Moment (sannsynligheter)

I sannsynlighetsteori og statistikk , det øyeblikk av orden r  ∈ ℕ av en virkelig tilfeldig variabel X er en indikator på dispersjonen av denne variable, som for eksempel dens standardavvik , er kvadratroten av den sentrerte øyeblikk av orden 2.

Det såkalte "ordinære"  ordensmomentet r ∈ ℕ defineres, hvis det eksisterer, av:

Tilsvarende vil andre tider, studert eller nevnt i resten av artikkelen, bli definert.

Begrepet øyeblikk i analyse

Begrepet øyeblikk i matematikk , spesielt i sannsynlighetsteori , stammer fra begrepet øyeblikk i fysikk .

La f  : I → ℝ være en kontinuerlig funksjon over et intervall I (ikke redusert til et punkt) på .

Gitt et naturlig tall r , defineres ordrenes øyeblikk r av f , underlagt eksistens, av:

Eksistenskriterium

Dette ordensmomentet r anses å eksistere hvis og bare hvis x r  f ( x ) er integrerbar , det vil si om og bare hvis ∫ x ∈ I | x r  f ( x ) | d x konvergerer. Dermed, selv om øyeblikket er en konvergerende upassende integral , blir dette øyeblikket fortsatt ansett som ikke-eksisterende.

På denne måten, hvis et øyeblikk ikke eksisterer ved en gitt rekkefølge, så eksisterer heller ikke alle øyeblikk av høyere orden. Omvendt, hvis et øyeblikk eksisterer i en gitt rekkefølge, så eksisterer også alle øyeblikk av lavere orden.

Vector plass

For et gitt naturlig heltall r er settet med kontinuerlige funksjoner på I hvis ordensmoment r eksisterer et reelt vektorrom , og kartet m r  : fm r ( f ) er en lineær form på denne romvektoren.

Definisjoner

La X være en reell tilfeldig variabel definert på I , med fordelingsfunksjon F X og sannsynlighetslov s .

Vanlig øyeblikk

Det øyeblikk (eller vanlig øyeblikk , eller øyeblikk i 0 ) av orden r  ∈ ℕ av X er definert, hvis den finnes, av:

I følge overføringssatsen har vi derfor  :

Denne Stieltjes-integralen kan skrives om:

I følge det andre aksiomet av sannsynligheter har vi da m 0  = 1 .

Vær oppmerksom på at, p som er positiv eller null på I ( første aksiom av sannsynligheter ), er kriteriet for eksistensen av ordensøyeblikket r konvergensen til ∑ k ∈ I | k | r  p k eller ∫ x ∈ I | x | r  p ( x ) d x etter behov.

Sentrert øyeblikk

Den sentrert øyeblikk av orden r  ∈ ℕ av X er definert, hvis den finnes, av:

I følge overføringssatsen har vi derfor  :

Denne Stieltjes-integralen kan skrives om:

Ved konstruksjon har vi da μ 0  = 1 og μ 1  = 0 .

I følge overføringssatsen kan vi også skrive μ r ( X ) =  m r ( X  - ? ( X )) .

Redusert sentrert øyeblikk

Ved å sette μ  =  m 1 og σ  =  μ 2 , den reduserte sentrert øyeblikk av orden r  ∈ ⟦2; + ∞⟦ av X er definert, hvis den finnes, av:

Vi har derfor β r -2  =  μ r ⁄ σ r og, ved konstruksjon, β 0  = 1 .

Bemerkelsesverdige øyeblikk

Visse øyeblikk, ofte brukt til å karakterisere en reell tilfeldig variabel X , er kjent under et bestemt navn:

Moment-genererende funksjon

Den generator funksjon av momentene M X av en ekte tilfeldig variabel X er den eksponentielle generator serie forbundet med sekvensen ( m r ) r  ∈ ℕ av de øyeblikk av X , definert i området fra 0, og med forbehold om eksistensen av alle øyeblikk:

Det kan også skrives i nærheten av 0 og underlagt forventningens eksistens  :

De derivater iterated ved 0 av denne eksponentielle generator serie er verdt:

Eiendommer

Dimensjon

Enten [ X ] den størrelsen av den virkelige tilfeldig variabel X .

