定義:Px, Px 

 確率空間 、

 X:Ω→R 1とする確率変数、

  ないし、

 X:Ω→R nとする確率ベクトル、X=(X1,X2,…,Xn)

 とする。

(ボレル集合の概念を用いない特殊的な定義)

 Px ( (a,b] )を以下のように定義する。

 Px ( (a, b] )≡P( {ω∈Ω| a<X(ω)≦b } )= P ( {ω∈Ω|X (ω) ∈ (a, b] } )

           = P ( X-1 ( (a, b] ) )

         

 ※ 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.

 

(ボレル集合の概念を用いた一般的な定義)

 ∀B∈ に対して、Px ( B )≡P ( X-1 (B) )

 ∀B∈ に対して、Px ( B )≡P ( X-1 (B) )

   

定理

 確率空間 、X:Ω→R1とする確率変数とすると、

  ∀B∈に対して、Px ( B )≡P ( X-1 (B) )は(R1, )上の確率。(R1, , Px) は確率空間。

  ∀B∈に対して、Px ( B )≡P ( X-1 (B) )は(R1, )上の確率。(R1, , Px) は確率空間。

   (証明)

   Pxが(R1, )において、確率の公理、すなわち、

     (P1) 0≦ Px (B)≦1 ∀B∈

     (P2) Px (R1)=1

     (P3) B1,B2,…∈, Bi∩Bj=φ (i≠j) ⇒

                     (完全加法性/可算加法性)

   を満たすことを示せばよい。

   (P1を満たすことの証明)

    0≦Px ( B )≡P ( X-1 (B) ) ≦1 

      ∵Pは上の確率として定義されているので、以下の性質を満たす。

                (P1) 0≦P (A)≦1 ,∀A∈A,

   (P2を満たすことの証明)

    Px (R1)= P ( X-1 ( (-∞, ∞) ) )=P(Ω)=1

      ∵Pは上の確率として定義されているので、以下の性質を満たす。

                (P2) P(Ω)=1

   (P3を満たすことの証明)

    B1,B2,…∈, Bi∩Bj=φ (i≠j)とする。

     

                     ∵PXの定義

             ∵ unionの逆像 

             ∵ 上の確率Pは(P3)完全加法性を満たす。

             

                     ∵PXの定義

     (野田・宮岡『数理統計学の基礎』p.16.の省略部を自力で埋めたもの)

定義:Xの確率分布

 ・Pxを確率変数Xの確率分布という。

      Px ( (a, b] )≡P( {ω∈Ω| a<X(ω)≦b } )= P ( {ω∈Ω|X (ω) ∈ (a, b] } )

           = P ( X-1 ( (a, b] ) )

 ・Pxをn次元確率ベクトルXの確率分布という。

      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| 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] ) )

 *Pxを確率と呼んでよいかについては、こちら。  

定義:同時分布(simultaneous distribution)、結合分布(joint distribution)

   n次元確率ベクトルX=(X1,X2,…,Xn)の確率分布 Px=P(X1,X2….,Xn)  

              を同時分布という。

  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| 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] ) )

 

定義:周辺分布(marginal distribution)

   n次元確率ベクトルX=(X1,X2,…,Xn)とする。

  ・X1の周辺分布とは、

    ∀B∈に対し、

    PX1 (B)= P( X1−1(B) )=P( {ω∈Ω|X1 (ω)∈B, X2(ω)∈R1, … , Xn(ω)∈R1} )

        = P( {ω∈Ω|X∈B1×R1×…×R1} )

        = Px (B1×R1×…×R1)

  ・Xiの周辺分布とは、

  ・の周辺分布『数理統計学―基礎から学ぶデータ解析―(第二版)』p.22.

    

 

定理:確率変数の関数の確率分布

 Xを上の確率変数とする。

 h : R → R がBorel可測関数であれば、

 Y= h (X)は確率変数となるが、

 その確率分布P Yは

 P Y ( B )=P X [ h−1 ( B ) ], B∈

 

  (証明)

   写像Y: Ω∋ω→h [X(ω)]∈Rを考える。

   各B∈に対し、 Y−1 (B) = X−1 [ h−1 (B) ]

   P Y ( B ) = P ( Y−1 (B) )         ∵確率分布の定義

       = P [ X−1 { h−1 (B) } ]    ∵ (※)より

       = P X [ h−1 ( B ) ]       ∵ 確率分布の定義

       (野田・宮岡『数理統計学の基礎』Pp.24-25。)

   (別の表現?)

   P Y ( B ) = P ( {ω∈Ω|Y(ω)∈B} )   ∵確率分布の定義

       = P ( {ω∈Ω|h( X(ω) )∈B} )   ∵仮定よりY= h (X)

       = P ( {ω∈Ω|X(ω)∈h-1(B) } )   

       =P X ( h−1 (B) )  ∵h : Borel可測関数よりh-1(B) ∈

                 ゆえに、先の式は

                 Xの確率分布の定義に合致する。

 

(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、pp.89-99.

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.21-22。

文献4. 矢野・田代『社会科学者のための基礎数学 改訂版』裳華房、1993年、p.150-155. 

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、p.16、pp.27-32 。