Distribución de cuando son variables independientes

Como ejercicio de rutina, estoy tratando de encontrar la distribución de donde e son variables aleatorias independientes . $\sqrt{X^2+Y^2}$ $X$ $Y$ $U(0,1)$

La densidad conjunta de es $(X,Y)$

f_{X, Y} (x, y) = 1_{0 < x, y < 1}

$f_{X,Y}(x,y)=\mathbf 1_{0<x,y<1}$

Transformación a coordenadas polares modo que $(X,Y)\to(Z,\Theta)$

X = Z \cos Θ and Y = Z \sin Θ

$X=Z\cos\Theta\qquad\text{ and }\qquad Y=Z\sin\Theta$

Entonces, y . $z=\sqrt{x^2+y^2}$ $0< x,y<1\implies0< z<\sqrt 2$

Cuando , tenemos para que . $0< z<1$ $0< \cos\theta<1,\,0<\sin\theta<1$ $0<\theta<\frac{\pi}{2}$

Cuando , tenemos , como es disminuyendo en ; y , ya que aumenta en . $1< z<\sqrt 2$ $z\cos\theta<\implies\theta>\cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)$ $\cos\theta$ $\theta\in\left[0,\frac{\pi}{2}\right]$ $z\sin\theta<1\implies\theta<\sin^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)$ $\sin\theta$ $\theta\in\left[0,\frac{\pi}{2}\right]$

Entonces, para , tenemos . $1< z<\sqrt 2$ $\cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)<\theta<\sin^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)$

El valor absoluto de jacobian de transformación es

| J | = z

$|J|=z$

Por lo tanto, la densidad conjunta de viene dada por $(Z,\Theta)$

f_{Z, Θ} (z, θ) = z 1_{{z \in (0, 1), θ \in (0, π / 2)} ⋃ {z \in (1, \sqrt{2}), θ \in (\cos^{- 1} (1 / z), \sin^{- 1} (1 / z))}}

$f_{Z,\Theta}(z,\theta)=z\mathbf 1_{\{z\in(0,1),\,\theta\in\left(0,\pi/2\right)\}\bigcup\{z\in(1,\sqrt2),\,\theta\in\left(\cos^{-1}\left(1/z\right),\sin^{-1}\left(1/z\right)\right)\}}$

Al integrar out , obtenemos el pdf de como $\theta$ $Z$

f_{Z} (z) = \frac{π z}{2} 1_{0 < z < 1} + (\frac{π z}{2} - 2 z \cos^{- 1} (\frac{1}{z})) 1_{1 < z < \sqrt{2}}

$f_Z(z)=\frac{\pi z}{2}\mathbf 1_{0<z<1}+\left(\frac{\pi z}{2}-2z\cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)\right)\mathbf 1_{1<z<\sqrt 2}$

¿Es correcto mi razonamiento anterior? En cualquier caso, me gustaría evitar este método y en su lugar tratar de encontrar el cdf de directamente. Pero no pude encontrar las áreas deseadas al evaluar geométricamente. $Z$ $\mathrm{Pr}(Y\le \sqrt{z^2-X^2})$

EDITAR.

Traté de encontrar la función de distribución de como $Z$

\begin{aligned} F_{Z} (z) & = Pr (Z \leq z) \\ = Pr (X^{2} + Y^{2} \leq z^{2}) \\ = \iint_{x^{2} + y^{2} \leq z^{2}} 1_{0 < x, y < 1} d x d y \end{aligned}

$\begin{align} F_Z(z)&=\Pr(Z\le z) \\&=\Pr(X^2+Y^2\le z^2) \\&=\iint_{x^2+y^2\le z^2}\mathbf1_{0<x,y<1}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{align}$

Mathematica dice que esto debería reducirse a

F_{Z} (z) = {\begin{cases} 0 & , if z < 0 \\ \frac{π z^{2}}{4} & , if 0 < z < 1 \\ \sqrt{z^{2} - 1} + \frac{z^{2}}{2} (\sin^{- 1} (\frac{1}{z}) - \sin^{- 1} (\frac{\sqrt{z^{2} - 1}}{z})) & , if 1 < z < \sqrt{2} \\ 1 & , if z > \sqrt{2} \end{cases}

$F_Z(z)=\begin{cases}0 &,\text{ if }z<0\\ \frac{\pi z^2}{4} &,\text{ if } 0< z<1\\ \sqrt{z^2-1}+\frac{z^2}{2}\left(\sin^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)-\sin^{-1}\left(\frac{\sqrt{z^2-1}}{z}\right)\right) &,\text{ if }1< z<\sqrt 2\\ 1 &,\text{ if }z>\sqrt 2 \end{cases}$

que se parece a la expresión correcta. Al diferenciar para el caso aparece una expresión que no se simplifica fácilmente al pdf que ya obtuve. $F_Z$ $1< z<\sqrt 2$