Vanlige og sentrerte øyeblikk av orden r , hvis de eksisterer, har dimensjon [ X ] r .

Demonstrasjon

I skrivingen ∫ x ∈ I x r  d F X ( x ) av ordreøyeblikket r , har variabelen x dimensjonen [ X ] . Den sannsynlighet måle være en dimensjonsløs størrelse , er fordelingsfunksjonen F X , definert ved ∀  x  ∈  I , F X ( x ) = ℙ ( X  ≤  x ) , er også dimensjonsløs, så også for sin infinitesimal d F X ( x ) . Så m r  = ∫ x ∈ I x r  d F X ( x ) har dimensjon [ X r ] .

? ( X ) =  m 1 med dimensjon [ X ] , er det også tilfellet med x  - ? ( X ) , derfor er μ r  = ∫ x ∈ I [ x  - ? ( X )] r  d F X ( x ) har også dimensjon [ X r ] .

Det reduserte sentrerte øyeblikksmomentet r , hvis det eksisterer, er en dimensjonsløs mengde .

Demonstrasjon

μ 2 har for dimensjon [ X 2 ] , σ  =  μ 2 har for dimensjon [ X ] , så β r -2  =  μ r ⁄ σ r har for dimensjon [ X r ⁄ X r ] = [1] .

Affine transformasjon

På ordinære tider

Det ordinære øyeblikk av ordre 1, hvis det eksisterer, er lineært  :

Demonstrasjon

La Λ  = { λ } være konstant tilfeldig variabel lik λ med sannsynlighet 1. Oversettelsen av lengde λ av verdiene til en tilfeldig variabel tilsvarer summen av denne tilfeldige variabelen og av Λ  : θ  X  +  λ  ≜  θ  X  +  Λ . Å vite at ? ( Λ ) =  λ , har vi derfor, etter forventningens linearitet :

Det ordinære ordensmomentet r  > 1 av θ  X  +  λ , hvis det eksisterer, uttrykkes ikke bare som en funksjon av ordningsmomentet r av X  :

Demonstrasjon

Ved å utvikle binomialet ( θ  X  +  λ ) r og ved forventningens linearitet , har vi:

Vi finner således lineariteten til m 1 og konstanten til m 0 .

På sentrerte øyeblikk

Det sentrerte øyeblikk av ordre r , hvis det eksisterer, er uforanderlig ved oversettelse og homogent av grad r  :

Demonstrasjon 1

Å vite at ? ( θ  X  +  λ ) =  θ  ? ( X ) +  λ (se affinetransformasjon på ordinær øyeblikk av ordre 1), har vi:

Ved forventningens linearitet har vi derfor:

Demonstrasjon 2

Å vite at μ r ( X ) =  m r ( X  - ? ( X )) , er genereringsfunksjonen til de sentrerte momentene til X derfor den genererende funksjonen til de vanlige øyeblikkene til X  - ? ( X )  :

Å vite at ( θ  X  +  λ ) - ? ( θ  X  +  λ ) =  θ  [ X  - ? ( X )] (se bevis 1), har vi derfor:

Ved iterert avledning av denne sammensatte funksjonen har vi derfor:

Derfor, i 0:

På reduserte sentrerte øyeblikk

Ved affin transformasjon av ikke-null- retningskoeffisient (slik at σ er ikke-null) multipliseres det reduserte sentrerte øyeblikk av ordre r , hvis den eksisterer, ganske enkelt med tegnet på retningskoeffisienten hevet til kraften r  :

Den absolutte verdien av et redusert sentrert øyeblikk er derfor uforanderlig ved affin transformasjon av ikke-helling.

