1 Gamma 分布と Beta 分布
定義 1.1. a > 0 a>0 a > 0 とb > 0 b>0 b > 0 に対して、密度
g a , b ( x ) = b a Γ ( a ) x a − 1 e − b x 1 ( 0 , ∞ ) ( x ) g_{a,b}(x)=\frac{b^a}{\Gamma(a)}x^{a-1}e^{-bx}\mathbf 1_{(0,\infty)}(x) g a , b ( x ) = Γ ( a ) b a x a − 1 e − b x 1 ( 0 , ∞ ) ( x ) をもつ確率分布を、shapea a a 、rateb b b の Gamma 分布 (Gamma distribution ) といい、Gamma ( a , b ) \operatorname{Gamma}(a,b) Gamma ( a , b ) と書く。
証明. §E4.15 命題 1.2 によりΓ ( a ) \Gamma(a) Γ ( a ) は有限で正である。変数変換u = b x u=bx u = b x と§E4.15 命題 1.2 を用いると
∫ 0 ∞ b a Γ ( a ) x a − 1 e − b x d x = 1 Γ ( a ) ∫ 0 ∞ u a − 1 e − u d u = 1 \int_0^\infty \frac{b^a}{\Gamma(a)}x^{a-1}e^{-bx}\,dx
=\frac1{\Gamma(a)}\int_0^\infty u^{a-1}e^{-u}\,du=1 ∫ 0 ∞ Γ ( a ) b a x a − 1 e − b x d x = Γ ( a ) 1 ∫ 0 ∞ u a − 1 e − u d u = 1 を得る。非負な連続関数の広義積分と Lebesgue 積分の一致は、有限区間上の一致と単調収束定理§E9.7 定理 1.1 から従う。したがって表示した関数は確率密度である。▨
定義 1.2. a > 0 a>0 a > 0 とb > 0 b>0 b > 0 に対して、密度
h a , b ( x ) = x a − 1 ( 1 − x ) b − 1 B ( a , b ) 1 ( 0 , 1 ) ( x ) h_{a,b}(x)=\frac{x^{a-1}(1-x)^{b-1}}{B(a,b)}\mathbf 1_{(0,1)}(x) h a , b ( x ) = B ( a , b ) x a − 1 ( 1 − x ) b − 1 1 ( 0 , 1 ) ( x ) をもつ確率分布を Beta 分布 (Beta distribution )Beta ( a , b ) \operatorname{Beta}(a,b) Beta ( a , b ) という。
証明. §E4.16 命題 1.2 によりB ( a , b ) B(a,b) B ( a , b ) は有限で正であり、密度の全質量は Beta 関数の定義から1 1 1 である。広義積分と Lebesgue 積分の一致は定義 1.1 の証明と同じ単調収束定理から従う。▨
命題 1.3. X ∼ Gamma ( a , b ) X\sim\operatorname{Gamma}(a,b) X ∼ Gamma ( a , b ) とし、q ∈ R q\in\R q ∈ R とする。このときE [ X q ] E[X^q] E [ X q ] が有限であるための必要十分条件はq > − a q>-a q > − a であり、この条件のもとで
E [ X q ] = b − q Γ ( a + q ) Γ ( a ) E[X^q]=b^{-q}\frac{\Gamma(a+q)}{\Gamma(a)} E [ X q ] = b − q Γ ( a ) Γ ( a + q ) が成り立つ。特に
E [ X ] = a b , Var ( X ) = a b 2 E[X]=\frac ab,\qquad \operatorname{Var}(X)=\frac a{b^2} E [ X ] = b a , Var ( X ) = b 2 a である。
証明. X > 0 X>0 X > 0 がほとんど確実に成り立つから、X q X^q X q は非負である。密度にx q x^q x q を掛け、u = b x u=bx u = b x と変数変換すると
E [ X q ] = b a Γ ( a ) ∫ 0 ∞ x a + q − 1 e − b x d x = b − q 1 Γ ( a ) ∫ 0 ∞ u a + q − 1 e − u d u . E[X^q]=\frac{b^a}{\Gamma(a)}\int_0^\infty x^{a+q-1}e^{-bx}\,dx
=b^{-q}\frac1{\Gamma(a)}\int_0^\infty u^{a+q-1}e^{-u}\,du. E [ X q ] = Γ ( a ) b a ∫ 0 ∞ x a + q − 1 e − b x d x = b − q Γ ( a ) 1 ∫ 0 ∞ u a + q − 1 e − u d u . §E4.15 命題 1.2 と零の近傍における冪積分の判定により、最後の積分が有限であるための必要十分条件はa + q > 0 a+q>0 a + q > 0 である。q = 1 , 2 q=1,2 q = 1 , 2 の式と Gamma 関数の関数方程式§E4.15 命題 3.1 から
E [ X ] = a b , E [ X 2 ] = a ( a + 1 ) b 2 E[X]=\frac ab,\qquad E[X^2]=\frac{a(a+1)}{b^2} E [ X ] = b a , E [ X 2 ] = b 2 a ( a + 1 ) を得るので、分散はa / b 2 a/b^2 a / b 2 である。▨
命題 1.4. X ∼ Beta ( a , b ) X\sim\operatorname{Beta}(a,b) X ∼ Beta ( a , b ) とし、q ∈ R q\in\R q ∈ R とする。このときE [ X q ] E[X^q] E [ X q ] が有限であるための必要十分条件はq > − a q>-a q > − a であり、この条件のもとで
E [ X q ] = B ( a + q , b ) B ( a , b ) E[X^q]=\frac{B(a+q,b)}{B(a,b)} E [ X q ] = B ( a , b ) B ( a + q , b ) が成り立つ。特に