Finalmente, creo que tengo las imágenes correctas para el CDF:

Para : $0<z<1$

Y para : $1<z<\sqrt 2$

Se supone que las partes sombreadas indican el área de la región

{(x, y) : 0 < x, y < 1, x^{2} + y^{2} \leq z^{2}}

$\left\{(x,y):0<x,y< 1\,,\,x^2+y^2\le z^2\right\}$

La imagen inmediatamente produce

\begin{aligned} F_{Z} (z) & = Pr (- \sqrt{z^{2} - X^{2}} \leq Y \leq \sqrt{z^{2} - X^{2}}) \\ = {\begin{cases} \frac{π z^{2}}{4} & , if 0 < z < 1 \\ \sqrt{z^{2} - 1} + \int_{\sqrt{z^{2} - 1}}^{1} \sqrt{z^{2} - x^{2}} d x & , if 1 < z < \sqrt{2} \end{cases} \end{aligned}

$\begin{align} F_Z(z)&=\Pr\left(-\sqrt{z^2-X^2}\le Y\le\sqrt{z^2-X^2}\right) \\&=\begin{cases}\frac{\pi z^2}{4} &,\text{ if } 0<z<1\\\\ \sqrt{z^2-1}+\int_{\sqrt{z^2-1}}^1 \sqrt{z^2-x^2}\,\mathrm{d}x &,\text{ if }1< z<\sqrt 2 \end{cases} \end{align}$

, como había encontrado anteriormente.

— ObstinadoAtom
fuente

Para buscar el CDF directamente, use las funciones del indicador. ParaEl resto es puramente manipulación algebraica. (Editar: veo que @ Xi'an acaba de publicar el álgebra en su respuesta.)

z \geq 0,

$z\ge 0,$

Pr (\sqrt{X^{2} + Y^{2}} \leq z) = \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} I (x^{2} + y^{2} \leq z^{2}) d x d y .

$\Pr(\sqrt{X^2+Y^2}\le z)=\int_0^1\int_0^1\mathcal{I}(x^2+y^2\le z^2)\mathrm{d}x\mathrm{d}y.$

— whuber

Re la edición: también obtengo varias expresiones diferentes y (usando FullSimplify) se simplifican a diferentes fórmulas en Mathematica . Sin embargo, son equivalentes. Esto se muestra fácilmente al trazar su diferencia. Aparentemente, Mathematica no sabe que cuando .

\tan^{- 1} (\sqrt{z^{2} - 1}) = \sec^{- 1} (z)

$\tan ^{-1}\left(\sqrt{z^2-1}\right)=\sec ^{-1}(z)$

1 < z < \sqrt{2}

$1\lt z \lt \sqrt{2}$

— whuber

El borde de la superficie, , en su última imagen debe ser un (semi) círculo con centro (0,0). Por lo tanto cóncavo en lugar de (su actualmente dibujado) convexo.

\sqrt{r^{2} - x^{2}}

$\sqrt{r^2-x^2}$

— Sextus Empiricus

Respuestas:

Se puede comprobar que el pdf es correcto mediante una simple simulación.

samps=sqrt(runif(1e5)^2+runif(1e5)^2)
hist(samps,prob=TRUE,nclass=143,col="wheat")
df=function(x){pi*x/2-2*x*(x>1)*acos(1/(x+(1-x)*(x<1)))}
curve(df,add=TRUE,col="sienna",lwd=3)

Encontrar el cdf sin el cambio polar de variables pasa por

\begin{aligned} P r (\sqrt{X^{2} + Y^{2}} \leq z) & = P r (X^{2} + Y^{2} \leq z^{2}) \\ = P r (Y^{2} \leq z^{2} - X^{2}) \\ = P r (Y \leq \sqrt{z^{2} - X^{2}}, X \leq z) \\ = E^{X} [\sqrt{z^{2} - X^{2}} I_{[0, min (1, z)]} (X)] \\ = \int_{0}^{min (1, z)} \sqrt{z^{2} - x^{2}} d x \\ = z^{2} \int_{0}^{min (1, z^{- 1})} \sqrt{1 - y^{2}} d y [x = y z, d x = z d y] \\ = z^{2} \int_{0}^{min (π / 2, \cos^{- 1} z^{- 1})} \sin^{2} θ d θ [y = \cos (θ), d y = \sin (θ) d θ] \\ = \frac{z^{2}}{2} [min (π / 2, \cos^{- 1} z^{- 1}) - \sin {min (π / 2, \cos^{- 1} z^{- 1})} \cos {min (π / 2, \cos^{- 1} z^{- 1}}] \\ = \frac{z^{2}}{2} {\begin{cases} π / 2 & if z < 1 \\ \cos^{- 1} z^{- 1} - \sin {\cos^{- 1} z^{- 1})} z^{- 1} & if z \geq 1 \end{cases} \\ = \frac{z^{2}}{2} {\begin{cases} π / 2 & if z < 1 \\ \cos^{- 1} z^{- 1} - \sqrt{1 - z^{- 2}} z^{- 1} & if z \geq 1 \end{cases} \end{aligned}