Demonstrasjon

Standardavviket på θ  X  +  λ er lik :

Den reduserte sentrert øyeblikk av orden r av θ  X  +  λ er derfor verdt:

Ved å skille i henhold til tegnet på θ og pariteten til r , kan vi derfor skrive:

Tilsetningsevne

La X og Y være to virkelige tilfeldige variabler, vi har da:

Hvis X og Y er uavhengige , har vi også:

Denne egenskapen til additivitet eksisterer bare for de tre nevnte øyeblikkene. De risikomål verifisere denne egenskapen kalles cumulants .

Forholdet mellom vanlige øyeblikk og sentrerte øyeblikk

Øyeblikk sentrert som en funksjon av vanlige øyeblikk

Det sentrerte øyeblikk av ordre r , hvis det eksisterer, er skrevet:

Demonstrasjon

Ved å utvikle binomialet i uttrykk for μ r og ved forventningens linearitet , har vi:

Deretter husker jeg at Ck
n
 =  Cn - k
n
, Oppnår man den andre skrive ved endringer i de variable i ↦ r  -  i .

Når vi husker at m 0  = 1 , blir de første sentrerte øyeblikkene uttrykt som en funksjon av de vanlige øyeblikkene:

Vanlige øyeblikk som en funksjon av sentrerte øyeblikk

Omvendt, ved å sette μ  = ? ( X ) , skrives det ordinære øyeblikk av ordre r , hvis det eksisterer:

Demonstrasjon

Ved å utvikle binomialet i uttrykk for m r og ved forventningens linearitet , har vi:

Deretter husker jeg at Ck
n
 =  Cn - k
n
, Oppnår man den andre skrive ved endringer i de variable i ↦ r  -  i .

Når vi husker at μ 0  = 1 og μ 1  = 0 , blir de første ordinære øyeblikkene uttrykt, som en funksjon av de sentrerte momentene og av μ  :

Ikke-partisk estimator av vanlige øyeblikk

Fra en prøve kan { X 1 ,  X 2 , ...,  X n } av den virkelige tilfeldige variabelen X brukes som estimator uten å bruke det ordinære ordningsmomentet r , hvis det eksisterer, følgende estimator:

Moment problem

Selv om beregningen av øyeblikkene består i å bestemme det øyeblikk m r av en gitt sannsynlighet lov p , er problemet med øyeblikk består i å studere omvendt eksistensen og entydighet av en sannsynlighets lov p hvis øyeblikk m r er gitt.

Utvidelse av begrepet øyeblikk

På modellen av øyeblikk ? ( X r ) kan andre øyeblikk defineres:

  • det motsatte punkt i 0 for rI  ∌ 0  :  ;
  • det logaritmiske øyeblikk av orden rI  ⊂ ℝ*
    +
     :  ;
  • det faktuelle øyeblikk av ordre r  : ( avtagende faktor ).

Merknader og referanser

  1. Dette tilfellet skjer for eksempel for oddsmomentene til en jevn funksjon definert på  : selv om ∫ x ∈ℝ | x r  f ( x ) | d x divergerer, funksjonen x ↦ x r  f ( x ) er odd, har derfor en jevn primitiv, derav ∀  t  ∈ ℝ, ∫t
    - t
      x r  f ( x ) d x  = 0
    , så ∫ x ∈ℝ x r  f ( x ) d x er enkonvergerende upassende integral lik 0.
  2. Av historiske grunner og i samsvar med notasjonen av reduserte kumulanter , er asymmetri-koeffisienten notert γ 1 i stedet for β 1 .
  3. Formelt sett, vel vitende om at μ 1  = 0 , kan vi legge til degenerert tilfelle μ 1 ( X  +  Y ) =  μ 1 ( X ) +  μ 1 ( Y ) , men dette gir ingen nyttig informasjon for studiet av X  +  Y .
<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">