E [ X ] = a a + b , Var ( X ) = a b ( a + b ) 2 ( a + b + 1 ) E[X]=\frac a{a+b},\qquad
\operatorname{Var}(X)=\frac{ab}{(a+b)^2(a+b+1)} E [ X ] = a + b a , Var ( X ) = ( a + b ) 2 ( a + b + 1 ) ab である。
証明. X ∈ ( 0 , 1 ) X\in(0,1) X ∈ ( 0 , 1 ) がほとんど確実に成り立つ。密度にx q x^q x q を掛けると
E [ X q ] = 1 B ( a , b ) ∫ 0 1 x a + q − 1 ( 1 − x ) b − 1 d x . E[X^q]=\frac1{B(a,b)}\int_0^1x^{a+q-1}(1-x)^{b-1}\,dx. E [ X q ] = B ( a , b ) 1 ∫ 0 1 x a + q − 1 ( 1 − x ) b − 1 d x . §E4.16 命題 1.2 により、この積分が有限であるための必要十分条件はa + q > 0 a+q>0 a + q > 0 とb > 0 b>0 b > 0 であり、有限な場合の値はB ( a + q , b ) / B ( a , b ) B(a+q,b)/B(a,b) B ( a + q , b ) / B ( a , b ) である。§E4.16 定理 2.1 と§E4.15 命題 3.1 をq = 1 , 2 q=1,2 q = 1 , 2 に用いると
E [ X ] = a a + b , E [ X 2 ] = a ( a + 1 ) ( a + b ) ( a + b + 1 ) E[X]=\frac a{a+b},\qquad E[X^2]=\frac{a(a+1)}{(a+b)(a+b+1)} E [ X ] = a + b a , E [ X 2 ] = ( a + b ) ( a + b + 1 ) a ( a + 1 ) を得る。第二式から第一式の二乗を引けば表示した分散になる。▨
定理 1.5. X ∼ Gamma ( a , r ) X\sim\operatorname{Gamma}(a,r) X ∼ Gamma ( a , r ) とY ∼ Gamma ( b , r ) Y\sim\operatorname{Gamma}(b,r) Y ∼ Gamma ( b , r ) を独立とし、a , b , r > 0 a,b,r>0 a , b , r > 0 とする。このとき
S = X + Y , R = X X + Y S=X+Y,\qquad R=\frac{X}{X+Y} S = X + Y , R = X + Y X は独立であり、
S ∼ Gamma ( a + b , r ) , R ∼ Beta ( a , b ) S\sim\operatorname{Gamma}(a+b,r),\qquad R\sim\operatorname{Beta}(a,b) S ∼ Gamma ( a + b , r ) , R ∼ Beta ( a , b ) が成り立つ。
証明. 独立性により( X , Y ) (X,Y) ( X , Y ) の同時密度は( 0 , ∞ ) 2 (0,\infty)^2 ( 0 , ∞ ) 2 上で
r a + b Γ ( a ) Γ ( b ) x a − 1 y b − 1 e − r ( x + y ) \frac{r^{a+b}}{\Gamma(a)\Gamma(b)}x^{a-1}y^{b-1}e^{-r(x+y)} Γ ( a ) Γ ( b ) r a + b x a − 1 y b − 1 e − r ( x + y ) である。写像( x , y ) ↦ ( s , u ) = ( x + y , x / ( x + y ) ) (x,y)\mapsto(s,u)=(x+y,x/(x+y)) ( x , y ) ↦ ( s , u ) = ( x + y , x / ( x + y )) は( 0 , ∞ ) 2 (0,\infty)^2 ( 0 , ∞ ) 2 から( 0 , ∞ ) × ( 0 , 1 ) (0,\infty)\times(0,1) ( 0 , ∞ ) × ( 0 , 1 ) への微分同相であり、逆写像は
x = s u , y = s ( 1 − u ) x=su,\qquad y=s(1-u) x = s u , y = s ( 1 − u ) である。この逆写像の Jacobi 行列式の絶対値はs s s である。多変数の密度変換§E11.8 定理 5.1 により、( S , R ) (S,R) ( S , R ) の同時密度は
r a + b Γ ( a ) Γ ( b ) s a + b − 1 e − r s u a − 1 ( 1 − u ) b − 1 \frac{r^{a+b}}{\Gamma(a)\Gamma(b)}
s^{a+b-1}e^{-rs}u^{a-1}(1-u)^{b-1} Γ ( a ) Γ ( b ) r a + b s a + b − 1 e − r s u a − 1 ( 1 − u ) b − 1 となる。Beta–Gamma 関係式§E4.16 定理 2.1 を用いると、この密度は
( r a + b Γ ( a + b ) s a + b − 1 e − r s ) ( u a − 1 ( 1 − u ) b − 1 B ( a , b ) ) \left(\frac{r^{a+b}}{\Gamma(a+b)}s^{a+b-1}e^{-rs}\right)
\left(\frac{u^{a-1}(1-u)^{b-1}}{B(a,b)}\right) ( Γ ( a + b ) r a + b s a + b − 1 e − r s ) ( B ( a , b ) u a − 1 ( 1 − u ) b − 1 ) と因数分解される。二つの因子はそれぞれ確率密度であるから、S S S とR R R は独立であり、表示した分布に従う。▨
系 1.6. X 1 , … , X ℓ X_1,\ldots,X_\ell X 1 , … , X ℓ が独立で、X j ∼ Gamma ( a j , r ) X_j\sim\operatorname{Gamma}(a_j,r) X j ∼ Gamma ( a j , r ) 、a j , r > 0 a_j,r>0 a j , r > 0 ならば
