二変量正規分布の期待値・分散・共分散の導出

公開日:

【2023年4月2週】 【B000】数理統計学 【B050】多次元確率分布

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本稿では、モーメント母関数を用いる方法で、二変量正規分布の期待値と分散、共分散を導出しています。

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【公式】二変量正規分布の期待値・分散・共分散

【公式】
二変量正規分布の期待値・分散・共分散
Expected Value, Variance and Covariance of Bivariate Normal Distribution

二変量正規分布 MN(μ,Σ) の期待値、分散、共分散、相関係数は、 E(X)=μXE(Y)=μYV(X)=σX2V(Y)=σY2Cov(X,Y)=ρσXσYρ(X,Y)=ρ で与えられる。

導出法:モーメント母関数を用いる方法

導出

(i)期待値
二変量正規分布のモーメント母関数の公式より、 MX,Y(θ)=exp{θ1μX+θ2μY+12(θ12σX2+2ρθ1θ2σXσY+θ22σY2)} モーメント母関数の θ1 による1階微分を求めると、合成関数の微分法より、 θ1MX,Y(θ)=MX,Y(θ)θ1{θ1μX+θ2μY+12(θ12σX2+2ρθ1θ2σXσY+θ22σY2)}=(μX+θ1σX2+ρθ2σXσY)exp{θ1μX+θ2μY+12(θ12σX2+2ρθ1θ2σXσY+θ22σY2)} 1次モーメントとモーメント母関数の関係 θ1MX,Y(0)=E(X) より、 E(X)=(μX+0+0)exp{0+0+12(0+0+0)}=μX

(ii)分散
モーメント母関数の θ1 による2階微分を求めると、積の微分公式合成関数の微分法より、 2θ12MX,Y(θ)=MX,Y(θ)θ1(μX+θ1σX2+ρθ2σXσY)+(μX+θ1σX2+ρθ2σXσY)θ1MX,Y(θ)=MX,Y(θ)σX2+(μX+ρθ2σXσY+2θ1σY2)θ1MX,Y(θ) 2次モーメントとモーメント母関数の関係 2θ12MX,Y(0)=E(X2) より、 E(X2)=exp{0+0+12(0+0+0)}σX2+(μX+0+0)μX=μX2+σX2 分散の公式 V(X)=E(X2){E(X)}2 より、 V(X)=μX2+σX2μX2=σX2

(iii)共分散
モーメント母関数を θ1,θ2 で1回ずつ微分すると、合成関数の微分法より、 2θ1θ2MX,Y(θ)=MX,Y(θ)θ2(μX+θ1σX2+ρθ2σXσY)+(μX+θ1σX2+ρθ2σXσY)θ2MX,Y(θ)=MX,Y(θ)(ρσXσY)+(μX+θ1σX2+ρθ2σXσY)(μY+ρθ1σXσY+θ2σY2)MX,Y(θ)=MX,Y(θ){ρσXσY+(μX+θ1σX2+ρθ2σXσY)(μY+ρθ1σXσY+θ2σY2)} 積の期待値とモーメント母関数の関係 2θ1θ2MX,Y(0)=E(XY) より、 E(XY)=exp{0+0+12(0+0+0)}{ρσXσY+(μX+0+0)(μY+0+0)}=ρσXσY+μXμY 共分散の公式 Cov(X,Y)=E(XY)E(X)E(Y) より、 Cov(X,Y)=ρσXσY+μXμYμXμY=ρσXσY 相関係数の定義式 ρXY=Cov(X,Y)σXσY より、 ρXY=ρσXσYσXσY=ρ

参考文献

  • 野田 一雄, 宮岡 悦良 著. 入門・演習数理統計. 共立出版, 1990, p.156-157
  • 黒木 学 著. 数理統計学:統計的推論の基礎. 共立出版, 2020, p.104

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大学時代に読書の面白さに気づいて以来、読書や勉強を通じて、興味をもったことや新しいことを学ぶことが生きる原動力。そんな人間が、その時々に学んだことを備忘録兼人生の軌跡として記録しているブログです。

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