確率密度関数の平均が存在するかどうかを証明する方法


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これはよく知られている実数値の確率変数の指定されたXのPDFとf、の平均値X(存在する場合)によって発見された

E[X]=∫Rxf(x)dx.

一般的な質問: ここで、上記の積分を閉じた形で解くことができないが、平均が存在して有限であるかどうかを簡単に判断したい場合、それを証明する方法はありますか?(おそらく)平均が存在するための特定の基準が満たされているかどうかを判断するために、被積分関数に適用できるいくつかのテストはありますか?

アプリケーション固有の質問: 平均が存在するかどうかを確認したい次のpdfがあります:

f(x)=|σ22μ1x+μ2σ12|σ13σ23a3(x)ϕ(μ2x−μ1σ1σ2a(x))for x∈R,

ここで、 μ1,μ2∈R、σ1,σ2>0、(X )= (X 2a(x)=(x2σ12+1σ22)1/2、及びϕ(g(x))=12πe−g2(x)/2。

私はその意味が役に立たないように解決しようとしました。


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特定の質問では、は適切な密度関数ではありません。仮定μ 1 = 1、μ 2 = 0及びσ J = 1、J = 1 、2、次いで、F (X )< 0のために、X < 0。f(x)μ1=1μ2=0σj=1j=1,2f(x)<0x<0
— EliKa 2017

@EliKa良い発見。タイプミスがあるかもしれません。質問をチェックして修正します。それでも、私は依然として質問の「どのように」の部分に主に関心があります。つまり、平均が存在し、有限であるかどうかを判断するにはどうすればよいですか?
— アーロンヘンドリクソン

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バウンディングを試すことができます上下にいくつかの非負関数u (x )およびb (x )を使用して、それらを統合できます。u (x )を統合できる場合、分布には平均があります。場合∫ B (X )D のx = ∞、その後、お使いのディストリビューションには平均値を持っていません。|xf(x)|u(x)b(x)u(x)∫b(x)dx=∞
— Ceph 2017

@Cephそれは良い提案です。その技術は「圧搾定理」に基づいていますか?
— アーロンヘンドリクソン

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@AaronHendrickson同様のアイデアですが、(私が理解しているように)スクイーズの定理は少し異なります。次のようになります。ここでSTを使用して:あなたは見つけるとB (X )というのバウンドのx F (X )(むしろ境界よりも| X F (X )|あなたが見つけることができるように私の以前のコメントのように)∫ U (X )D 、X = ∫ B (X )D 、X = μ、μu(x)b(x)xf(x)|xf(x)|∫u(x)dx=∫b(x)dx=μμ分布の平均です。しかし、そのようなとbを見つけるのは難しいので、それはおそらくもっともらしい戦略ではありません。(これらは、メジャー0のセットでのみx f (x )と異なる可能性があるため、おそらくx f (x )よりも簡単に統合できません。)ubxf(x)xf(x)
— Ceph

回答:


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一般的な手法はありませんが、いくつかの単純な原則があります。 1つは、の尾の動作を扱いやすい関数と比較することによって調べることです。f

定義により、期待値は2つの制限です(とzは独立して変化するため)。yz

Ey,z[f]=limy→−∞,z→∞∫yzxf(x)dx=limy→−∞∫y0xf(x)dx+limz→∞∫0zxf(x)dx.

右側の2つの積分の扱いは同じなので、正の積分に注目しましょう。制限値を保証する動作の1つは、それを累乗x − pと比較することです。仮定pはするための番号であるLIM INF X → ∞ X Pの F (X )> 0が存在し、この手段ε > 0および N > 1のためにX のp F (X )≥ εたびにX ∈ [fx−pp

lim infx→∞xpf(x)>0.
ϵ>0N>1xpf(x)≥ϵ。我々は、領域への統合を破壊することによって、この不等式を利用することができる X < N及び X ≥ Nと第2の領域にそれを適用します。x∈[N,∞)x<Nx≥N

∫0zxf(x)dx=∫0Nxf(x)dx+∫Nzxf(x)dx=∫0Nxf(x)dx+∫Nzx1−p(xpf(x))dx≥∫0Nxf(x)dx+∫Nzx1−p(ϵ)dx=∫0Nxf(x)dx+ϵ2−p(z2−p−N2−p).

p<2z→∞p=2

∫Nzx1−2(ϵ)dx=ϵ(log⁡(z)−log⁡(N)),

これも発散します。

|x|pf(x)→0p>2E[X]Xα>0|X|α|x|p+αf(x)→0p>1lim inf|x|p+αf(x)>0p≤1

a(x)≈|x|/σ1|x|f|x|x>0

f(x)≈μ1xσ2x3ϕ(μ2xσ2x)=x−2μ1σ2exp⁡((−μ22σ2)2).

x2f(x)

2p|x|pf(x)|x|→∞p<2f|y||z|Ey,z[f]log⁡(|y|)log⁡(|z|)

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