\\\&={\frac {2}{\Gamma (k_{1})\Gamma (k_{2})}}{\frac {y^{{\frac {k_{1}+k_{2}}{2}}-1}}{\theta _{1}\theta _{2}}}K_{k_{1}-k_{2}}\left(2{\sqrt {y}}\right){\text{ where }}y={\frac {z}{\theta _{1}\theta _{2}}}\\\end{aligned}}}

توزيعات بيتا

عرّف ناجار وآخرون [ 19 ] توزيع بيتا ثنائي المتغيرات المترابط

و(x،y)=xأ-1yب-1(1-x)ب+ج-1(1-y)أ+ج-1ب(أ،ب،ج)(1-xy)أ+ب+ج،0<x،y<1{\displaystyle f(x,y)={\frac {x^{a-1}y^{b-1}(1-x)^{b+c-1}(1-y)^{a+c-1}}{B(a,b,c)(1-xy)^{a+b+c}}},\;\;\;0<x,y<1}

أين

ب(أ،ب،ج)=Γ(أ)Γ(ب)Γ(ج)Γ(أ+ب+ج){\displaystyle B(a,b,c)={\frac {\Gamma (a)\Gamma (b)\Gamma (c)}{\Gamma (a+b+c)}}}

ثم تُعطى دالة كثافة الاحتمال لـ Z = XY بالصيغة التالية

وZ(z)=ب(أ+ج،ب+ج)zأ-1(1-z)ج-1ب(أ،ب،ج)2F1(أ+ج،أ+ج;أ+ب+2ج;1-z)،0<z<1{\displaystyle f_{Z}(z)={\frac {B(a+c,b+c)z^{a-1}(1-z)^{c-1}}{B(a,b,c)}}{_{2}F_{1}}(a+c,a+c;a+b+2c;1-z),\;\;\;0<z<1}

أين2F1{\displaystyle {_{2}F_{1}}}هي دالة غاوس فوق الهندسية المعرفة بواسطة تكامل أويلر

2F1(أ،ب،ج،z)=Γ(ج)Γ(أ)Γ(ج-أ)01vأ-1(1-v)ج-أ-1(1-vz)-بدv{\displaystyle {_{2}F_{1}}(a,b,c,z)={\frac {\Gamma (c)}{\Gamma (a)\Gamma (c-a)}}\int _{0}^{1}v^{a-1}(1-v)^{c-a-1}(1-vz)^{-b}\,dv}

يصف أرنولد ونج توزيع بيتا ثنائي المتغيرات أكثر عمومية بما يتوافق مع ما سبق، ويوسعانه ليشمل حالة بيتا-برايم ثنائية المتغيرات عن طريق تحويلات المتغيرات، على الرغم من أنهما لم يجدا صيغة مغلقة لتوزيع بيتا-برايم إلا في حالات خاصة. [ 20 ]

توزيع ديريشليه من الرتبةك2{\displaystyle K\geq 2}مع المعلماتα1،...،αك{\displaystyle \alpha _{1},\ldots ,\alpha _{K}}هو نتاج توزيعات بيتا مستقلة وله دالة كثافة احتماليةو(x1،...،xك;α1،...،αك)=1ب(α1،...،αك)أنا=1كxأناαأنا-1{\displaystyle f\left(x_{1},\ldots ,x_{K};\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{K}\right)={\frac {1}{\mathrm {B} (\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{K})}}\prod _{i=1}^{K}x_{i}^{\alpha _{i}-1}}

التوزيعات المنتظمة وتوزيعات جاما

يُعدّ توزيع حاصل ضرب متغير عشوائي ذي توزيع منتظم على الفترة (0،1) مع متغير عشوائي ذي توزيع غاما بمعامل شكل يساوي 2، توزيعًا أُسّيًا . [ 21 ] وثمة حالة أعمّ من ذلك تتعلق بتوزيع حاصل ضرب متغير عشوائي ذي توزيع بيتا مع متغير عشوائي ذي توزيع غاما : ففي بعض الحالات التي ترتبط فيها معاملات التوزيعين المُكوّنين بطريقة معينة، تكون النتيجة توزيع غاما أيضًا، ولكن بمعامل شكل مُتغيّر. [ 21 ]

يُعد توزيع K مثالاً على التوزيع غير القياسي الذي يمكن تعريفه على أنه توزيع منتج (حيث يكون لكلا المكونين توزيع جاما).

