同時確率密度関数のベクトル,行列,行列式を用いた表記への変換1

このページの(30)と(31)の比較より

p x 1 , x 2 = h y 1 , y 2 ∂ y 1 , y 2 ∂ x 1 , x 2

このページの(15)の h y 1 , y 2 = 1 2 π e − 1 2 y 1 2 + y 2 2 を代入する.

= 1 2 π e − 1 2 y 1 2 + y 2 2 ∂ y 1 , y 2 ∂ x 1 , x 2

このページの(34)の ∂ y 1 , y 2 ∂ x 1 , x 2 = 1 A を代入する.

= 1 2 π e − 1 2 y 1 2 + y 2 2 ⋅ 1 A

= 1 2 π A e − 1 2 y 1 2 + y 2 2   ・・・・・・(1)

となる.

(1)をベクトル,行列,行列式を用いた表記に変換するには, y 1 2 + y 2 2 の部分を書き換えるとよい.

まず,下準備をする.

このページの(23)より

X = A Y + μ   ・・・・・・(2)

A Y = X − μ   ・・・・・・(3)

Y = A − 1 X − μ   ・・・・・・(4)

備考:このページの(43)より A = σ 1 2 σ 2 2 1− ρ 2 の関係がある. ρ=±1 のときは X 2 が X 1 の1次関数となって分布が直線上に退化し,同時確率密度関数が存在しない.密度関数を持つ分布を考えているので σ 1 >0 , σ 2 >0 , −1<ρ<1 が仮定され,このとき A = σ 1 2 σ 2 2 1− ρ 2 ≠0 となるから, A は正則であり逆行列が存在する.

が得られる.

確率ベクトル X = X 1 X 2 , Y = Y 1 Y 2 から実現値を成分にもつベクトル x = x 1 x 2 , y = y 1 y 2 に切り替えると

y = A − 1 x − μ   ・・・・・・(5)

となる.この(5)を用いて, y 1 2 + y 2 2 を以下のように書き換える.

y 1 2 + y 2 2 = y t y

= A − 1 X − μ t A − 1 X − μ

= X − μ t A − 1 t A − 1 X − μ

= X − μ t A t − 1 A − 1 X − μ

逆行列の性質 AB −1 = B −1 A −1 より

= X − μ t A A t − 1 X − μ   ・・・・・・(6)

(6)を(1)に代入する.そのとき, p x 1 , x 2 を p x に書き換える.

p x = 1 2 π A e − 1 2 x − μ t A A t − 1 x − μ   ・・・・・・(7)

となる.

X の分散共分散行列を求める.

Var X = E X − μ X − μ t

= E A Y A Y t

= E A Y Y t A t

E X の性質を用いて式変形をすると

=AE Y Y t A t

Y ∼ N 0 , I より, E Y = 0 , Var Y = I である.よって

E Y Y t = E Y − E Y Y − E Y t = Var Y = I

= A I A t

= A A t

A A t = Σ   ・・・・・・(8)

とおいているので

= Σ

したがって, Σ は確率ベクトル X の分散共分散行列になる.

A A t = Σ より,両辺の行列式をとる.

A A t = Σ

A B = A B の関係より

A A t = Σ

A = A t の関係より

A A = Σ

A 2 = Σ

A = Σ 1 2   ・・・・・・(9)

ただし, A は行列 A の行列式 A の絶対値

(8),(9)を(7)に代入すると

p x = 1 2 π Σ 1 2 e − 1 2 x − μ t Σ − 1 x − μ

が得られる.

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最終更新日: 2026年7月22日