¿Cómo encontrar una densidad a partir de una función característica?


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Una distribución tiene la función característica.

ϕ(t)=(1−t2/2)exp⁡(−t2/4), −∞<t<∞

Muestre que la distribución es absolutamente continua y escriba la función de densidad de la distribución.

Intento:

∫−∞∞|(1−t2/2)exp⁡(−t2/4)|dt=(−2/t)(1−t2/2)exp⁡(−t2/4)−2exp⁡(−t2/4)|−∞0

Resultado similar para ya que es cuadrado.[0,∞]t

No estoy muy seguro de haber hecho la integración correctamente, pero si puedo demostrar que el valor absoluto de es menor que , entonces la función es absolutamente continua.ϕ(t)∞


Use ese para para cualquier polinomio . Esto asegura que ambas colas sean integrables. p(t)/exp⁡(t2)→0t→±∞p
— Stefan Hansen

Respuestas:


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Las funciones de densidad se encuentran con la transformada inversa de Fourier. La función de densidad de la distribución, si existe tal densidad, estará dada por

f(t)=12π∫Re−itxϕ(x)dx=12π∫Re−itx((1−x2/2)e−x2/4)dx.

Esta integral se puede dividir en dos, cada uno de los cuales tiene un integrando de la forma

exp⁡(−Qt(x))x2k

donde es una forma cuadrática con un término negativo es un número entero no negativo. Esto hace que cada integrando sea una función de Schwartz (que disminuye rápidamente) , asegurando su integrabilidad para cualquier . La integrabilidad demuestra que es continua ; La rápida disminución demuestra que es absolutamente continua. Las integrales se realizan fácilmente completando el cuadrado en el exponencial, reduciéndolos a múltiplos de momentos pares de la distribución gaussiana. El resultado esQtkt

f(t)=2πt2e−t2.

La continuidad de confirma la conclusión anterior de la continuidad absoluta de la distribución.f

Parcela de f

El cuadrado de esta variable (simétrica) tiene una distribución Gamma .(3/2,1)


Alternativamente, uno podría reconocer que

ϕ(t)=−2(−12+t24)e−t2/4=(−i)2d2dt22e−t2/4

es proporcional a la segunda derivada de la Gaussiana , lo que implica (dado que el operador en funciones características es equivalente a la multiplicación de funciones de distribución por la variable) que la densidad existe y es proporcional a veces la densidad cuyo cf es . Eso es inmediatamente reconocible como una distribución gaussiana (normal) con densidad proporcional a . En este punto, todo lo que tiene que hacer es calcular la constante de normalización de mediante integración o calculando la varianza de una distribución Normal con desviación estándar .e−t2/4−id/dtf(x)x22e−t2/4e−x22/π1/2

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