どのよう、極性分散、座標がと?


19

ランダムポイントのデカルト座標の座標を選択しますst。バツ、y(バツ、y)〜うん(−10、10)×うん(−10、10)

したがって、半径、のpdfが示すように均一に分布していません。 ρρ=バツ2+y2ρ

それにもかかわらず、私はがほぼ均一であることを期待し、エッジの4つの残り物によるアーティファクトを除きます。θ=アークタン⁡yバツ

ここに画像の説明を入力してください

以下は、\ thetaおよび\ rhoの確率論的に計算された確率密度関数です。 θρここに画像の説明を入力してください

ここで、 stに分布させると、は均一に分布しているように見えます。、X 、Y 〜N (0 、20 2)× N (0 、20 2)θバツ、yバツ、y〜N(0、202)×N(0、202)θ

ここに画像の説明を入力してください

なぜはで均一ではなく、均一であるの?(X 、Y )〜U (- 10 、10 )× U (- 10 、10 )X 、Y 〜N (0 、20 2)× N (0 、20 2)θ(バツ、y)〜うん(−10、10)×うん(−10、10)バツ、y〜N(0、202)×N(0、202)

私が使用したMatlabコード:

number_of_points = 100000;
rng('shuffle')

a = -10;
b = 10;
r = (b-a).*randn(2,number_of_points);
r = reshape(r, [2,number_of_points]);
I = eye(2);
e1 = I(:,1); e2 = I(:,2);
theta = inf*ones(1,number_of_points);
rho = inf*ones(1,number_of_points);

for i=1:length(r(1,:))
    x = r(:,i);
    [theta(i),rho(i)] = cart2pol(x(1),x(2));        
end

figure
M=3;N=1; bins = 360;
subplot(M,N,1); 
histogram(rad2deg(theta), bins)
title('Polar angle coordinate p.d.f');

subplot(M,N,2); 
histogram(rho, bins);
title('Polar radius coordinate p.d.f');

subplot(M,N,3); 
histogram(r(:));
title('The x-y cooridnates distrbution (p.d.f)');

3行目を置き換える:r = (b-a).*randn(2,number_of_points);with r = (b-a).*randn(2,number_of_points) +a ;は、分布を正規から均一に変更します。(バツ、y)


5
質問は、編集するたびにきれいに見え、質問のタイトルはより明確で簡潔になります。よくやった@ 0x90。
— マイケルR.チェルニック

3
+1。正規分布だけが角度を均一に分布する(つまり、回転対称の2D分布になる)唯一のものであることは興味深いです。stats.stackexchange.com/ a / 255417/28666を参照してください。
— アメーバは、モニカを復活させる

回答:


13

あなたは独立変量の対から変換に言及している極座標表現に(半径および角度)、及びその後の周辺分布を見て。(R 、θ )θ(バツ、Y)(R、θ)θ

私はやや直感的な説明を提供します(ただし、密度の数学的導出は本質的に私が非公式に説明することを行います)。

2つの変数XとYを一般的なスケールでスケーリングする場合(たとえば、U(-1,1)からU(-10,10)またはN(0,1)からN(0,20)にスケーリングする場合)両方の変数で同時に))、角度の分布に違いはありません(半径の分布のスケールにのみ影響します)。それでは、ユニットケースだけを考えてみましょう。

最初に、統一されたケースで何が起こっているかを考えてください。含まれる領域の確率密度は、その領域の面積に比例するように、分布は単位平方にわたって均一であることに注意してください。具体的には、水平の近く(角度)および対角(角度)に近い角度要素に関連付けられた密度を調べます。、D θ θ = 0 θ = π / 4[−1、1]2dθθ=0θ=π/4

ここに画像の説明を入力してください

明らかに、角度の要素()に対応する確率要素(つまり面積)は、角度が対角線の1つに近い場合に大きくなります。実際、正方形の内側に円を刻むことを検討してください。円内の与えられた小さな角度にまたがる面積は一定であり、円の外側の部分は、対角線に近づくにつれて大きくなり、最大になります。 D θdfθdθ

これは、シミュレーションで見られるパターンを完全に説明しています。

実際、密度は、正方形の中心から端までのセグメントの長さに比例する必要があることがわかります。そこから密度を導き出すには単純な三角法で十分であり、密度を1に統合するために必要な定数を見つけるのは簡単です。

[編集:半径について説明するために次のビットを追加しました。質問は元の回答から変更されているためです。]

単位円(つまり、前に正方形に内接したもの)に均一な分布がある場合、その半径の密度は半径に比例することに注意してください(幅小さな環状要素の面積を考慮してください)半径すなわちと -は比例する面積を持ちます。次に、円の外側を通過すると、半径の大きい新しい環状領域は、正方形の部分からのみ密度の寄与を受けるため、密度はから間で減少します(最初は非常に速く、その後はよりゆっくり)。(必要に応じて、密度の関数形式を得るには、かなり単純な幾何学的概念で十分です。)R R R + D 、R 、R 1 √drrrr+drr12


対照的に、ジョイント分布が原点に対して回転対称である場合、ある角度での確率要素は角度に依存しません(これは本質的にトートロジーです!)。2つの独立した標準ガウス分布の2変量分布は、原点に関して回転対称です。

ここに画像の説明を入力してください

(この画像のコードは、Elan Cohenのコードに基づいていますが、ここには素敵な代替手段があり 、2つの間に何かがあります)

したがって、ある角度含まれる体積は、すべてので同じであるため、角度に関連付けられた密度は均一です。θ [ 0 、2 π )dθθ[0、2π)