∑ j = 1 ℓ X j ∼ Gamma ( ∑ j = 1 ℓ a j , r ) \sum_{j=1}^\ell X_j\sim\operatorname{Gamma}\!\left(\sum_{j=1}^\ell a_j,r\right) j = 1 ∑ ℓ X j ∼ Gamma ( j = 1 ∑ ℓ a j , r ) である。
証明. ℓ = 1 \ell=1 ℓ = 1 の場合は仮定そのものである。ℓ − 1 \ell-1 ℓ − 1 個について結論が成り立つと仮定すると、和X 1 + ⋯ + X ℓ − 1 X_1+\cdots+X_{\ell-1} X 1 + ⋯ + X ℓ − 1 はX ℓ X_\ell X ℓ と独立である。定理 1.5 をこの二変数へ適用すればℓ \ell ℓ 個についての結論を得る。▨
2 カイ二乗分布・t 分布・F 分布
補題 2.1. Z ∼ N ( 0 , 1 ) Z\sim N(0,1) Z ∼ N ( 0 , 1 ) ならば
Z 2 ∼ Gamma ( 1 2 , 1 2 ) Z^2\sim\operatorname{Gamma}\!\left(\frac12,\frac12\right) Z 2 ∼ Gamma ( 2 1 , 2 1 ) である。
証明. §E11.8 例 4.2 により、Z 2 Z^2 Z 2 の密度はx > 0 x>0 x > 0 で
x − 1 / 2 e − x / 2 2 π \frac{x^{-1/2}e^{-x/2}}{\sqrt{2\pi}} 2 π x − 1/2 e − x /2 であり、x ≤ 0 x\leq0 x ≤ 0 では零である。Γ ( 1 / 2 ) = π \Gamma(1/2)=\sqrt\pi Γ ( 1/2 ) = π は§E4.15 命題 4.1 により成り立つから、この密度はGamma ( 1 / 2 , 1 / 2 ) \operatorname{Gamma}(1/2,1/2) Gamma ( 1/2 , 1/2 ) の密度に一致する。▨
定義 2.2. k , m , n ∈ N ≥ 1 k,m,n\in\NN k , m , n ∈ N ≥ 1 とする。
Z 1 , … , Z k Z_1,\dots,Z_k Z 1 , … , Z k が独立な標準正規変数であるとき、二乗和∑ i = 1 k Z i 2 \sum_{i=1}^k Z_i^2 ∑ i = 1 k Z i 2 の従う分布を 自由度k k k のカイ二乗分布 (chi-square distribution with k degrees of freedom )χ k 2 \chi^2_k χ k 2 という。この分布は平均k k k 、分散2 k 2k 2 k をもつ。
Z ∼ N ( 0 , 1 ) Z\sim N(0,1) Z ∼ N ( 0 , 1 ) とV ∼ χ k 2 V\sim\chi^2_k V ∼ χ k 2 が独立であるとき、Z / V / k Z/\sqrt{V/k} Z / V / k の従う分布を 自由度k k k のt t t 分布 (Student's t-distribution with k degrees of freedom )t k t_k t k という。
U ∼ χ m 2 U\sim\chi^2_m U ∼ χ m 2 とV ∼ χ n 2 V\sim\chi^2_n V ∼ χ n 2 が独立であるとき、( U / m ) / ( V / n ) (U/m)/(V/n) ( U / m ) / ( V / n ) の従う分布を 自由度( m , n ) (m,n) ( m , n ) のF F F 分布 (F-distribution with (m, n) degrees of freedom )F m , n F_{m,n} F m , n という。
証明. 補題 2.1 と系 1.6 により
∑ i = 1 k Z i 2 ∼ Gamma ( k 2 , 1 2 ) . \sum_{i=1}^kZ_i^2\sim\operatorname{Gamma}\!\left(\frac k2,\frac12\right). i = 1 ∑ k Z i 2 ∼ Gamma ( 2 k , 2 1 ) . 命題 1.3 を適用すると、この分布の平均はk k k 、分散は2 k 2k 2 k である。また Gamma 分布は正の実数だけに値をとるので、V > 0 V>0 V > 0 がほとんど確実に成り立ち、第二項と第三項の比はほとんど確実に定義される。▨
定理 2.3. k , m , n ∈ N ≥ 1 k,m,n\in\NN k , m , n ∈ N ≥ 1 とする。χ k 2 \chi^2_k χ k 2 、t k t_k t k 、F m , n F_{m,n} F m , n はそれぞれ次の密度をもつ。
f χ k 2 ( x ) = x k / 2 − 1 e − x / 2 2 k / 2 Γ ( k / 2 ) 1 ( 0 , ∞ ) ( x ) , f t k ( x ) = Γ ( ( k + 1 ) / 2 ) k π Γ ( k / 2 ) ( 1 + x 2 k ) − ( k + 1 ) / 2 , f F m , n ( x ) = ( m / n ) m / 2 B ( m / 2 , n / 2 ) x m / 2 − 1 ( 1 + m n x ) − ( m + n ) / 2 1 ( 0 , ∞ ) ( x ) . \begin{aligned}
f_{\chi^2_k}(x)
&=\frac{x^{k/2-1}e^{-x/2}}{2^{k/2}\Gamma(k/2)}\mathbf1_{(0,\infty)}(x),\\
f_{t_k}(x)
&=\frac{\Gamma((k+1)/2)}{\sqrt{k\pi}\,\Gamma(k/2)}
\left(1+\frac{x^2}{k}\right)^{-(k+1)/2},\\
f_{F_{m,n}}(x)
&=\frac{(m/n)^{m/2}}{B(m/2,n/2)}x^{m/2-1}
\left(1+\frac mnx\right)^{-(m+n)/2}\mathbf1_{(0,\infty)}(x).
