수리통계 5강 - 특수한 기댓값

Mark·2022년 3월 30일
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수리통계학

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1.9 Some Special Expectation

E(Xk)E(X^k): k-th moment
μ=E(X):mean\mu = E(X): mean
σ2:=E(Xμ)2:variance\sigma^2 := E{(X-\mu)^2}: variance

E(Xμ)kE{(X-\mu)^k}: k-th central moment

Def 1.9.3(적률 생성 함수)

Moment generating function Mx(t)M_x(t)
X:r.v.X: r.v.
Mx(t):=E[etx]M_x(t) := E[e^{tx}]     t<h,h>0\ \ \ \ \left | t \right | < h, h>0

=etxf(x)dx  (continuous condition)= \int_{-\infin}^{\infin}e^{tx}f(x)dx\ \ (continuous\ condition)

Thm 1.9.1(uniqueness of mgf)

Mx(t)M_x(t): mgf of r.v. X
My(t)M_y(t): mgf of r.v. Y

FX(t)=FY(t)t<==>MX(t)=MY(t)F_X(t) = F_Y(t) \forall t <==> M_X(t) = M_Y(t)
--> 어떤 확률분포에 대해 mgf는 하나만 존재한다. (존재한다는 전제 하에)

Taylor Expansion을 이용한 특수한 경우

As a special case, 아래와 같이 테일러급수를 표현할 수 있다.

(i) f(x)=j=0kf(y)(x0)j!(xx0)j+f(k+1)(ξ)(k+1)!(xx0)k+1, (ξ:between x and x0)f(x) = \sum_{j = 0}^k {f^{(y)}(x_0) \over j!}(x-x_0)^j + {f^{(k+1)}(\xi) \over (k+1)!}(x-x_0)^{k+1},\ (\xi: between\ x\ and\ x_0)

여기서 summation기호가 붙지 않은 두번째 항을 remainder term(negligible term)이라고 한다.
이 remainder 항은 xxx0x_0이 충분히 가까울 때, 즉 두 수의 차가 0<xx0<10<x-x_0<1일때, k차 이상의 값들이 매우 작은 값으로 수렴하므로 무시할 수 있는 항으로 취급한다.

(ii) f:RdR1f: R^d \to R^1 x=x0x=x_0에서 미분 가능
f(x)=f(x0)+f(x0)T(xx0)+12!(xx0)TH(xx0)+Rnwheref(x)=f(x)x=[f(x)x1f(x)xd]f(x) = f(x_0) + \nabla f(x_0)^T(x-x_0) + {1 \over 2!}(x-x_0)^TH(x-x_0) + R_n\\ where \\ \nabla f(x)= {\partial f(x) \over \partial x} = \begin{bmatrix}{\partial f(x) \over \partial x_1}\\\cdot\\\cdot\\\cdot\\{\partial f(x) \over \partial x_d}\end{bmatrix}

H(hessian matrix)=2f(x)xxt=[2f(x)x122f(x)x1xd2f(x)xd2]H(hessian\ matrix)= {\partial^2 f(x) \over \partial x \partial x^t} = \begin{bmatrix}{\partial^2 f(x) \over \partial x_1^2} & \cdot\cdot\cdot & \partial^2 f(x) \over \partial x_1 \partial x_d\\ \cdot\\\cdot\\\cdot\\{\partial^2 f(x) \over \partial x_d^2}\end{bmatrix}

Remark 1.9.1(mgf가 존재하지 않는 예)

Mgf may not exist

X:r.v. with pdf f(x)=X2I(x>1)X: r.v.\ with\ pdf\ f(x) = X^{-2}I(x>1)

MX(t)=1etxx2dx=limb1b(1+tx+t2x22+)x2dxM_X(t) = \int_1^{\infin}e^{tx}x^{-2}dx = lim_{b \to \infin} \int_1^b(1+tx+{t^2x^2 \over 2} + \cdot\cdot\cdot)x^{-2}dx --> 3차항부터 x가 살아있으며, 이것이 무한대로 발산하므로 적분이 불가능하다.

moment 생성의 의미는?

