1 離散分布の畳み込み
定義 1.1.p,q:R→[0,1]を離散確率分布の確率質量関数とし、正の質量をもつ点の集合を
Dp={x∈R:p(x)>0},Dq={y∈R:q(y)>0}とおく。Dp,Dqは高々可算である。pとqの畳み込み (discrete convolution) を
(p∗q)(z)=x∈Dp∑p(x)q(z−x)によって定める。各項が非負であるため、和はDpの列挙の順序に依存しない。
1.1 証明方針
和がzになる事象を、Xの正質量点x∈DpXごとの事象{X=x,Y=z−x}の非交和へ分解する。確率の可算加法性を適用した後、独立性によって各項を二つの確率質量の積へ分解する。
定理 1.2.X,Yを独立な離散確率変数とし、確率質量関数をそれぞれpX,pYとする。このときS=X+Yの確率質量関数は
pS(z)=(pX∗pY)(z)=x∈DpX∑pX(x)pY(z−x)である。
証明.DX=DpXおよびN={X∈/DX}とおく。DXはXの正の質量をもつ点をすべて含み、確率質量関数の総和は1であるから、
P(N)=1−P(X∈DX)=1−x∈DX∑pX(x)=0である。事象の完全な等式は
{X+Y=z}∖N=x∈DX⨆{X=x,Y=z−x}であり、右辺は互いに交わらない事象の高々可算な和である。P(N)=0、確率の可算加法性および独立性から、
P(X+Y=z)=x∈DX∑P(X=x,Y=z−x)=x∈DX∑pX(x)pY(z−x)を得る。各項は非負であるため、二重和を用いて全質量を確認するときにも数え上げ測度に対する
Tonelli の定理を適用することができる。▨
例 1.3 (独立な Bernoulli 確率変数の和).X,Yを独立とし、Xは母数p、Yは母数qの Bernoulli 分布に従うとする。畳み込みを各値で計算すると、
P(X+Y=0)P(X+Y=1)P(X+Y=2)=(1−p)(1−q),=p(1−q)+(1−p)q,=pq.三つの値の和は1である。p=qの場合には、母数p、試行回数2の二項分布に一致する。
2 密度の畳み込み
定義 2.1. 非負 Borel 可測関数f,g:R→[0,∞]に対して、畳み込み (convolution of densities) を
(f∗g)(z)=∫Rf(x)g(z−x)dxによって定める。値+∞を許す。f,gが確率密度である場合には、後の定理によりf∗gはほとんど至る所で有限な確率密度になる。
2.1 証明方針
独立性によって(X,Y)の同時分布を積分布へ置き換え、積測度の密度がfX(x)fY(y)であることを
Tonelli の定理で確認する。加法写像の逆像を表す非負関数1B(x+y)fX(x)fY(y)へ Tonelli の定理を適用し、z=x+yと置換してzを外側の変数にする。内側に残る積分を畳み込み密度として同定する。
定理 2.2.X,Yを独立な実数値確率変数とし、それぞれ Lebesgue 密度fX,fYをもつとする。このときS=X+Yは Lebesgue 密度
fS(z)=(fX∗fY)(z)=∫RfX(x)fY(z−x)dxをもつ。
証明. 独立性の積分布による特徴づけ§E11.7 定理 2.1から、(X,Y)の同時分布はμX⊗μYである。この積測度の密度が(x,y)↦fX(x)fY(y)であることは、非負関数に対する§E9.11 定理 2.3を Borel 集合E⊂R2の指示関数へ適用して
∫EfX(x)fY(y)d(x,y)=∫RfX(x)(∫ExfY(y)dy)dx=(μX⊗μY)(E)と確認することができる。Borel 集合B⊂Rに対して、
P(S∈B)=∫R21B(x+y)fX(x)fY(y)d(x,y).被積分関数は非負であるため、積分値の有限性を先に仮定せず§E9.11 定理 2.3を適用することができる。固定したxについてz=x+yと置換し、再び Tonelli の定理を用いると、
P(S∈B)=∫R∫R1B(x+y)fX(x)fY(y)dydx=∫R∫R1B(z)fX(x)fY(z−x)dzdx=∫B(∫RfX(x)fY(z−x)dx)dz.したがって、括弧内の関数がSの密度である。特にB=Rとするとその積分は1であるため、畳み込みはほとんど至る所で有限である。▨
3 確率母関数
定義 3.1.Nを非負整数値確率変数とする。∣s∣<1に対する
GN(s)=E[sN]=n=0∑∞P(N=n)snをNの確率母関数 (probability generating function) という。さらにGN(1)=1と定める。s=0,n=0では00=1と定める。
