PDFの関数の凸性と標準正規確率変数のCDF


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Q x = x 2 + x ϕ x )であることを証明してください凸状であるX>0。ここで、ϕΦはそれぞれ標準の標準PDFとCDFです。Q(x)=x2+xϕ(x)Φ(x)x>0ϕΦ

試した手順

1)計算方法

私は微積分法を試してみましたが、第二導関数の計算式を持っているが、それはポジティブであることを示すことができないですしている。詳細が必要な場合はお知らせください。x>0

最後に、 Q X

Let Q(x)=x2+xϕ(x)Φ(x)
Q X
Q(x)x=2x+x[xϕ(x)Φ(x){ϕ(x)Φ(x)}2]+ϕ(x)Φ(x)
2 QX
Q(x)x|x=0=ϕ(0)Φ(0)>0
2Q(x)x2=2+xϕ(x)[Φ2(x)+x2Φ2(x)+3xϕ(x)Φ(x)+2ϕ2(x)Φ3(x)]+2[xϕ(x)Φ(x){ϕ(x)Φ(x)}2]
=2+ϕ(x)[x3Φ2(x)+3x2ϕ(x)Φ(x)+2xϕ2(x)3xΦ2(x)2ϕ(x)Φ(x)Φ3(x)]
=[2Φ3(x)+x3Φ2(x)ϕ(x)+3x2ϕ2(x)Φ(x)+2xϕ3(x)3xΦ2(x)ϕ(x)2ϕ2(x)Φ(x)Φ3(x)]
Let, K(x)=2Φ3(x)+2xϕ3(x)+Φ2(x)ϕ(x)x[x23]+ϕ2(x)Φ(x)[3x22]
の場合、X
K(0)=1412π>0
。以下のためのx 0x3,K(x)>0 K x x(0,3)
K(x)=6Φ2(x)ϕ(x)+2ϕ3(x)6x2ϕ3(x)+2Φ(x)ϕ2(x)[x33x]Φ2(x)ϕ(x)[x43x2]+Φ2(x)ϕ(x)[3x23]2ϕ2(x)Φ(x)[3x32x]+ϕ3(x)[3x22]+ϕ2(x)Φ(x)6x
K(x)=6Φ2(x)ϕ(x)3Φ2(x)ϕ(x)+2ϕ3(x)2ϕ3(x)+6xΦ(x)ϕ2(x)6xΦ(x)ϕ2(x)+3x2Φ2(x)ϕ(x)+3x2Φ2(x)ϕ(x)+2x3Φ(x)ϕ2(x)6x3Φ(x)ϕ2(x)+3x2ϕ3(x)6x2ϕ3(x)+4xΦ(x)ϕ2(x)x4Φ2(x)ϕ(x)
=3Φ2(x)ϕ(x)+6x2Φ2(x)ϕ(x)+4xΦ(x)ϕ2(x)3x2ϕ3(x)x4Φ2(x)ϕ(x)4x3Φ(x)ϕ2(x)
=ϕ(x)[3Φ2(x)+x{6xΦ2(x)3xϕ2(x)x3Φ2(x)+4Φ(x)ϕ(x)[1x2]}]

2)グラフ法/数値法

また、以下に示すようにグラフをプロットすることで、これを数値的および視覚的に確認できました。しかし、適切な証明があると助かります。

ここに画像の説明を入力してください

回答:


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Qx0Φϕ

定義により、

ddxΦ(x)=ϕ(x)=12πexp(x2/2).

ddxϕ(x)=xϕ(x).

この結果を別の導関数に適用すると、

d2dx2ϕ(x)=(1+x2)ϕ(x).

これらの結果を使用して、通常の積および微分の商規則とともに、2次導関数の分子が6つの項の合計であることがわかります。(この結果は質問の中央付近で得られました。)用語を3つのグループに整理すると便利です。

Φ(x)3d2dx2Q(x)=2xϕ(x)3+3x2ϕ(x)2Φ(x)+x3ϕ(x)Φ(x)2+Φ(x)(2ϕ(x)23xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2).

ϕΦx0

R(x)=2ϕ(x)23xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2.

この要因が否定的ではないことを示す方法はたくさんあります。1つは、

R(0)=2ϕ(0)+2Φ(0)=12π>0.

差別化-以前と同じ簡単な手法を使用して-差別化

ddxR(x)=ϕ(x)(xϕ(x)+(1+3x2)Φ(x))

x0R(x)[0,)R(0)>0R(x)>0x0

Qx0


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@whuber、ありがとうございます。あなたの助けに感謝します。私は同様のことを試み、ポジティブな用語を使用してネガティブな用語を押しつぶそうとしていましたが、上記の組み合わせをまだ試していません。結果を見て大喜びでした。
texmex 2015年
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