MULTIVARIÁTNA ANALÝZA 2
1. Kvadratické formy
Defini cia 1.1. Nech Xi,X2, ...,Xn si* nezávislé, N(0,1) rozdelené náhodné veličiny. Potom
Y = Xl + X22 + ...+Xl má rozdelenie \n (centrálne chi kvadrát rozdelenie s n stupňami volnosti). Veta 1.2. Nech Y ~ \n- Y m^ hustotu
1 _Ä »_! i ——t—re 2 y 2 * pre y > (J,
/»(z/)=<( 2^r(f)
0 máe.
Dôkaz. Pozri [Anděl, str. 79].
Poznámka. \n rozdelenie je špeciálny pripad gama rozdelenia s parametrami a, p (a > 0,p > 0), ktoré má hustotu
-e_aa;aľp_1 pre x > 0,
0 inde.
Označujeme ho r(a,p). Piati, že je rozdelenie T (
(r(p) = /0ooe-^-1dí, P>o.)
1 n}
2 ' 2 J
Definícia 1.3. Nech Xi, X2, ...,Xn sú nezávislé, Xi ~ A(/íí, 1), z = 1,2,..., n.
iVec/i A = 5^™=i M? 7^ 0- Náhodná veličina
Y = Xl + X22 + ...+X2n
má necentrálne \2 rozdelenie s n stupňami volnosti a koeficientom necentrality A. Označujeme ho \„ \ -
Veta 1.4. Nech Xi, X2, Xn sú nezávislé, Xi ^ N(iii, í), i = 1,2,..., n. Rozdelenie pravdepodobnosti náhodnej veličiny Y = 5^™=i -^i > (teda, Xn \' kde A = 5^ľ=i Ä) závisi len od n a A (nezávisí od jednotlivých fii, \xn).
Dôkaz. Pozri [Anděl, str. 80].
Lema 1.5. Nech X ~ N(/i, 1). Náhodná veličina X2 má hustotu
e^i + ^ + ^ + ...| t>0,
fx-{ť) = \ V 2! 4!
0 t < 0
2
Dôkaz. X2 má distribučnú funkciu pre t > O
/Vi 1 , _ ,2
—^e-^i—dx. -Vi v2tt
Preto je hladaná hustota pre t > 0
„ . . dFX2Ít) 1 1 (vt-ri2 1 1 <-v-t-rí2
fx2(t) =-= —F^=e 2 H--F^=e 2 =
w dí 2VÍ V2ŤF 2VÍ v^ŤF
t+u2
2y/tV2ŤŤ
V^V* V 2! 4!
Samozrejme pre í 5; 0 je /x2 (t) = 0. □ Poznámka. Použili sme vzorec
Vy) Jxi(ť)i/>xi(ť)...i/>X2(ť) =
it v-fc 2
(1 — 2zí)f (l-2íí)í
kde A = Ej=iM2-
4
Veta 1.6. Nech náhodné premenné Xi, X2, ...,Xn sú nezávislé, Xi ~ N{hí, 1), i = 1,2,n. Potom
n n
i=i i=i
má xi g rozdelenie práve vtedy ak
(i) 7i = O alebo 1 pre i = 1,2, n,
(m,) ak 7i = O =>■ bi = O pre i = 1,2, n,
(iii) c=£"=16?. j4ä; síí podmienky (i),(ii) a (iii) splnené, tak k = 5^ľ=i 7i a ^ = 5^ľ=i 7i + Mi)2-
Dôkaz. Porovnáme charakteristické funkcie i/>t(-) a iJjy(-), kde y ~ x| s. Piati
V>t(*) = £ (eítT) = £
V
E"=i 7,^+2 E"=i ^i+=+2Ľ" = i &^
■ 7j#0 7j#0 7j=0
= £
j=i
7^0
7^0
7j=o
7j#0
n ^(2¥) n ^(7jí),
kde & - N (/ii + |, l) ak 7i ^ O a & - iV (/i*, 1) ak 7i = 0. Podlá (1.2) j
(1.4) ipT(t)=e v 7^o
Jj=0
3 = 1 "i 1j=0 ;
1
n"=i V1 - 2ií7i
= l l-2itTj-
7j#0
Podlá (1.3) pre charakteristickú funkciu Y ^ \1 s piati (1.5) Vy(*)= 1 ~
HU VT^Wt
5
Porovnaním (1.4) a (1.5) musí platit pre každé t g 72
n k j=l 1 = 1
a súčasne
z čoho je jasne vidiet, ako dokončime dôkaz. □
Veta 1.7. Nech £ ~ -/V„(/x,I), An,n je symetrická, b g 72.™ a c g 72. Náhodná premenná T = A£ + 2b'£ + c má %| á rozdelenie práve vtedy ak
(z) A2 = A,
(^j b g /i(A),
(mj c = b'b.