\end{aligned} f χ k 2 ( x ) f t k ( x ) f F m , n ( x ) = 2 k /2 Γ ( k /2 ) x k /2 − 1 e − x /2 1 ( 0 , ∞ ) ( x ) , = k π Γ ( k /2 ) Γ (( k + 1 ) /2 ) ( 1 + k x 2 ) − ( k + 1 ) /2 , = B ( m /2 , n /2 ) ( m / n ) m /2 x m /2 − 1 ( 1 + n m x ) − ( m + n ) /2 1 ( 0 , ∞ ) ( x ) . 特にχ k 2 \chi^2_k χ k 2 とF m , n F_{m,n} F m , n はほとんど確実に正の値をとり、その密度は( 0 , ∞ ) (0,\infty) ( 0 , ∞ ) 上で正である。両分布の位相的な支持は[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) であり、t k t_k t k の支持はR \R R である。t k t_k t k の密度は偶関数であるため、t k t_k t k は原点について対称である。
証明. カイ二乗分布の密度は、定義 2.2 の証明で得たGamma ( k / 2 , 1 / 2 ) \operatorname{Gamma}(k/2,1/2) Gamma ( k /2 , 1/2 ) の密度である。
Z ∼ N ( 0 , 1 ) Z\sim N(0,1) Z ∼ N ( 0 , 1 ) とV ∼ χ k 2 V\sim\chi^2_k V ∼ χ k 2 を独立とし、T = Z / V / k T=Z/\sqrt{V/k} T = Z / V / k とおく。( Z , V ) (Z,V) ( Z , V ) の同時密度へ変換( z , v ) = ( t v / k , v ) (z,v)=(t\sqrt{v/k},v) ( z , v ) = ( t v / k , v ) を施す。Jacobi 行列式の絶対値はv / k \sqrt{v/k} v / k であるから、§E11.8 定理 5.1 によりT T T の密度は
f T ( t ) = ∫ 0 ∞ e − t 2 v / ( 2 k ) 2 π v k / 2 − 1 e − v / 2 2 k / 2 Γ ( k / 2 ) v k d v = 1 k π Γ ( k / 2 ) ( 1 + t 2 k ) − ( k + 1 ) / 2 ∫ 0 ∞ u ( k + 1 ) / 2 − 1 e − u d u = Γ ( ( k + 1 ) / 2 ) k π Γ ( k / 2 ) ( 1 + t 2 k ) − ( k + 1 ) / 2 , \begin{aligned}
f_T(t)
&=\int_0^\infty
\frac{e^{-t^2v/(2k)}}{\sqrt{2\pi}}
\frac{v^{k/2-1}e^{-v/2}}{2^{k/2}\Gamma(k/2)}
\sqrt{\frac vk}\,dv\\
&=\frac1{\sqrt{k\pi}\,\Gamma(k/2)}
\left(1+\frac{t^2}{k}\right)^{-(k+1)/2}
\int_0^\infty u^{(k+1)/2-1}e^{-u}\,du\\
&=\frac{\Gamma((k+1)/2)}{\sqrt{k\pi}\,\Gamma(k/2)}
\left(1+\frac{t^2}{k}\right)^{-(k+1)/2},
\end{aligned} f T ( t ) = ∫ 0 ∞ 2 π e − t 2 v / ( 2 k ) 2 k /2 Γ ( k /2 ) v k /2 − 1 e − v /2 k v d v = k π Γ ( k /2 ) 1 ( 1 + k t 2 ) − ( k + 1 ) /2 ∫ 0 ∞ u ( k + 1 ) /2 − 1 e − u d u = k π Γ ( k /2 ) Γ (( k + 1 ) /2 ) ( 1 + k t 2 ) − ( k + 1 ) /2 , ここで第二の等号ではu = ( 1 + t 2 / k ) v / 2 u=(1+t^2/k)v/2 u = ( 1 + t 2 / k ) v /2 と変数変換した。この式はt t t の偶関数であり、すべてのt ∈ R t\in\R t ∈ R で正である。
U ∼ χ m 2 U\sim\chi^2_m U ∼ χ m 2 とV ∼ χ n 2 V\sim\chi^2_n V ∼ χ n 2 を独立とする。定義 2.2 の証明により、U U U とV V V は共通の rate1 / 2 1/2 1/2 をもつ Gamma 変数である。定理 1.5 から
R = U U + V ∼ Beta ( m 2 , n 2 ) R=\frac U{U+V}\sim\operatorname{Beta}\!\left(\frac m2,\frac n2\right) R = U + V U ∼ Beta ( 2 m , 2 n ) を得る。W = ( U / m ) / ( V / n ) W=(U/m)/(V/n) W = ( U / m ) / ( V / n ) とすると
W = n m R 1 − R , R = m W n + m W . W=\frac nm\frac R{1-R},\qquad R=\frac{mW}{n+mW}. W = m n 1 − R R , R = n + mW mW . 右辺の導関数はm n / ( n + m w ) 2 mn/(n+mw)^2 mn / ( n + m w ) 2 である。単調な密度変換§E11.8 定理 3.1 と Beta 密度を用いて整理すると、表示したF m , n F_{m,n} F m , n の密度を得る。この密度はすべてのw > 0 w>0 w > 0 で正である。▨
