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正態和分佈


令人驚訝的是,兩個正態分佈的獨立變數 XY 的和的分佈,其中均值和方差分別為 (mu_x,sigma_x^2)(mu_y,sigma_y^2),也是一個正態分佈

 P_(X+Y)(u)=1/(sqrt(2pi(sigma_x^2+sigma_y^2)))e^(-[u-(mu_x+mu_y)]^2/[2(sigma_x^2+sigma_y^2)]),
(1)

其均值為

 mu_(X+Y)=mu_x+mu_y
(2)

方差為

 sigma_(X+Y)^2=sigma_x^2+sigma_y^2.
(3)

透過歸納法,類似的結論也適用於 n正態分佈變數的和。

另一種推導方法是透過注意到

P_n(x)=F_t^(-1){[phi(t)]^n}(x)
(4)
=(e^(-(x-nmu)^2/(2nsigma^2)))/(sqrt(2pinsigma^2)),
(5)

其中 phi(t)特徵函式,而 F_t^(-1)[f](x) 是逆傅立葉變換,引數取為 a=b=1

更一般地,如果 x 服從正態分佈,均值 均值mu,方差 方差sigma^2,那麼 x 的線性函式

 y=ax+b,
(6)

也服從正態分佈。新的分佈的均值amu+b方差a^2sigma^2,這可以使用矩生成函式推導得出

M(t)=<e^(t(ax+b))>
(7)
=e^(tb)<e^(atx)>
(8)
=e^(tb)e^(muat+sigma^2(at)^2/2)
(9)
=e^(tb+muat+sigma^2a^2t^2/2)
(10)
=e^((b+amu)t+a^2sigma^2t^2/2),
(11)

其為標準形式,其中

mu^'=b+mua
(12)
sigma^('2)=a^2sigma^2.
(13)

對於獨立變數的加權和

 y=sum_(i=1)^na_ix_i,
(14)

期望值由下式給出

M(t)=<e^(yt)>
(15)
=<exp(tsum_(i=1)^(n)a_ix_i)>
(16)
=<e^(a_1tx_1)e^(a_2tx_2)...e^(a_ntx_n)>
(17)
=product_(i=1)^(n)<e^(a_itx_i)>
(18)
=product_(i=1)^(n)exp(a_imu_it+1/2a_i^2sigma_i^2t^2).
(19)

令其等於

 exp(mut+1/2sigma^2t^2)
(20)

得到

mu=sum_(i=1)^(n)a_imu_i
(21)
sigma^2=sum_(i=1)^(n)a_i^2sigma_i^2.
(22)

因此,n隨機變數的加權和的均值方差是它們的加權和。

如果 x_i獨立的且服從正態分佈均值為 0,方差sigma^2,定義

 y_i=sum_(j)c_(ij)x_j,
(23)

其中 c 服從正交條件

 c_(ik)c_(jk)=delta_(ij),
(24)

其中 delta_(ij)克羅內克 delta。那麼 y_i 也是獨立的且服從正態分佈,均值為 0,方差sigma^2

Cramer 在 1936 年證明了這個結果的逆定理,即如果 XY獨立的變數,並且 X+Y 服從正態分佈,那麼 XY 都必須是正態分佈。這個結果被稱為Cramer 定理


另請參閱

Cramer 定理, 正態差分佈, 正態分佈, 正態積分佈, 正態比分佈

使用 探索

請引用為

Weisstein, Eric W. "正態和分佈." 來自 Web 資源. https://mathworld.tw/NormalSumDistribution.html

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