∣s∣<1では∣sN∣≤1であるため級数は絶対収束し、s=0は定義域の内点である。s=1では確率の総和からGN(1)=1である。
3.1 証明方針
閉区間[−r,r]⊂(−1,1)を固定する。0≤j≤kの各導関数級数について、指数減衰rn−jが多項式増大njを抑えることを用い、各項を総和可能なCj,rP(N=n)で一様に支配する。Weierstrass の判定法を各階へ適用して項別微分を反復する。最後にs↑1では非負項へ単調収束定理を適用する。
定理 3.2.Nを非負整数値確率変数とする。任意の整数k≥1と∣s∣<1に対して、
GN(k)(s)=E[(N)ksN−k1{N≥k}]=n=k∑∞(n)kP(N=n)sn−k,ただし(n)k=n(n−1)⋯(n−k+1)とする。また、拡張実数値の等式として
GN(k)(1−)=s↑1limGN(k)(s)=E[(N)k]が成り立つ。特に、対応する積率が有限ならば
E[N]=GN′(1−),E[N2]=GN′′(1−)+GN′(1−)である。
証明.0<r<1を固定する。n≥kに対して(n)k≤nkであり、0≤j≤kとn≥jに対して
(n)j≤nj,njrn−j≤Cj,rを満たす有限な定数Cj,r=supn≥jnjrn−jをとることができる。ただしj=n=0ではnj=1とする。∣s∣≤rならば
(n)jP(N=n)sn−j≤Cj,rP(N=n),右辺のnに関する総和はCj,rである。したがって、Weierstrass の判定法§D1.22 定理 5.2により、0≤j≤kのすべての導関数候補級数が[−r,r]上で一様収束する。元の級数がs=0で収束することを出発点とし、項別微分定理§D1.22 定理 4.2をj=1,…,kの順に反復すると、k階までの微分公式を得る。任意のs∈(−1,1)はある区間[−r,r]に含まれるため、結論は(−1,1)全体で成り立つ。
各n≥kについて(n)ksn−kは0≤s<1を通ってs↑1とすると(n)kへ単調に増加する。数え上げ測度に対する単調収束定理から
s↑1limn=k∑∞(n)kP(N=n)sn−k=n=k∑∞(n)kP(N=n)を得る。最後の二式は(N)1=Nと(N)2=N2−Nから従う。▨
4 積率母関数
定義 4.1.Xを実数値確率変数とする。あるδ>0が存在し、すべてのt∈(−δ,δ)で
MX(t)=E[etX]<∞となるとき、MXをXの積率母関数 (moment generating function) という。
零の片側だけで有限であるという条件では、正側または負側の裾を同時に制御することができない。零の開近傍での有限性が、すべての積率と微分のための両側の優関数を与える。
4.1 証明方針
固定したtの両側に閉区間[t−a,t+a]⊂(−δ,δ)をとる。正の裾はe(t+a)X、負の裾はe(t−a)Xで支配する。k階微分候補の差分商を平均値の定理で評価し、∣h∣<a/2に共通な可積分優関数を構成する。各階で Lebesgue の優収束定理を適用し、帰納的に微分と期待値を交換する。
定理 4.2.MXが開区間(−δ,δ)で有限であるとする。このときMXは同区間で無限回微分可能であり、任意の整数k≥0とt∈(−δ,δ)に対して
MX(k)(t)=E[XketX]が成り立つ。特に、すべての絶対積率が有限であり、
MX(k)(0)=E[Xk]である。
証明.t∈(−δ,δ)を固定し、[t−a,t+a]⊂(−δ,δ)を満たすa>0を選ぶ。任意の整数k≥0に対して、指数関数の級数からuk≤k!euがu≥0で成り立つ。したがって、u=a∣x∣/2と置くことにより、ある定数Ck,a>0が存在して
∣x∣ketx≤Ck,a(e(t+a)x+e(t−a)x)がすべてのx∈Rで成り立つ。x≥0では第一項、x<0では第二項を用いればよい。右辺の期待値はMX(t+a)+MX(t−a)<∞であるため、左辺は可積分である。
Fk(t)=E[XketX]とおく。上の評価によりFk(t)はすべてのk≥0について絶対収束する。∣h∣<a/2とすると、平均値の定理から
hxke(t+h)x−xketx≤∣x∣k+1etx+∣h∣∣x∣である。右辺がhに依存しない可積分関数で支配されることを、正負の裾に分けて確認する。実際、
∣x∣k+1etx+∣h∣∣x∣≤Ck,a′(e(t+a)x1[0,∞)(x)+e(t−a)x1(−∞,0)(x))である。x≥0では∣h∣≤a/2の残りのa/2で多項式を吸収し、x<0ではe(t−a)xまでの残りのa/2で同様に吸収した。右辺の期待値はMX(t+a)+MX(t−a)<∞以下であり、hに依存しない。