命題 2.4. D D D をχ k 2 \chi^2_k χ k 2 、t k t_k t k 、F m , n F_{m,n} F m , n のいずれかとし、その分布関数をG D G_D G D とする。G D G_D G D はD D D の支持上で連続かつ狭義単調増加である。任意のp ∈ ( 0 , 1 ) p\in(0,1) p ∈ ( 0 , 1 ) に対して
G D ( q D ( p ) ) = p G_D(q_D(p))=p G D ( q D ( p )) = p を満たす支持内の点q D ( p ) q_D(p) q D ( p ) が一意に存在する。さらに
q t k ( 1 − p ) = − q t k ( p ) q_{t_k}(1-p)=-q_{t_k}(p) q t k ( 1 − p ) = − q t k ( p ) が成り立つ。
証明. 定理 2.3 の三つの密度は各支持の内部で連続かつ正である。したがって支持内のx < y x<y x < y に対して
G D ( y ) − G D ( x ) = ∫ x y f D ( u ) d u > 0 G_D(y)-G_D(x)=\int_x^y f_D(u)\,du>0 G D ( y ) − G D ( x ) = ∫ x y f D ( u ) d u > 0 であり、分布関数は狭義単調増加である。密度を積分して得られる分布関数は連続であり、支持の左端へ近づくと0 0 0 、右端へ近づくと1 1 1 に収束する。中間値の定理からq D ( p ) q_D(p) q D ( p ) が存在し、狭義単調性から一意である。t k t_k t k の密度は偶関数なのでG t k ( − x ) = 1 − G t k ( x ) G_{t_k}(-x)=1-G_{t_k}(x) G t k ( − x ) = 1 − G t k ( x ) が成り立ち、一意性により表示した分位点の対称性を得る。▨
3 正規ベクトルの直交射影
定理 3.1. Z ∼ N d ( 0 , I d ) Z\sim N_d(0,I_d) Z ∼ N d ( 0 , I d ) とし、P 1 , … , P s P_1,\ldots,P_s P 1 , … , P s を実対称冪等行列とする。j ≠ ℓ j\ne\ell j = ℓ ならばP j P ℓ = 0 P_jP_\ell=0 P j P ℓ = 0 と仮定する。このとき確率ベクトル
P 1 Z , … , P s Z P_1Z,\ldots,P_sZ P 1 Z , … , P s Z は相互に独立である。r j = rank P j > 0 r_j=\operatorname{rank}P_j>0 r j = rank P j > 0 ならば
∥ P j Z ∥ 2 ∼ χ r j 2 \lVert P_jZ\rVert^2\sim\chi^2_{r_j} ∥ P j Z ∥ 2 ∼ χ r j 2 である。r j = 0 r_j=0 r j = 0 ならばP j Z = 0 P_jZ=0 P j Z = 0 かつ∥ P j Z ∥ 2 = 0 \lVert P_jZ\rVert^2=0 ∥ P j Z ∥ 2 = 0 がほとんど確実に成り立つ。
証明. V j = im P j V_j=\operatorname{im}P_j V j = im P j とおく。実対称冪等行列P j P_j P j はV j V_j V j への直交射影である。x ∈ V j x\in V_j x ∈ V j とy ∈ V ℓ y\in V_\ell y ∈ V ℓ 、j ≠ ℓ j\ne\ell j = ℓ に対して、あるu , v ∈ R d u,v\in\R^d u , v ∈ R d が存在してx = P j u x=P_ju x = P j u 、y = P ℓ v y=P_\ell v y = P ℓ v と書けるので
x ⊤ y = u ⊤ P j P ℓ v = 0 x^\top y=u^\top P_jP_\ell v=0 x ⊤ y = u ⊤ P j P ℓ v = 0 である。したがってV 1 , … , V s V_1,\ldots,V_s V 1 , … , V s は相互に直交する。
各V j V_j V j の正規直交基底( e j , 1 , … , e j , r j ) (e_{j,1},\ldots,e_{j,r_j}) ( e j , 1 , … , e j , r j ) をとる。これらを結合した正規直交系をR d \R^d R d の正規直交基底へ延長し、その基底ベクトルを列にもつ直交行列をQ Q Q とする。W = Q ⊤ Z W=Q^\top Z W = Q ⊤ Z は§E11.10 定理 4.2 によりN d ( 0 , I d ) N_d(0,I_d) N d ( 0 , I d ) に従い、その共分散行列は対角行列である。ゆえに§E11.10 定理 7.1 によりW W W の全座標は相互に独立な標準正規変数である。
r j > 0 r_j>0 r j > 0 の場合、直交射影の展開から
P j Z = ∑ h = 1 r j ( e j , h ⊤ Z ) e j , h , ∥ P j Z ∥ 2 = ∑ h = 1 r j ( e j , h ⊤ Z ) 2 P_jZ=\sum_{h=1}^{r_j}(e_{j,h}^\top Z)e_{j,h},\qquad