توزيعات جاما وباريتو

تم اشتقاق ناتج ضرب n جاما و m عينات باريتو المستقلة بواسطة ناداراجا. [ 22 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. سبرينغر، ميلفين ديل (1979). جبر المتغيرات العشوائية . وايلي . ISBN 978-0-471-01406-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2012 .
  2. روهاتجي، ف. ك. (1976). مقدمة في نظرية الاحتمالات والإحصاء الرياضي . سلسلة وايلي في الاحتمالات والإحصاء. نيويورك: وايلي. doi : 10.1002/9781118165676 . ISBN 978-0-19-853185-2.
  3. غريمت، جي آر؛ ستيرزاكر، دي آر (2001). الاحتمالات والعمليات العشوائية . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-857222-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 أكتوبر 2015 .
  4. غودمان، ليو أ. (1960). "حول التباين الدقيق للمنتجات". مجلة الجمعية الإحصائية الأمريكية . 55 (292): 708-713 . doi : 10.2307/2281592 . JSTOR 2281592 . 
  5. ساروات، ديليب (9 مارس 2013). "تباين حاصل ضرب عدة متغيرات عشوائية" . ستاك إكستشينج .
  6. "كيفية إيجاد الدالة المميزة لحاصل ضرب المتغيرات العشوائية" . ستاك إكستشينج . 3 يناير 2013.
  7. heropup (1 فبراير 2014). "توزيع حاصل ضرب توزيعين منتظمين، ماذا عن 3 أو أكثر؟" . Stack Exchange .
  8. غرادشين، آي إس؛ ريزيك، آي إم (1980). جداول التكاملات والمتسلسلات والمنتجات . دار النشر الأكاديمية. ص. القسم 6.561. 
  9. ^ نادراجا، ساراليس. بوجاني ، تيبور (2015). "حول توزيع منتج المتغيرات العشوائية العادية المترابطة" . Comptes Rendus de l'Académie des Sciences، Série I . 354 (2): 201– 204. دوى : 10.1016/j.crma.2015.10.019 .
  10. "المكتبة الرقمية للدوال الرياضية" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا .
  11. 1 2 كوي، غولونغ (2016). "التوزيع الدقيق لحاصل ضرب متغيرين عشوائيين غاوسيين مترابطين". رسائل معالجة الإشارات IEEE . 23 (11): 1662-1666 . Bibcode : 2016ISPL...23.1662C . doi : 10.1109/LSP.2016.2614539 . S2CID 15721509 . 
  12. كان، ريموند (2008). "من عزمات المجموع إلى عزمات الضرب" . مجلة التحليل متعدد المتغيرات . 99 (3): 542-554 . doi : 10.1016/j.jmva.2007.01.013 .
  13. ويلز، آر تي؛ أندرسون، آر إل؛ سيل، جيه دبليو (1962). "توزيع حاصل ضرب متغيرين مركزيين أو غير مركزيين من نوع كاي تربيع" . حوليات الإحصاء الرياضي . 33 (3): 1016-1020 . doi : 10.1214/aoms/1177704469 .
  14. هيليوت، فابيان؛ تفضلي، رحيم (2024). "حول مجموع نواتج متغيرات طبيعية مركبة مستقلة: فهم الحد الأساسي لكسب نسبة الإشارة إلى الضوضاء في نظام MIMO-RIS". معاملات IEEE في معالجة الإشارات . 72 : 2622-2636 . رمز Bibcode : 2024ITSP...72.2622H . doi : 10.1109/TSP.2024.3402345 . ISSN 1053-587X . 
  15. 1 2 تشاو، جونبو (سبتمبر 2023). MIMO الضخم الموزع اللامركزي (أطروحة دكتوراه). جامعة يورك.
  16. 1 2 تشاو، جونبو؛ غورتاني، مصطفى رحماني؛ بور، أليستر (2025). هل يمكننا الاعتماد على التوزيع الغاوسي للحصول على معلومات حالة القناة (CSI) ذات البتات القليلة في تقنية MIMO الضخمة الموزعة اللامركزية؟ الصفحات 1-7 . doi : 10.1109/WCNC61545.2025.10978798 . ISBN  979-8-3503-6836-9.
  17. أودونوغ، ن؛ مورا، ج.م.ف. (مارس 2012). "حول حاصل ضرب دوال غاوسية مركبة مستقلة". معاملات IEEE في معالجة الإشارات . 60 (3): 1050-1063 . رمز Bibcode : 2012ITSP...60.1050O . doi : 10.1109/TSP.2011.2177264 . S2CID 1069298 . 
  18. وولفيز (أغسطس 2017). "دالة كثافة الاحتمال لحاصل ضرب متغيرين عشوائيين مستقلين من نوع جاما" . ستاك إكستشينج .
  19. ناجار، دي كيه؛ أوروزكو-كاستينيدا، جيه إم؛ غوبتا، إيه كيه (2009). "حاصل ضرب وقسمة متغيرات بيتا المترابطة" . رسائل الرياضيات التطبيقية . 22 : 105-109 . doi : 10.1016/j.aml.2008.02.014 .
  20. أرنولد، بي سي؛ نغ، إن كيه تي (سبتمبر 2011). "توزيعات بيتا ثنائية المتغيرات المرنة" . مجلة التحليل متعدد المتغيرات . 102 (8): 1194-1202 . doi : 10.1016/j.jmva.2011.04.001 عبر ساينس دايركت.
  21. 1 2 جونسون، نورمان ل.؛ كوتز، صموئيل؛ بالاكريشنان، ن. (1995). التوزيعات أحادية المتغير المستمرة، المجلد 2، الطبعة الثانية . وايلي. ص 306. ISBN  978-0-471-58494-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2012 .
  22. ناداراجا، ساراليس (يونيو 2011). "التوزيع الدقيق لحاصل ضرب n من متغيرات جاما و m من متغيرات باريتو العشوائية" . مجلة الرياضيات الحسابية والتطبيقية . 235 (15): 4496-4512 . doi : 10.1016/j.cam.2011.04.018 .

مراجع

  • سبرينغر، ميلفين ديل؛ طومسون، دبليو إي (1970). "توزيع نواتج متغيرات عشوائية من نوع بيتا، وجاما، وغوس". مجلة SIAM للرياضيات التطبيقية . 18 (4): 721-737 . doi : 10.1137/0118065 . JSTOR 2099424 . 
  • سبرينغر، ميلفين ديل؛ طومسون، دبليو إي (1966). "توزيع نواتج المتغيرات العشوائية المستقلة". مجلة SIAM للرياضيات التطبيقية . 14 (3): 511-526 . doi : 10.1137/0114046 . JSTOR 2946226 .