第2講 確率分布

多変量正規分布

2 変数の場合

2変量正規分布は,

fX,Y(x,y)=12πσXσY1ρ2exp[12(1ρ2){(xμX)2σX22ρ(xμX)(yμY)σXσY+(yμY)2σY2}]
ただし,
ρ=σXYσXσY
これを周辺化して,fX(x) を求めると,
fX(x)=fX,Y(x,y)dy=12πσXexp[(xμX)22σX2]12π(1ρ2)σY2exp[12(1ρ2)σY2{yμYρσYσX(xμX)}2]dy=12πσXexp[(xμX)22σX2]
よって,
XN(μX,σX2)
同様すれば,
YN(μY,σY2)
u=xμXσX, v=yμYσY とおくと,
x=μX+σXu
y=μY+σYv
|xuxvyuyv|=|σX00σY|=σXσY
であるから,
Cov[X,Y]=(xμX)(yμY)12πσXσY1ρ2exp[12(1ρ2){(xμX)2σX22ρ(xμX)(yμY)σXσY+(yμY)2σY2}]dxdy=σXuσYv12πσXσY1ρ2exp[12(1ρ2){u22ρuv+v2}]σXσYdudv=σXσYuv12π1ρ2exp[12(1ρ2){u2(ρu)2+(ρu)22ρuv+v2}]dudv=σXσYuv12π1ρ2exp[12(1ρ2){(1ρ2)u2+(vρu)2}]dudv=σXσYu12πexp[u22]{v12π1ρ2exp[(vρu)22(1ρ2)]dv}dv=σXσYu12πexp[u22]ρudv=σXσYρu212πexp[u22]dv=σXσYρ
よって,
rXY=Cov[X,Y]V[X]V[Y]=σXσYρσXσY=ρ
x が与えられたときの y の条件付き密度関数を求めると,
fYX(x)=fX,Y(x,y)fX(x)=12π(σY1ρ2)exp[12(σY1ρ2)2{y(μY+σYσXρ(xμX))}2]
よって,
YX    N(μY+σYσXρ(XμX), σY2(1ρ2))
または,
YX  N(μY+σXYσX2(XμX), σY2σXY2σX2)

補足1: p 変数の場合

f(x;μ,Σ)=(12π)pΣ12exp[12(xμ)Σ1(xμ)]