\lVert P_jZ\rVert^2=\sum_{h=1}^{r_j}(e_{j,h}^\top Z)^2 P j Z = h = 1 ∑ r j ( e j , h ⊤ Z ) e j , h , ∥ P j Z ∥ 2 = h = 1 ∑ r j ( e j , h ⊤ Z ) 2 を得る。各P j Z P_jZ P j Z はW W W のうちV j V_j V j の基底に対応する座標だけの関数であり、異なるj j j に属する座標集合は互いに交わらない。したがってP 1 Z , … , P s Z P_1Z,\ldots,P_sZ P 1 Z , … , P s Z は相互に独立である。第二の表示と定義 2.2 (1) により、平方ノルムはχ r j 2 \chi^2_{r_j} χ r j 2 に従う。r j = 0 r_j=0 r j = 0 ならばV j = { 0 } V_j=\{0\} V j = { 0 } であり、P j P_j P j は零写像なので、残る主張も従う。▨
例 3.2. Y Y Y が( 1 , 0 ) , ( − 1 , 0 ) , ( 0 , 1 ) , ( 0 , − 1 ) (1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1) ( 1 , 0 ) , ( − 1 , 0 ) , ( 0 , 1 ) , ( 0 , − 1 ) の各点を確率1 / 4 1/4 1/4 でとるR 2 \R^2 R 2 値確率ベクトルであるとする。二つの座標軸への直交射影をP 1 , P 2 P_1,P_2 P 1 , P 2 とすると、E [ Y ] = 0 E[Y]=0 E [ Y ] = 0 かつCov ( Y ) = I 2 / 2 \operatorname{Cov}(Y)=I_2/2 Cov ( Y ) = I 2 /2 なのでP 1 Y P_1Y P 1 Y とP 2 Y P_2Y P 2 Y は無相関である。しかし
∥ P 1 Y ∥ 2 + ∥ P 2 Y ∥ 2 = 1 \lVert P_1Y\rVert^2+\lVert P_2Y\rVert^2=1 ∥ P 1 Y ∥ 2 + ∥ P 2 Y ∥ 2 = 1 が必ず成り立ち、各平方ノルムは0 0 0 と1 1 1 をともに正の確率でとるため、二つの平方ノルムは独立でない。したがって定理 3.1 の独立性には Gaussian という仮定が必要である。
4 正規標本の平均と標本分散
定理 4.1. n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 、μ ∈ R \mu\in\R μ ∈ R 、σ 2 > 0 \sigma^2>0 σ 2 > 0 とし、X 1 , … , X n X_1,\ldots,X_n X 1 , … , X n をN ( μ , σ 2 ) N(\mu,\sigma^2) N ( μ , σ 2 ) からの無作為標本とする。
X ˉ = 1 n ∑ i = 1 n X i , S 2 = 1 n − 1 ∑ i = 1 n ( X i − X ˉ ) 2 \bar X=\frac1n\sum_{i=1}^nX_i,\qquad
S^2=\frac1{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar X)^2 X ˉ = n 1 i = 1 ∑ n X i , S 2 = n − 1 1 i = 1 ∑ n ( X i − X ˉ ) 2 とおく。このとき
X ˉ ∼ N ( μ , σ 2 n ) , \bar X\sim N\!\left(\mu,\frac{\sigma^2}{n}\right), X ˉ ∼ N ( μ , n σ 2 ) , X ˉ \bar X X ˉ とS 2 S^2 S 2 は独立であり、かつ
( n − 1 ) S 2 σ 2 ∼ χ n − 1 2 \frac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim\chi^2_{n-1} σ 2 ( n − 1 ) S 2 ∼ χ n − 1 2 が成り立つ。
証明. 1 = ( 1 , … , 1 ) ⊤ ∈ R n \mathbf1=(1,\ldots,1)^\top\in\R^n 1 = ( 1 , … , 1 ) ⊤ ∈ R n 、e = 1 / n e=\mathbf1/\sqrt n e = 1 / n とし、
Z = 1 σ ( X 1 − μ , … , X n − μ ) ⊤ Z=\frac1\sigma(X_1-\mu,\ldots,X_n-\mu)^\top Z = σ 1 ( X 1 − μ , … , X n − μ ) ⊤ とおく。無作為標本の独立性と各成分の標準化によりZ ∼ N n ( 0 , I n ) Z\sim N_n(0,I_n) Z ∼ N n ( 0 , I n ) である。P 0 = e e ⊤ P_0=ee^\top P 0 = e e ⊤ とP 1 = I n − P 0 P_1=I_n-P_0 P 1 = I n − P 0 は、それぞれR e \R e R e とその直交補空間への直交射影であり、P 0 P 1 = 0 P_0P_1=0 P 0 P 1 = 0 、rank P 0 = 1 \operatorname{rank}P_0=1 rank P 0 = 1 、rank P 1 = n − 1 \operatorname{rank}P_1=n-1 rank P 1 = n − 1 を満たす。