したがって、Lebesgue の優収束定理により
Fk′(t)=E[Xk+1etX]=Fk+1(t)である。F0=MXから帰納すると、任意のkに対する微分公式を得る。
t=0の評価はE[∣X∣k]<∞を与え、微分公式へt=0を代入すると積率の式を得る。▨
5 独立な和に対する積公式
5.1 証明方針
独立な確率変数へ別々に Borel 可測関数を合成しても独立性が保たれることを逆像から確認する。確率母関数では有界なsX,sY、積率母関数では仮定により可積分なetX,etYへ期待値の積への分解を適用し、指数法則で和を積へ移す。
定理 5.1.X,Yを独立な確率変数とする。
- X,Yが非負整数値ならば、任意の0≤s≤1に対して
GX+Y(s)=GX(s)GY(s)
が成り立つ。
- MX(t)とMY(t)が有限である実数tに対して
MX+Y(t)=MX(t)MY(t)
が成り立つ。特に二つの積率母関数が共通の零の近傍で有限ならば、X+Yの積率母関数もその近傍で有限である。
証明. 独立な確率変数へそれぞれ Borel 可測関数を合成して得られる確率変数も独立である。実際、合成後の
Borel 集合の逆像は、それぞれσ(X)とσ(Y)に属する。
0≤s≤1ではsX,sYは有界であり、したがって可積分である。§E11.7 定理 3.1を用いると、
GX+Y(s)=E[sX+Y]=E[sXsY]=E[sX]E[sY]を得る。
MX(t),MY(t)<∞ならば、非負確率変数etX,etYは可積分である。同じ期待値の分解を適用すると、
MX+Y(t)=E[et(X+Y)]=E[etXetY]=MX(t)MY(t)となる。右辺は有限である。▨
例 5.2 (独立な Poisson 分布の和).Xが母数λ>0、Yが母数μ>0の Poisson 分布に従い、二つが独立であるとする。指数関数の級数から
GX(s)=e−λn=0∑∞n!(λs)n=eλ(s−1)であり、同様にGY(s)=eμ(s−1)である。したがって、
GX+Y(s)=e(λ+μ)(s−1).右辺を冪級数へ戻すと
GX+Y(s)=e−(λ+μ)n=0∑∞n!(λ+μ)nsnである。係数を比較すると、X+Yは母数λ+μの Poisson 分布に従う。
6 積率母関数による分布の一意性
次の一意性定理は実 Laplace 変換の一意性に基づく。本記事では主張として用意し、証明は参照文献に委ねる。また、この定理を本記事の他の定理または例の証明には用いない。
定理 6.1.X,Yを実数値確率変数とする。あるδ>0に対してMX,MYが(−δ,δ)で有限であり、
MX(t)=MY(t)(−δ<t<δ)が成り立つならば、XとYの分布は等しい。
零の近傍での有限性は本質的な仮定である。すべての積率が一致するという条件だけでは、一般には分布を一意に定めることができない。
7 演習
問題 7.1 (Poisson 分布の階乗積率).Nが母数λ>0の Poisson 分布に従うとする。確率母関数を微分してE[N]とVar(N)を求めよ。
解答.
GN(s)=eλ(s−1)であるから、
GN′(1−)=λ,GN′′(1−)=λ2.定理 3.2によりE[N]=λおよびE[N2]=λ2+λである。したがって、
Var(N)=E[N2]−E[N]2=λ.▨
問題 7.2.
- 例 2.4の畳み込みを、yを先に積分する計算とxを先に積分する計算の二通りで導き、Tonelli の定理のどの仮定が満たされるかを述べよ。
- X,Yを独立な非負整数値確率変数とする。畳み込み公式を確率母関数へ代入し、非負二重級数に対する
Tonelli の定理によって定理 5.1の第一の公式を別に証明せよ。
- 定理 4.2の証明で用いた優関数をk=2について具体的に書き、MX(t−a)とMX(t+a)の有限性が二つの裾をそれぞれどのように支配するかを示せ。
- 独立な確率変数の密度がfX(x)=e−x1(0,∞)(x)とfY(y)=e−y1(0,∞)(y)であるとする。畳み込みからX+Yの密度を求め、積率母関数の積公式と積率の計算が整合することを確認せよ。
8 扱う範囲の境界と次の記事
積率母関数が零の近傍で有限でない分布には、本記事の微分公式と一意性定理を適用することができない。すべての確率分布について定義される特性関数、その反転公式、および Lévy の連続性定理は、本単元後半の「特性関数と Lévy の連続性定理」で扱う。積率不定問題は、本記事では扱わない。後続の記事では、多変量正規分布のアフィン変換と独立性を扱い、本記事の密度変換と独立な和の公式を具体的な分布族へ適用する。