[通常の密度を実際の線に積分するために通常使用される極座標トリックを使用して、平方半径の密度が負の指数関数であり、そこから半径の密度が分布関数]


4
の分布の4つのスパイクは、正方形の4つの角によるものです。球対称の分布は、を中心とする球と円の均一から始まる均一分布につながることに注意してください。(- 10 、10 )2 θ (0 、0 )θ(−10,10)2θ(0,0)
— 西安

2
+1。興味深いのは、正規分布だけが回転対称2D分布につながることです。stats.stackexchange.com/ a / 255417/28666を参照してください。これは私にとって驚くべきことでした。
— アメーバは、モニカを復活させる

3
@amoebaええ、独立したマージンの積である唯一の円形対称分布です。
— Glen_b -Reinstateモニカ

2
とても素晴らしいと思います。あなたの答えにそれを言及することを検討してください!
— アメーバは、モニカを復活させる

6

均一な分布につながる通常のケースについての質問に答えます。とが独立しており、正規分布し ている場合、一定の確率密度の輪郭は平面内の円であることはよく知られています。半径にはレイリー分布があります。これについての良い議論については、レイリー分布というタイトルのウィキペディアの記事をご覧ください。Y x − y R = √バツYバツ−yR=バツ2+Y2

次に、極座標を使用してランダム変数およびを見てみましょう。YバツY

Y = r個の罪(θ )X 2 + Y 2 = R 2 θ (0 、2 π )R X Y 0バツ=rcos⁡(θ)、 。ことに注意してください。もしに均一である及びレイリー分布を有するおよび有する独立法線各あろう平均および分散共通。逆もまた真です。逆の証拠は、OPが質問の2番目の部分の答えとして望んでいると思うものです。Y=r罪⁡(θ)バツ2+Y2=r2θ(0、2π)rバツY0

これが証拠のスケッチです。一般性を失うことなく、は分布し、は分布し、互いに独立していると仮定できます。N (0 、1 )Y N (0 、1 )バツN(0、1)YN(0、1)

次に、ジョイント密度。極座標への変換を使用して、を取得します。以降及び。したがって、および。変換のヤコビアンを計算し、への適切な置換を行います。結果として、あろうためと。そのこのショーと独立しており、シータf(バツ、y)=(1/2π)exp⁡[(−[バツ2+y2])/2]g(r、θ)バツ=r罪⁡(θ)y=rcos⁡(θ)r=x2+y2θ=arctan⁡(x/y)f(x,y)g(r,θ)rexp⁡[(−r2)/(2π)]r≥00≤θ≤2πrrレイリー分布を持ち、シータは一定密度持ちます。1/(2π)


つまり、中心(この場合は原点)から一定の半径方向の距離で二変量密度の高さを見ると、その円上のすべての点で同じ値になります。
— マイケルR.チェルニック


@ 0x90はい、リンクはこれを確認する1つの方法を示しています。密度の指数で2次形式を調べることです。したがって、一般に、2変量正規設定では、定数への指数は一定の密度の輪郭を定義し、その方程式は楕円の1つです。共分散行列がスケーリングされた単位行列である特別な場合、楕円は円に単純化されます。
— マイケルR.チェルニック

2
均一性を確認する簡単な方法があると思います:平均が独立した通常のそれらの比率がことを示すのは簡単です。CauchyのCDFは、単純にスケーリングと変換であるため、確率積分変換により、は単純にシフトおよびスケーリングされた標準均一確率変数です。X,Y0Cauchy⁡(0,1)arctan arctan⁡(X/Y)
— フランシス

1
@Francis主に、すべての方程式の完全な編集に感謝します。また、上記のコメントは、シータによる均一性の問題を解決するための想像力に富んだアプローチを間違いなく示していると言いたいと思います。簡単だということに同意する人もいると思います。
— マイケルR.チェルニック

6

θ(バツ、Y)[−1、1]×[−1、1]14014

私たちの質問の関心領域は、この図の赤いセクターです。 影付きのセクターのある正方形

θθ+dθθθ+dθθ

の計算を行います-密度全体は拡張することで取得できます周期性。θ∈[−π4、π4]π2

基本三角法は、下側の長さがます。上のサイズの長さは (ここでは、デリバティブの正確な値は本当に重要ではないことがわかります!)1cos⁡θ

1cos⁡(θ+dθ)=1cos⁡θ+罪⁡θcos2⁡θdθ。

角度形成する長さと 2つの辺を持つ三角形の面積はであるため、この場合は (より高いべき乗を無視し、)。bはα 1abα112ab罪⁡α Dθ罪のDθ=Dθ

12(1cos⁡θ)(1cos⁡θ+罪⁡θcos2⁡θdθ)罪⁡dθ=dθ2cos2⁡θ
dθ罪⁡dθ=dθ

こうしての密度 IS ためにおける、となる周期。1θ θ[-π

18cos2⁡θ
θπ[−π4、π4]π2

検証:

x <- runif(1e6, -1, 1)
y <- runif(1e6, -1, 1)
hist( atan2(y,x), freq=FALSE, breaks=100)
theta <- seq(-pi, pi, length=500)
lines(theta, 0.125/cos((theta + pi/4)%%(pi/2) - pi/4)**2, col="red" )

histogramm +密度

弊社のサイトを使用することにより、あなたは弊社のクッキーポリシーおよびプライバシーポリシーを読み、理解したものとみなされます。
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.