Coeficiente de correlación para una distribución uniforme en una elipse


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Actualmente estoy leyendo un artículo que afirma que el coeficiente de correlación para una distribución uniforme en el interior de una elipse

fX,Y(x,y)={constantif (x,y) inside the ellipse0otherwise

es dado por

ρ=1(hH)2

dónde h y H son las alturas verticales en el centro y en los extremos, respectivamente.

ingrese la descripción de la imagen aquí

El autor no revela cómo llega a eso y, en cambio, solo dice que necesitamos cambiar escalas, rotar, traducir y, por supuesto, integrar. Me gustaría mucho volver sobre sus pasos, pero estoy un poco perdido con todo eso. Por lo tanto, agradecería algunos consejos.

Gracias de antemano.

Ah y para el registro

Châtillon, Guy. "El globo rige para una estimación aproximada del coeficiente de correlación". El estadístico estadounidense 38.1 (1984): 58-60

Es muy divertido


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¿Podrías escribir una expresión para la elipse? La "altura en el extremo" no tiene sentido para una elipse estándar:
x2a2+y2b2=1
ya que tiene altura 0en los extremos De hecho, si(X,Y) se distribuye uniformemente en el interior de la elipse estándar, luego ρ=0.
Dilip Sarwate

@DilipSarwate Sí, probé el caso estándar y calculé ρ=0No hay problemas allí. Sin embargo, ¿qué pasa con los otros casos, donde necesita escalar, rotar, etc.?
JohnK

2
Toda la operación parece fundamentalmente equivocada. La parte de "escalas de cambio" destruye la uniformidad. Se logra una distribución verdaderamente uniforme ya sea como la distribución limitante dentro de amortiguadores estrechos (euclidianos) de la curva o es uniforme por la longitud del arco. En cualquier caso, la constante de normalización es una función elíptica completa y posiblemente no se simplificará a la expresión dada aquí. No estoy seguro de queh y H media, pero, como ejemplo, el coeficiente de correlación para una elipse con un eje mayor dos veces el eje menor, inclinado en un ángulo de π/6, estarán 0.78004.
whuber

@whuber He incluido una figura del documento que explica qué h y H de pie, espero que esto lo aclare.
JohnK

2
Si desea una respuesta completa, completa, la encontrará en mi publicación en stats.stackexchange.com/a/71303/919 . Después de todo, cuando la elipse es un círculo, el uniforme es (obviamente) circularmente simétrico, por lo que casi todo en esa respuesta se aplica directamente. En particular, al ver la elipse no como una rotación de una elipse horizontal, sino como una transformación sesgada, la fórmula paraρ se vuelve obvio, porque 1ρ2=λ=h/H(utilizando la notación en la sección "Cómo crear elipses").
whuber

Respuestas:


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Dejar (X,Y) estar distribuido uniformemente en el interior de la elipse

x2a2+y2b2=1
dónde a y bson los semiejes de la elipse. Entonces,X y Y tener densidades marginales
fX(x)=2πa2a2x21a,a(x),fX(x)=2πb2b2y21b,b(y),
y es fácil ver que E[X]=E[Y]=0. También,
σX2=E[X2]=2πa2aax2a2x2dx=4πa20ax2a2x2dx=4πa2×a412Γ(3/2)Γ(3/2)Γ(3)=a24,
y de manera similar σY2=b24. Finalmente, X y Yson variables aleatorias no correlacionadas .

Dejar

U=XcosθYsinθV=Xsinθ+Ycosθ
que es una transformación de rotación aplicada a(X,Y). Entonces, (U,V)están distribuidos uniformemente en el interior de una elipse cuyos ejes no coinciden con elu y vhachas. Pero, es fácil verificar queU y V son variables aleatorias de media cero y que sus variaciones son
σU2=una2cos2θ+si2pecado2θ4 4σV2=una2pecado2θ+si2cos2θ4 4
Además,
cov(U,V)=(σX2-σY2)pecadoθcosθ=una2-si28pecado2θ
de donde podemos obtener el valor de ρU,V.

Ahora, la elipse en cuyo interior (U,V) se distribuye uniformemente tiene ecuación

(tucosθ+vpecadoθ)2una2+(-tupecadoθ+vcosθ)2si2=1,
es decir,
(cos2θuna2+pecado2θsi2)tu2+(pecado2θuna2+cos2θsi2)v2+((1una2-1si2)pecado2θ)tuv=1,
que también se puede expresar como
(1)σV2tu2+σU2v2-2ρU,VσUσVtuv=una2si24 4
Ajuste tu=0 0 en (1) da h=unasiσU. while implicit differentiation of (1) with respect to u gives
σV22u+σU22vdvdu2ρU,VσUσV(v+udvdu)=0,
that is, the tangent to the ellipse (1) is horizontal at the two points (tu,v) en la elipse para la cual
ρU,VσUv=σvtu.
El valor de H puede deducirse de esto, y (en el improbable caso de que no haya cometido errores al hacer los cálculos anteriores) conducirá al resultado deseado.

Esa es una matriz de rotación ortogonal adecuada, gracias.
JohnK
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