Ak sú podmienky (i),(ii) a (iii) splnené, takk = h(A), S = (b + /x)'A(b + /x).
Dôkaz. Pre A existuje ortogonálna matica P, že piati P'AP = A (diagonálna matica), P'P = PP' = I (pozri napr. Rao, str. 62). Potom 77 = P'£ ~ N(P'(j,,ľ) a £ = Pi?. Preto
T = £'A£ + 2b'| + c = í?'P'APí? + 2b'Pí? + c = í?'Aí? + 2b'Pí? + c.
Podlá vety 1.6 má T rozdelenie x\ s práve vtedy ak
(i) {A}ll = 0 alebo 1 pre'í = 1,2, ...,n <ř=> A2 = A ^ P'APP'AP = P'A2P = P'AP <ŕ=> A2 = A,
(ii) {A}íí = 0 =>• {P'b}i = 0, čo je ekvivalentné s tým, že P'b g /t(A) •<=> PP'b = b g /i(PP'AP) = m(AP) = n(A),
(iii) c = (b'P)P'b = b'b.
Ak sú podmienky (i),(ii) a (iii) splnené, potom podlá vety 1.6 k = 5^ľ=i{A}ii = trA = h(A) = ft(PAP') = h(A) a ô = Eľ=i{A}«({p'b>i + ípW02 = (b'P + /x'P)A(P'b + P'/x) = (b + /x)'PAP'(b + /x) = (b + /x)'A(b + /x). □
Veta 1.8. Nech £ ~ Nn(fj,, S), AKí„ je symetrická, b g 72™ a c g 72. Náhodná premenná T = A£ + 2b'£ + c má x2. á rozdelenie práve vtedy ak
(i) SASAE = SAS ^ (SA)3 = (SA)2,
(ii) S(A/x + b) g /i(SAS),
fm) (A/x + b)'S(A/x + b) = /x'A/x + 2b'/x + c.
j4ä; síí podmienky (i),(ii) a (iii) splnené, tak k = ír(AS) a S = (b +A/x)'SAS(b + A/x).
Dôkaz. Faktorizujeme maticu S = JJ', kde J je typu n x h (E) (pozri Anděl, str. 64). Vieme, že P{£ = /x + Jrj} = 1, kde »7 ~ iVh(s)(0,I) (Anděl, str. 76). Teda
T = £'A£ + 2b'í + c = (/x + Jí?)'A(/x + Jí?) + 2b'(/x + Jí?) + c =
= í?'J'AJí? + 2(A/x + b)'Jí? + /x'A/x + 2b'/x + c.
6
Podia vety 1.7 má T rozdelenie \\ s Práve vtedy ak
(1) J'AJJ'AJ = J'AJ,
(2) J'(A/x + b) e m(J'AJ),
(3) (A/x + b)'JJ'(A/t + b) = /x'A/x + 2b'/t + c.
