分布関数(2次元)

野田・宮岡(pp.28-31),鈴木・山田(pp.28-30),講義ノート4/27No.4 

定義:2次元における同時分布関数・結合分布関数(joint distribution function)

  cf. 一次元の分布関数の定義、多次元の同時分布関数(結合分布関数)の定義   

設定:

  確率空間

  2次元確率ベクトルX =( X ,Y ): Ω→R 2 : ω→X(ω)= ( X (ω), Y (ω) )

  PX =P(X,Y): 確率ベクトルX=( X ,Y )の同時(結合)確率分布 (joint probability distribution)   

    つまり、

      PX ( (a1, b1 ]×(a2, b2 ] ) ≡P(X,Y) ( (a1, b1 ]×(a2, b2 ] )    

      ≡P( {ω∈Ω| a1<X (ω)≦b1, a2<Y (ω)≦b2 } )

      = P ( {ω∈Ω| X (ω) ∈ (a1, b1], Y (ω) ∈ (a2, b2] } )

      = P ( X-1 ( (a1, b1] × (a2, b2] ) )

  とする。

本題:

   ベクトルx=( x, y )∈R 2として、

   FX (x) = F X, Y ( x, y ) =Px( (−∞, x] × (−∞, y] ) ≡P(X,Y) ( (−∞, x] × (−∞, y] ) 

       = P ( X-1 ( (−∞, x] × (−∞, y] ) )  

       = P ( {ω∈Ω| X (ω) ∈ (−∞, x] × (−∞, y] } )

       = P ( {ω∈Ω| X (ω) ∈ (−∞, x], Y (ω) ∈ (−∞, y] } )

       = P( {ω∈Ω| −∞<X (ω)≦x, −∞<Y (ω)≦y } )

       = P( {ω∈Ω| X (ω)≦x, Y (ω)≦y } )   

   (略して)= P ( X≦x, Y≦y )

  なる、

  FX = F X, Y :R 2 → [0,1]∈R 1     

   を、

  2次元確率ベクトルX=( X ,Y )の同時分布関数ないしは結合分布関数(joint distribution function)という。 

 ※ 略記法

   {ω∈Ω| a<X(ω)≦b}は{ a<X≦b }

   {ω∈Ω| X (ω)∈B}は{ X∈B }

   などと略記される。

       野田・宮岡『数理統計学の基礎』p15.

   

定理: 2次元同時(結合)分布関数の性質     

    cf. 1次元の分布関数の性質、多次元の分布関数の性質   

  (1) 0≦ F X, Y ( x, y )≦1, for ∀ ( x, y )∈R 2     

  (2) F X, Y ( x, y )は2変数関数として単調非減少関数。

  (3-1)

  (3-2)    

        

  (4) 右連続性

   (鈴木・山田の説明)

     

   (野田・宮岡の説明)

    F X, Y は、(x,y)について同時に右連続である。   

     

  (証明)

  (1) F X, Yは確率ベクトル( x, y )の同時(結合)確率分布P ( X, Y )として定義されている。

    確率分布もまた確率の公理を満たす確率であるので(∵定理)、。

    0≦ F X, Y ( x, y )≦1

  (2)  

  

  

  (3-1) の証明

   

           ∵解析学における「関数の収束」と「数列の収束」を関連づけた定理:

             「x →x0 のとき、f(x)がAに収束する」ならば、

             「x0 に収束するどんな数列 { xn }(ただし、xn ≠x0 )に対しても、

                             数列 { f ( xn ) }がAに収束する」

              また、逆も成り立つ。

             *実数での極限を自然数での極限(可算無限)に置き換え。集合列の極限に帰着させるため。

            鈴木山田『数理統計学)』p25では(2)で正当化しているが、なぜそうできるのか??

              ∵分布関数の定義

          ∵確率分布の定義

             ここで、上式で極限を考えた集合{ω∈Ω|X(ω)≦n}をAnとおく。

             集合列{An}の極限に関する性質について、考えてみよう。

             集合列{An}は、An⊂ An+1 となるので、増大列。

                したがって、集合列{An}には極限が存在し、

                   ={ω∈Ω|X(ω)<∞}=Ω (*)

                また、増大列であることから、確率の連続性が成り立ち。

                        (**)

           以下本題にもどって、

    

           ∵(**)

         =P(Ω)             ∵(*)

         =1             (確率の公理P2)

   →鈴木山田『数理統計学)』p25。柳川堯『統計数学』p15。

  (3-2) の証明

   

           ∵解析学における「関数の収束」と「数列の収束」を関連づけた定理:

             「x →x0 のとき、f(x)がAに収束する」ならば、

             「x0 に収束するどんな数列 { xn }(ただし、xn ≠x0 )に対しても、

                             数列 { f ( xn ) }がAに収束する」。

              また、逆も成立する。

             *実数での極限を自然数での極限(可算無限)に置き換え。集合列の極限に帰着させるため。

             鈴木山田『数理統計学)』p25では(2)で正当化しているが、なぜそうできるのか??