$\begin{align*} \mathrm{Pr}(\sqrt{X^2+Y^2}\le z) &= \mathrm{Pr}(X^2+Y^2\le z^2)\\ &= \mathrm{Pr}(Y^2\le z^2-X^2)\\ &=\mathrm{Pr}(Y\le \sqrt{z^2-X^2}\,,X\le z)\\ &=\mathbb{E}^X[\sqrt{z^2-X^2}\mathbb{I}_{[0,\min(1,z)]}(X)]\\ &=\int_0^{\min(1,z)} \sqrt{z^2-x^2}\,\text{d}x\\ &=z^2\int_0^{\min(1,z^{-1})} \sqrt{1-y^2}\,\text{d}y\qquad [x=yz\,,\ \text{d}x=z\text{d}y]\\ &=z^2\int_0^{\min(\pi/2,\cos^{-1} z^{-1})} \sin^2{\theta} \,\text{d}\theta\qquad [y=\cos(\theta)\,,\ \text{d}y=\sin(\theta)\text{d}\theta]\\ &=\frac{z^2}{2}\left[ \min(\pi/2,\cos^{-1} z^{-1}) - \sin\{\min(\pi/2,\cos^{-1} z^{-1})\}\cos\{\min(\pi/2,\cos^{-1} z^{-1}\}\right]\\ &=\frac{z^2}{2}\begin{cases} \pi/2 &\text{ if }z<1\\ \cos^{-1} z^{-1}-\sin\{\cos^{-1} z^{-1})\}z^{-1}&\text{ if }z\ge 1\\ \end{cases}\\ &=\frac{z^2}{2}\begin{cases} \pi/2 &\text{ if }z<1\\ \cos^{-1} z^{-1}-\sqrt{1-z^{-2}}z^{-1}&\text{ if }z\ge 1\\ \end{cases} \end{align*}$ que termina con la misma complejidad! (¡Además de posibles errores míos en el camino!)

— Xi'an
fuente

El caso es donde se pone un poco borroso. Supongo que no termino con el pdf correcto que diferencia la expresión para .

1 \leq z < \sqrt{2}

$1\le z<\sqrt 2$

z \geq 1

$z\ge 1$

— StubbornAtom

$f_z(z)$ :

Entonces, para , tenemos $1\le z<\sqrt 2$ $\cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)\le\theta\le\sin^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)$

Puede simplificar sus expresiones cuando usa simetría y evalúa las expresiones para . Por lo tanto, para la mitad del espacio y luego duplicar el resultado. $\theta_{min} < \theta < \frac{\pi}{4}$

Entonces obtienes:

P (Z \leq r) = 2 \int_{0}^{r} z (\int_{θ_{m i n}}^{\frac{π}{4}} d θ) d z = \int_{0}^{r} z (\frac{π}{2} - 2 θ_{m i n}) d z

$P(Z \leq r) = 2 \int_0^r z \left(\int_{\theta_{min}}^{\frac{\pi}{4}}d\theta\right) dz = \int_0^r z \left(\frac{\pi}{2}-2\theta_{min}\right) dz$

y tu es $f_z(z)$

f_{z} (z) = z (\frac{π}{2} - 2 θ_{m i n}) = {\begin{cases} z (\frac{π}{2}) & if 0 \leq z \leq 1 \\ z (\frac{π}{2} - 2 \cos^{- 1} (\frac{1}{z})) & if 1 < z \leq \sqrt{2} \end{cases}

$f_z(z) = z \left(\frac{\pi}{2}-2\theta_{min}\right) = \begin{cases} z\left(\frac{\pi}{2}\right) & \text{ if } 0 \leq z \leq 1 \\ z \left(\frac{\pi}{2} - 2 \cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)\right) & \text{ if } 1 < z \leq \sqrt{2} \end{cases}$

$F_z(z)$ :

Puede usar la integral indefinida:

\int z \cos^{- 1} (\frac{1}{z}) = \frac{1}{2} z (z \cos^{- 1} (\frac{1}{z}) - \sqrt{1 - \frac{1}{z^{2}}}) + C

$\int z \cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) = \frac{1}{2} z \left( z \cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) - \sqrt{1-\frac{1}{z^2}} \right) + C$

nota $\frac{d}{du} \cos^{-1}(u) = - (1-u^2)^{-0.5}$

Esto lleva directamente a algo similar a la expresión de Xi'ans para saber $Pr(Z \leq z)$

si entonces: $1 \leq z \leq \sqrt{2}$

F_{z} (z) = z^{2} (\frac{π}{4} - \cos^{- 1} (\frac{1}{z}) + z^{- 1} \sqrt{1 - \frac{1}{z^{2}}})