Ďalej piati
J'AJJ'AJ = J'AJ JJ'AJJ'AJJ' = JJ'AJJ',
čiže
SAEAE = SAS,
a tiež naopak
SASAS = SAS => JJ'AJJ'AJJ' = JJ'AJJ' => (J'J) ij'.JJ'AJJ'AJJ'.JtJ'J) 1 = (J'J)^J'.JJ'AJJ'.JÍJ'J) \
čiže
J'AJJ'AJ = J'AJ,
čo dokazuje prvú časí (i). Ekvivalencia
SASAS = SAS & (SA)3 = (SA)2
je jedným smerom (=>•) zrejmá. Ku opaku potrebujeme nasledovné tvrdenie
(1.6) 3 D„,„ : SAS = SASAD. Tvrdenie (1.6) dokážeme takto:
/i(SAS) = /i(JJ'AJJ') ^ /l((J'J)-1J'.JJ'AJJ'.J(J'J)-1) = /i(J'AJ).
Podia Anděl, str. 62 je
(1.7) /i(J'AJ) = /í(J'AJJ'AJ) ^ /í(JJ'AJJ'AJ) = /í(SASAJ),
ale
ft(SASAJ) = /í(JJ'AJJ'AJ) ^ ^(J'J^J'.JJ'AJJ'AJ) =
(1.8) = /i(J'AJJ'AJ) = /i(J'AJ), a preto z (1.7) a (1.8)
/i(SAS) = ft(SASAJ) S /i(SASA) ^ /í(SAS),
teda
ft(SASA) = ft(SAS).
Pretože zrejme /i(SASA) C /i(SAS) a hodnosti matic vytvárajúcich tieto pod-priestory sa rovnajú, piati
/i(SASA) = /i(SAS)
7
a dostávame vztah (1.6).
Z predpokladu (SA)3 = (SA)2 pomocou (1.6) dostávame
SASASAD = SASAD => SASAS = SAS,
čim sme (i) úplne dokázali.
Podme teraz dokázat (ii), čiže dokázat, že
J'(A/t + b) e /z(J'AJ) ^ S (A/x + b) e /x(SAS).
Ak J'(A/t + b) e m(J'AJ), tak JJ'(A/t + b) e /t(JJ'AJ) = /t(SAJ) = = /x(SAJJ'AS) = /x(SASAS) = /i(SAS) (podlá (i)).
Naopak ak S(A/t + b) e /i(SAS), tak (J'J)-1J'.JJ'(A/t + b) = J'(A/t + b) e /i((J'J)_1 J'.JJ'AJJ') = /i(J'AJJ') C /i(J'AJ), čim sme dokázali (ii). Samozrejme (iii) už máme dokázané (je ekvivalentné (1)). Dôkaz vety už dokončime jednoducho. Podlá vety 1.7 je totiž k = /i(JJ'A) = ír(SA) = ír(AS) a s = ([J'(A/x + b)]'J'AJ[J'(A/x + b)]) = (A/t + b)'SAS(A/t + b). □
Uvedieme bez dôkazu vety o nezávislosti kvadratických foriem. Podrobnejšie pozri [Rao, Mitra, kapitola 9].
Veta 1.9. Nech Y ~ Np(fj,, S) a Qľ = Y'AY, Q2 = Y'BY dve kvadratické formy. Nutné a postačujúce podmienky nezávislosti Qi a Q2 sú
(a) SASBS = 0,SASB/t = 0, SBSA/t = 0 a /t'ASB/t = 0, ak
A a B sít symetrické, nemusia byt pozitivně semidefinitné, pričom S nemusi byt regulárna.
(b) ASBS = 0, ASB/t = 0, ak A je pozitivně semidefinitná.
(c) ASB = 0, ak A aj B sú pozitivně semidefinitné.
(d) ASB = 0, ak S je regulárna, A a B sú symetrické, nemusia byt pozitivně semidefinitné.