e ⊤ Z e^\top Z e ⊤ Z は§E11.10 定理 4.2 により標準正規分布に従い、
X ˉ = μ + σ n e ⊤ Z \bar X=\mu+\frac\sigma{\sqrt n}e^\top Z X ˉ = μ + n σ e ⊤ Z であるから、X ˉ ∼ N ( μ , σ 2 / n ) \bar X\sim N(\mu,\sigma^2/n) X ˉ ∼ N ( μ , σ 2 / n ) を得る。一方、P 1 Z P_1Z P 1 Z の第i i i 成分は( X i − X ˉ ) / σ (X_i-\bar X)/\sigma ( X i − X ˉ ) / σ であるため、
∥ P 1 Z ∥ 2 = 1 σ 2 ∑ i = 1 n ( X i − X ˉ ) 2 = ( n − 1 ) S 2 σ 2 . \lVert P_1Z\rVert^2
=\frac1{\sigma^2}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar X)^2
=\frac{(n-1)S^2}{\sigma^2}. ∥ P 1 Z ∥ 2 = σ 2 1 i = 1 ∑ n ( X i − X ˉ ) 2 = σ 2 ( n − 1 ) S 2 . 定理 3.1 によりP 0 Z P_0Z P 0 Z とP 1 Z P_1Z P 1 Z は独立であり、最後の平方ノルムはχ n − 1 2 \chi^2_{n-1} χ n − 1 2 に従う。X ˉ \bar X X ˉ はP 0 Z = ( e ⊤ Z ) e P_0Z=(e^\top Z)e P 0 Z = ( e ⊤ Z ) e の関数であり、S 2 S^2 S 2 はP 1 Z P_1Z P 1 Z の関数であるから、X ˉ \bar X X ˉ とS 2 S^2 S 2 も独立である。▨
例 4.2. a , b ≥ 2 a,b\geq2 a , b ≥ 2 とし、N ( μ 1 , σ 1 2 ) N(\mu_1,\sigma_1^2) N ( μ 1 , σ 1 2 ) からの大きさa a a の無作為標本と、N ( μ 2 , σ 2 2 ) N(\mu_2,\sigma_2^2) N ( μ 2 , σ 2 2 ) からの大きさb b b の無作為標本を互いに独立にとる。ただし、μ 1 , μ 2 ∈ R \mu_1,\mu_2\in\R μ 1 , μ 2 ∈ R 、σ 1 2 , σ 2 2 > 0 \sigma_1^2,\sigma_2^2>0 σ 1 2 , σ 2 2 > 0 とする。それぞれの標本分散をS 1 2 , S 2 2 S_1^2,S_2^2 S 1 2 , S 2 2 とおけば、定理 4.1 により
U = ( a − 1 ) S 1 2 σ 1 2 ∼ χ a − 1 2 , V = ( b − 1 ) S 2 2 σ 2 2 ∼ χ b − 1 2 U=\frac{(a-1)S_1^2}{\sigma_1^2}\sim\chi^2_{a-1},\qquad
V=\frac{(b-1)S_2^2}{\sigma_2^2}\sim\chi^2_{b-1} U = σ 1 2 ( a − 1 ) S 1 2 ∼ χ a − 1 2 , V = σ 2 2 ( b − 1 ) S 2 2 ∼ χ b − 1 2 であり、二標本の独立性からU U U とV V V は独立である。したがって
S 1 2 / σ 1 2 S 2 2 / σ 2 2 = U / ( a − 1 ) V / ( b − 1 ) ∼ F a − 1 , b − 1 . \frac{S_1^2/\sigma_1^2}{S_2^2/\sigma_2^2}
=\frac{U/(a-1)}{V/(b-1)}\sim F_{a-1,b-1}. S 2 2 / σ 2 2 S 1 2 / σ 1 2 = V / ( b − 1 ) U / ( a − 1 ) ∼ F a − 1 , b − 1 . 左辺はS 2 2 = 0 S_2^2=0 S 2 2 = 0 となる零事象上で零と定める。特にσ 1 2 = σ 2 2 \sigma_1^2=\sigma_2^2 σ 1 2 = σ 2 2 ならばS 1 2 / S 2 2 ∼ F a − 1 , b − 1 S_1^2/S_2^2\sim F_{a-1,b-1} S 1 2 / S 2 2 ∼ F a − 1 , b − 1 である。
定理 4.3. n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 、μ ∈ R \mu\in\R μ ∈ R 、σ 2 > 0 \sigma^2>0 σ 2 > 0 とし、X 1 , … , X n X_1,\ldots,X_n X 1 , … , X n をN ( μ , σ 2 ) N(\mu,\sigma^2) N ( μ , σ 2 ) からの無作為標本とする。
X ˉ = 1 n ∑ i = 1 n X i , S 2 = 1 n − 1 ∑ i = 1 n ( X i − X ˉ ) 2 \bar X=\frac1n\sum_{i=1}^nX_i,\qquad
S^2=\frac1{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar X)^2 X ˉ = n 1 i = 1 ∑ n X i , S 2 = n − 1 1 i = 1 ∑ n ( X i − X ˉ ) 2 とおく。このとき、母平均μ \mu μ に対する枢軸量