$F_z(z) = {z^2} \left(\frac{\pi}{4}-\cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) + z^{-1}\sqrt{1-\frac{1}{z^2}} \right)$

La relación con su expresión se ve cuando separamos las en dos expresiones , y luego las convertimos en diferentes expresiones . $cos^{-1}$ $cos^{-1}$ $sin^{-1}$

para tenemos $z>1$

\cos^{- 1} (\frac{1}{z}) = \sin^{- 1} (\sqrt{1 - \frac{1}{z^{2}}}) = \sin^{- 1} (\frac{\sqrt{z^{2} - 1}}{z})

$\cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) = \sin^{-1}\left(\sqrt{1-\frac{1}{z^2}}\right) = \sin^{-1}\left(\frac{\sqrt{z^2-1}}{z}\right)$

\cos^{- 1} (\frac{1}{z}) = \frac{π}{2} - \sin^{- 1} (\frac{1}{z})

$\cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) = \frac{\pi}{2} -\sin^{-1}\left(\frac{1}{z}\right)$

entonces

\begin{matrix} \cos^{- 1} (\frac{1}{z}) & = 0.5 \cos^{- 1} (\frac{1}{z}) + 0.5 \cos^{- 1} (\frac{1}{z}) \\ = \frac{π}{4} - 0.5 \sin^{- 1} (\frac{1}{z}) + 0.5 \sin^{- 1} (\frac{\sqrt{z^{2} - 1}}{z}) \end{matrix}

$\begin{array}\\ \cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) & = 0.5 \cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) + 0.5 \cos^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) \\ & = \frac{\pi}{4} - 0.5 \sin^{-1}\left(\frac{1}{z}\right) + 0.5 \sin^{-1}\left(\frac{\sqrt{z^2-1}}{z}\right) \end{array}$

que da como resultado su expresión cuando conecta esto en el mencionado para $F_z(z)$ $1<z<\sqrt{2}$

— Sexto empírico
fuente

Para , es solo el área del cuarto de círculo de radio que es . Es decir, $0 \leq z \leq 1$ $P\left(\sqrt{X^2+Y^2} \leq z\right)$ $z$ $\frac 14 \pi z^2$

For 0 \leq z \leq 1, area of quarter-circle = \frac{π z^{2}}{4} = P (\sqrt{X^{2} + Y^{2}} \leq z) .

$\text{For }0 \leq z \leq 1, ~\text{area of quarter-circle} = \frac{\pi z^2}{4} = P\left(\sqrt{X^2+Y^2} \leq z\right).$

Para , la región sobre la que necesitamos integrar para encontrar se puede dividir en dos triángulos rectángulos uno de ellos tiene vértices y mientras que el otro tiene vértices y junto con un sector de un círculo de radio y ángulo incluido . El área de esta región (y, por lo tanto, el valor de ) se encuentra fácilmente. $1 < z \leq \sqrt{2}$ $P\left(\sqrt{X^2+Y^2} \leq z\right)$ $\big($ $(0,0), (0,1)$ $(\sqrt{z^2-1}, 1)$ $(0,0), (1,0)$ $(1, \sqrt{z^2-1})$ $\big)$ $z$ $\frac{\pi}{2}-2\arccos\left(\frac{1}{z}\right)$ $\left( P(\sqrt{X^2+Y^2} \leq z\right)$ $1 < z \leq \sqrt{2}$ , que es el resultado en la respuesta de Martijn Wetering.

\begin{aligned} area of region & = area of two triangles plus area of sector \\ = \sqrt{z^{2} - 1} + \frac{1}{2} z^{2} (\frac{π}{2} - 2 \arccos (\frac{1}{z})) \\ = \frac{π z^{2}}{4} + \sqrt{z^{2} - 1} - z^{2} \arccos \frac{1}{z} \\ = (P (\sqrt{X^{2} + Y^{2}} \leq z) \end{aligned}

$\begin{align}\text{area of region} &= \text{area of two triangles plus area of sector}\\ &=\sqrt{z^2-1} + \frac 12 z^2\left( \frac{\pi}{2}-2\arccos \left(\frac{1}{z}\right)\right)\\ &= \frac{\pi z^2}{4} + \sqrt{z^2-1} - z^2\arccos \frac{1}{z}\\ &= \left( P(\sqrt{X^2+Y^2} \leq z\right)\end{align}$

— Dilip Sarwate
fuente

Distribución de cuando son variables independientes

fz(z)fz(z)f_z(z) :

Fz(z)Fz(z)F_z(z) :

$f_z(z)$ :

$F_z(z)$ :