2つの正規分布の差の分布


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正規分布の2つの確率密度関数があります。

f1(x1|μ1,σ1)=1σ12πe(xμ1)22σ12

そして

f2(x2|μ2,σ2)=1σ22πe(xμ2)22σ22

私はx1間の分離の確率密度関数を探していx2ます。私はそれが確率密度関数を探していることを意味すると思います x 1x 2 | |x1x2|。あれは正しいですか?どうやって見つけるの?


これが宿題の場合は、self-studyタグを使用してください。宿題の質問は受け付けますが、ここでは少し異なる方法で処理します。
シャドウトーカー

また、「あの男」になりたくないのですが、グーグルを試しましたか?「正規分布の違い」はすぐに答えを見つけました。
シャドウトーカー

@ssdecontrolいいえ、宿題ではありませんが、それは趣味のプロジェクトのためですので、私が正しい軌道に乗せられた場合、私は自分でいくつかのものを見つける必要はありません。私はグーグルを試しましたが、問題に対する私の把握は非常に限られているので、目の前にいると気付かないでしょう。引用符を付けて、いくつかのxについて「正規分布とxの違いは何か」に似たものをたくさん見つけました。
マーティン

回答:


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この質問は、これらの分布によって支配される2つのランダム変数およびX 2が独立していると仮定することによってのみ述べられるように答えることができます。X1X2 これは、それらの差になりの平均と標準μ = μ 2 - μ 1、分散σ 2 = σ 2 1 + σ 2 2。(次の解は、X 1X 2の二変量正規分布に簡単に一般化できます。X=X2X1μ=μ2μ1σ2=σ12+σ22。)したがって、変数(X1,X2)

Z=Xμσ=X2X1(μ2μ1)σ12+σ22

標準の正規分布(つまり、平均値と単位分散がゼロ)および

X=σ(Z+μσ).

表現

|X2X1|=|X|=X2=σ(Z+μσ)2

は、1つの自由度と非心度パラメーターλ = μ / σ 2を持つ非心カイ2乗分布の平方根のスケーリングされたバージョンとして絶対差を示します。これらのパラメーターを持つ非中心カイ二乗分布には確率要素がありますλ=(μ/σ)2

f(y)dy=y2πe12(λy)cosh(λy)dyy, y>0.

x > 0に対してと書くと、yとその平方根の間に1対1の対応が確立され、結果としてy=x2x>0y

f(y)dy=f(x2)d(x2)=x22πe12(λx2)cosh(λx2)dx2x2.

σ

f|X|(x)=1σ2πcosh(xμσ2)exp(x2+μ22σ2).

This result is supported by simulations, such as this histogram of 100,000 independent draws of |X|=|X2X1| (called "x" in the code) with parameters μ1=1,μ2=5,σ1=4,σ2=1. On it is plotted the graph of f|X|, which neatly coincides with the histogram values.

Figure

The R code for this simulation follows.

#
# Specify parameters
#
mu <- c(-1, 5)
sigma <- c(4, 1)
#
# Simulate data
#
n.sim <- 1e5
set.seed(17)
x.sim <- matrix(rnorm(n.sim*2, mu, sigma), nrow=2)
x <- abs(x.sim[2, ] - x.sim[1, ])
#
# Display the results
#
hist(x, freq=FALSE)
f <- function(x, mu, sigma) {
 sqrt(2 / pi) / sigma * cosh(x * mu / sigma^2) * exp(-(x^2 + mu^2)/(2*sigma^2)) 
}
curve(f(x, abs(diff(mu)), sqrt(sum(sigma^2))), lwd=2, col="Red", add=TRUE)

How would this be different if I want to get the squared difference? For example if I want (f1(.)f2(.))2?
user77005

1
@user77005 The answer to that is in my post: it's a non-central chi-squared distribution. Follow the link for details.
whuber

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I am providing an answer that is complementary to the one by @whuber in the sense of being what a non-statistician (i.e. someone who does not know much about non-central chi-square distributions with one degree of freedom etc) might write, and that a neophyte could follow relatively easily.

Borrowing the assumption of independence as well as the notation from whuber's answer, Z=X1X2N(μ,σ2) where μ=μ1μ2 and σ2=σ12+σ22. Thus, for x0,

F|Z|(x)P{|Z|x}=P{xZx}=P{x<Zx}since Z is a continuous random variable=FZ(x)FZ(x),
and of course, F|Z|(x)=0 for x<0. It follows upon differentiating with respect to x that
f|Z|(x)xF|Z|(x)=[fZ(x)+fZ(x)]1(0,)(x)=[exp((xμ)22σ2)σ2π+exp((x+μ)22σ2)σ2π]1(0,)(x)=exp(x2+μ22σ2)σ2π(exp(xμσ2)+exp(xμσ2))1(0,)(x)=1σ2πcosh(xμσ2)exp(x2+μ22σ2)1(0,)(x)
which is the exact same result as in whuber's answer, but arrived at more transparently.

1
+1 I always like to see solutions that work from the most basic possible principles and assumptions.
whuber

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The distribution of a difference of two normally distributed variates X and Y is also a normal distribution, assuming X and Y are independent (thanks Mark for the comment). Here is a derivation: http://mathworld.wolfram.com/NormalDifferenceDistribution.html

Here you are asking the absolute difference, based on whuber's answer and if we assume the difference in mean of X and Y is zero, it's just a half normal distribution with two times the density (thanks Dilip for the comment).


3
You and Wolfram Mathworld are implicitly assuming that the 2 normal distributions (random variables) are independent. The difference is not even necessarily normally distributed if the 2 normal random variables are not bivariate normal, which can happen if they are not independent..
Mark L. Stone

4
In addition to the assumption pointed out by Mark, you are also ignoring the fact that the means are different. The half normal case works only when μ1=μ2 so that the difference has mean 0.
Dilip Sarwate

Thank you for your comments. Now I revised my answer based on your comments and whuber's answer.
yuqian
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