T = X ˉ − μ S / n T=\frac{\bar X-\mu}{S/\sqrt n} T = S / n X ˉ − μ は自由度n − 1 n-1 n − 1 のt t t 分布に従う。この枢軸量は未知のσ \sigma σ を含まない。
証明. 定理 4.1 により
Z 0 = n ( X ˉ − μ ) σ ∼ N ( 0 , 1 ) , V = ( n − 1 ) S 2 σ 2 ∼ χ n − 1 2 Z_0=\frac{\sqrt n(\bar X-\mu)}\sigma\sim N(0,1),\qquad
V=\frac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim\chi^2_{n-1} Z 0 = σ n ( X ˉ − μ ) ∼ N ( 0 , 1 ) , V = σ 2 ( n − 1 ) S 2 ∼ χ n − 1 2 であり、Z 0 Z_0 Z 0 とV V V は独立である。定理 2.3 によりP ( V > 0 ) = 1 P(V>0)=1 P ( V > 0 ) = 1 なのでS > 0 S>0 S > 0 もほとんど確実に成り立つ。従って
T = Z 0 V / ( n − 1 ) T=\frac{Z_0}{\sqrt{V/(n-1)}} T = V / ( n − 1 ) Z 0 はほとんど確実に定義され、定義 2.2 (2) によりt n − 1 t_{n-1} t n − 1 に従う。表示式ではσ \sigma σ が相殺されているため、T T T は未知のσ \sigma σ を含まない。▨
n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 とし、正の分散をもつ正規母集団から無作為標本を取る。母標準偏差σ \sigma σ を用いたn ( X ˉ − μ ) / σ \sqrt n(\bar X-\mu)/\sigma n ( X ˉ − μ ) / σ は、多変量正規分布のアフィン像による特徴づけ§E11.10 定理 4.2 から、有限標本でもN ( 0 , 1 ) N(0,1) N ( 0 , 1 ) に従う。母標準偏差を標本標準偏差S S S で置き換えたn ( X ˉ − μ ) / S \sqrt n(\bar X-\mu)/S n ( X ˉ − μ ) / S は定理 4.3 により自由度n − 1 n-1 n − 1 の t 分布に従う。定理 2.3 の密度表示から、有限の自由度をもつ t 分布は正規分布より裾が重い。自由度がn − 1 n-1 n − 1 となるのは、残差ベクトル( X i − X ˉ ) i = 1 n (X_i-\bar X)_{i=1}^n ( X i − X ˉ ) i = 1 n が∑ i ( X i − X ˉ ) = 0 \sum_i(X_i-\bar X)=0 ∑ i ( X i − X ˉ ) = 0 を満たし、残差空間の次元がn − 1 n-1 n − 1 だからである(定理 4.1 )。同じ Student 化した枢軸量は§E14.2 命題 5.3 により、n → ∞ n\to\infty n → ∞ のときN ( 0 , 1 ) N(0,1) N ( 0 , 1 ) へ分布収束する。したがって、自由度n − 1 n-1 n − 1 の t 分布はn → ∞ n\to\infty n → ∞ のときN ( 0 , 1 ) N(0,1) N ( 0 , 1 ) へ分布収束する。
例 4.4. N ( 5 , 2 2 ) N(5,2^2) N ( 5 , 2 2 ) から大きさn = 8 n=8 n = 8 の無作為標本をとり、
W = 7 S 2 4 , T = X ˉ − 5 S / 8 W=\frac{7S^2}{4},\qquad T=\frac{\bar X-5}{S/\sqrt8} W = 4 7 S 2 , T = S / 8 X ˉ − 5 とおく。定理 4.1 と定理 4.3 により、W ∼ χ 7 2 W\sim\chi^2_7 W ∼ χ 7 2 、T ∼ t 7 T\sim t_7 T ∼ t 7 であり、X ˉ \bar X X ˉ とS 2 S^2 S 2 は独立である。したがって
E [ W ] = 7 , Var ( W ) = 14 , P ( T > q t 7 ( 0.975 ) ) = 0.025 E[W]=7,\qquad \operatorname{Var}(W)=14,\qquad
P\bigl(T>q_{t_7}(0.975)\bigr)=0.025 E [ W ] = 7 , Var ( W ) = 14 , P ( T > q t 7 ( 0.975 ) ) = 0.025 が成り立つ。
この標本生成を独立に2 × 10 5 2\times10^5 2 × 1 0 5 回反復した一つの数値記録では、W W W の標本平均は6.9996 6.9996 6.9996 、標本分散は14.07 14.07 14.07 、X ˉ \bar X X ˉ とS 2 S^2 S 2 の標本相関係数は0.0009 0.0009 0.0009 であった。また、q t 7 ( 0.975 ) q_{t_7}(0.975) q t 7 ( 0.975 ) の数値2.3646 2.3646 2.3646 に対して、T > 2.3646 T>2.3646 T > 2.3646 となった割合は0.0251 0.0251 0.0251 であった。これらはそれぞれ理論値7 7 7 、14 14 14 、0 0 0 、0.025 0.025 0.025 と整合する。乱数列を変えれば記録値は変動するため、再計算では個々の小数値の一致ではなく、反復回数に応じた Monte Carlo 誤差の範囲で理論値へ近づくことを検証する。