              ∵分布関数の定義 

          ∵確率分布の定義 

           ここで、上式で極限を考えた集合{ω∈Ω|X(ω)≦−n}をAnとおく。   

           集合列{An}の極限に関する性質について、考えてみよう。

           集合列{An}は、An⊃An+1 となるので、減少列。

           したがって、集合列{An}には極限が存在し、

            

               ={ω∈Ω|−∞<X(ω)≦−1}∩{ω∈Ω|−∞<X(ω)≦−2}∩…

                 …∩{ω∈Ω|−∞<X(ω)≦−100}∩…

                            …∩{ω∈Ω|−∞<X(ω)<−∞}

               =φ (*)

           また、減少列であることから、確率の連続性が成り立ち。

              (**)

           以下本題にもどって、

   

              (**)

        =P( φ )            (*)

        =0                 ∵定理:空事象の確率 

     →鈴木山田『数理統計学)』p25。

  (4)「Fx (x)は右連続関数である」の証明

  ※関連重要事項→右極限、右連続

  x∈Rを任意にとる。

   

           ∵・解析学における「関数の収束」と「数列の収束」を関連づけた定理:

               「x →x0 のとき、f(x)がAに収束する」ならば、

               「x0 に収束するどんな数列 { xn }(ただし、xn ≠x0 )に対しても、

                             数列 { f ( xn ) }がAに収束する」。

                また、逆も成立する。

              これを、片側(x >x0)に制限して、証明しなおせばよい。

              ・Fxが単調非減少関数。

              ∵分布関数の定義 

          ∵確率分布の定義 

           ここで、上式で極限を考えた集合{ ω∈Ω|X(ω)≦x+1/n } をAnとおく。   

           集合列{An}の極限に関する性質について、考えてみよう。

           集合列{An}は、An⊃An+1 となるので、減少列。

           したがって、集合列{An}には極限が存在し、

            

               ={ω∈Ω|−∞<X(ω)≦x+1}∩{ω∈Ω|−∞<X(ω)≦x +1/2}∩…

                 …∩{ω∈Ω|−∞<X(ω)≦ x +1/100 }∩…

                            …∩{ω∈Ω|−∞<X(ω)≦x }

               ={ω∈Ω|−∞<X(ω) ≦x } (*)

           また、減少列であることから、確率の連続性が成り立ち。

              (**)

           以下本題にもどって、

         

              ∵ (**)

         =P( {ω∈Ω|−∞<X(ω) ≦x } )  ∵ (*)

         =P X ( (−∞,x] ) =FX(x)          ∵ 分布関数の定義

  

      

      

分布関数(多次元)

定義:同時分布関数・結合分布関数(joint distribution function)

設定:

  確率空間

  確率ベクトルX=( X1,…,Xn ): Ω→R n : ω→X(ω)=( X1(ω),…,Xn(ω) )

  PX : 確率ベクトルXの同時(結合)確率分布      

    つまり、

      Px( (a1, b1]×(a2, b2] ×…× (an, bn] ) ≡ P(X1,X2….,Xn) ( (a1, b1] × (a2, b2] ×…× (an, bn] ) 

      ≡P( {ω∈Ω| a1<X1(ω)≦b1,…, an<Xn(ω)≦bn } )

      = P ( {ω∈Ω| X1 (ω) ∈ (a1, b1],…, Xn (ω) ∈ (an, bn] } )

      = P ( {ω∈Ω| X (ω) ∈ (a1, b1] × (a2, b2] ×…× (an, bn] } )

      = P ( X-1 ( (a1, b1] × (a2, b2] ×…× (an, bn] ) )

  とする。

本題:

   ベクトルx=( x1, , x2,…, xn )として、

   FX (x) =Px( (−∞, x1] × (−∞, x2] ×…× (−∞, xn]  ) 

       = P ( X-1 ( (−∞, x1] × (−∞, x2] ×…× (−∞, xn] ) )  

       = P ( {ω∈Ω| X (ω) ∈ (−∞, x1] × (−∞, x2] ×…× (−∞, xn] } )

       = P ( {ω∈Ω| X1 (ω) ∈ (−∞, x1],…, Xn (ω) ∈ (−∞, xn] } )

       = P( {ω∈Ω| −∞<X1(ω)≦x1,…, −∞<Xn(ω)≦xn } )

       = P( {ω∈Ω| X1(ω)≦x1,…, Xn(ω)≦xn } )   

   (略して)= P ( X1≦x1, … , Xn≦xn )

  なる、

  FX :Rn → [0,1]∈R1     

   を、

  Xの同時分布関数ないしは結合分布関数という。 

 ※ 略記法

   {ω∈Ω| a<X(ω)≦b}は{ a<X≦b }

   {ω∈Ω| X (ω)∈B}は{ X∈B }

   などと略記される。

       野田・宮岡『数理統計学の基礎』p15.

   

定理:

(1) 0≦Fx(x)≦1, for ∀x∈Rn

(証明)

  (1) FXは確率ベクトルXのの同時(結合)確率分布PXとして定義されている。

    確率分布もまた確率の公理を満たす確率であるので(∵定理)、。

    0≦Fx(x)≦1

(2) Fx(x)はn変数関数として単調非減少関数。

(証明)

 

(3-1)

(証明)

 

 

 

 

(3-2)

(証明)

 

 

 

(4) 右連続性

(証明)

 

 

 

(reference)

文献1.『岩波数学辞典(第三版)』項目47C(p.128).

文献2. 佐藤坦『はじめての確率論 測度から確率へ』共立出版、1994、?

文献3. 鈴木武・山田作太郎『数理統計学―基礎から学ぶデータ解析―(第二版)』内田老鶴圃、1998年、pp.27-30。

文献4. 柳川堯『統計数学』近代科学社、1990年,pp.19-21.

文献5. 野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、pp.27-29 。