MX(t)=E[etx]=E[1+tx+t2x22!+]=1+tE(X)+t22E(X2)+=1+μt+μ22t2+<== μk=E(Xk)Mx(t)t=μ+μ2t+==>Mx(0)=μ==>MX(0)=μ2M_X(t) = E[e^{tx}]\\ = E[1+tx+{t^2x^2\over 2!} + \cdot\cdot\cdot]\\ = 1 + tE(X) + {t^2 \over 2} E(X^2) + \cdot\cdot\cdot\\ = 1 + \mu t + {\mu_2\over2}t^2 + \cdot\cdot\cdot <==\ \mu_k = E(X^k)\\ {\partial M_x(t)\over \partial t} = \mu + \mu_2t + \cdot\cdot\cdot \\ ==> M'_x(0) = \mu\\ ==> M''_X(0) = \mu_2

In general, Mx(k)(0)=μk, k=1,2,M_x^{(k)}(0) = \mu_k,\ k=1,2,\cdot\cdot\cdot
i.e MX(t)=j=0μjj!tjM_X(t) = \sum_{j=0}^\infin {\mu_j \over j!}t^j: power series expansion

(4) Characteristic function

  • 특성함수로, 어떠한 함수라도 존재한다.

    ψX(t):=E[eitx]\psi_X(t) := E[e^{itx}]

    eiθ=cos(θ)+isin(θ)e^{i\theta} = cos(\theta) + i*sin(\theta)
    i.e. ψX(t)=E[cos(tx)+isin(tx)]\psi_X(t) = E[cos(tx) + i*sin(tx)]
    claim: 특성함수는 항상 존재한다.(증명을 위해선 적분의 절댓값이 절댓값의 적분보다 작거나 같다라는 것과, a2+b2\sqrt{a^2 + b^2}가 복소수 a+bi임을 알아야 한다.)

(5) cgf(cumulant generating function)

ψX(t):=logMX(t)\psi_X(t) := logM_X(t) cgf of r.v. X

MX(t)=j=0μjj!tiM_X(t) = \sum_{j=0}^{\infin}{\mu_j\over j!}t^i: power series : μj\mu_j = jthj-th moment
-> log를 취하더라도 미분가능하므로 똑같이 써줄 수 있다.
ψX(t)=j=0kjj!ti\psi_X(t) = \sum_{j=0}^{\infin}{k_j\over j!}t^i: power series : kj:jthk_j: j-th cumulant

Relationship between moments and cumulants

ψ(t)=k0+k1+k22t2+k36t3=log(MX(t))=log(1+μt+μ22t2+μ36t3=log(1+x(x는 t를 포함한 모든 나머지항들)=log(1+x)=xx22+x33x44+=j=1(1)j1xj=(μt+μ22t2+μ36t3)12(μt+μ22t2+μ36t3)2+\psi(t) = k_0 + k_1 + {k_2 \over 2} t^2 + {k_3 \over 6} t^3\\ = log(M_X(t))\\ = log(1+\mu t + {\mu_2 \over 2} t^2 + {\mu_3 \over 6} t^3\cdot\cdot\cdot\\ = log(1+x(x는\ t를\ 포함한\ 모든\ 나머지항들) \\ = log(1+x) = x - {x^2 \over 2}+{x^3 \over 3}-{x^4 \over 4}+\cdot\cdot\cdot = \sum_{j=1}^{\infin}(-1)^{j-1}x^j\\ = (\mu t + {\mu_2 \over 2} t^2 + {\mu_3 \over 6} t^3\cdot\cdot\cdot) -{1 \over2}(\mu t + {\mu_2 \over 2} t^2 + {\mu_3 \over 6} t^3\cdot\cdot\cdot)^2 + \cdot\cdot\cdot
= 맨 첫 식과 같은 다항식이므로 모든 계수가 일치해야함.
==> k0=0,k1=μ,k2=μ2μ2,k3=μ33μ2μ1+2μ3k_0 = 0, k_1 = \mu, k_2 = \mu_2-\mu^2, k_3 = \mu_3 - 3\mu_2\mu_1+2\mu^3
==>
k_i -> ith moment

(6) skewness and kurtosis

ρ3=E[(Xμ)3]/σ3\rho_3 = E[(X-\mu)^3]/\sigma^3 : skewness(왜도)
ρ4=E[(Xμ)4]/σ43(3optionalforstandard)\rho_4 = E[(X-\mu)^4]/\sigma^4 -3(-3은 optional for standard) : kurtosis(첨도)

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