Veta 1.10. Nech Y - Np((i, S) a Q1 = Y'AY+2a'Y+a, Q2 = Y'BY+2b'Y+/3
dve lineárne-kvadratické formy. Nutné a postačujúce podmienky nezávislosti Q\ a Q2 sú
(a) SASBS = 0, SASb = 0, SBSa = 0 a a'Sb = 0, ak /t = 0, pričom S nemusi byt regulárna.
(b) ASB = 0,BSa = 0,ASb = 0 a a'Sb = 0, ak S je regulárna, pričom fi môže byt aj nenulový vektor.
2. WlSHARTOVO ROZDELENIE 2.1. ÚVODNÉ POZNÁMKY A DEFINÍCIA
Majme Ui ~ Np(fii,T,), í = 1,2,..., k, ktoré sú nezávislé, S je pozitivně deŕinitná matica. Označme = (Uu, U2i,Upi)'', Y j = (Uj±, Uj2,Ujk)', j = 1,2, ...,p a
/Uu U12 U13 ... Ulk\
U2i U22 U2z .. . U2k
V Upi up2 up3 ... upk J
8
Teda
w iu,:u,:...:u^
Vy'/
ďalej označme
/ Mu M12 Mi3 M21 M22 M23
p,k
Mife\
M2fe
(/ii:/x2: ■ ■ ■ :/ife)-
V /ipl /ip2 Mp3 ■ ■ ■ Mpfe /
Pre pevný vektor 1 G 1ZP sú náhodné veličiny
l'Ui - ÍV(1'aií, l'Sl = v?), i = 1,2,A;
nezávislé (lebo Uj sú nezávislé). Náhodný vektor Wl = íY^i je lineárna kombinácia normálne rozdelených nezávislých náhodných vektorov, pričom
(2.1) iY~Nk(Ml,cTflk,k). ak b = (61, b2, bk)' je vektor konštánt, tak
(2.2) U'b = b1\J1 + ... + bkUk - Np(M'b, b'bS). Poznámka. Nech
/ «ii
«21
din \
a2n
V »ml
Kroneckerov súčin matic A a B je
; B r, s
b2i
bis\ b2! 1
A (8) B
/ anB ai2B a2iB &22B
\amiB am2B
V 6ri ... brs J
alnB \
«2«B
Vlastnosti Kroneckerovho súčinu matic pozri napr. v [Rao].
ak napišeme "pod seba" stĺpce matice K, povieme, že sme vykonali na matici operáciu vec. Teda
U2 »
wecW = UfePji =
w
9
Ukážte, že
(2.3) vedA' = U ~ Nkp(vecM', lkM ®
a (2.2) sa dá zapisat ako
(2.4)
U'b = (b' <8 lp#)vedA' - A/p ((b' <8 IPtP)vecM'', (b' <8 Ip,p)(Ip,p <8 £p,p)(b <8 IPjP)).
Poznámka. Nech bi 7^ b2, bi,b2 G 7?.fe. Piati
cov(U'b1,U'b2) = (bi<8)Ip,p)(I<8)S)(b2<8)Ip,p) = b^ba ® S = b^E.
ak bíb2 = 0, t.j. ak bi a b2 sú ortogonálně, tak W'bi a W'b2 sú neskorelované, t.j. v tomto pripade nezávislé.
Podlá predchádzajúcej poznámky iahko dokážeme nasledujúcu lemu
Lema 2.1. Ak bi, b2,br, r íí k tvorí ortonormálny systém v lZk, tak
Vi =U'b1, ...,Vr=U'br
sú navzájom nezávislé a majú normálne rozdelenie, pričom Vj ~ A/ř,(M'bj, S), íahko dostaneme aj nasledujúci dôsledok
Dôsledok 2.2. Ak je ortogonálna matica (BB' = B'B = I), tak V j =
illiĽ.illHB!.. = W'ÍB}., ~ NpiM'iB}.,,?), 1 = 1,2,..., k a covfV^Vj) = ({B}^ <8)Ip,p)(I(8) S)({B}.j (8)1) = {B}^{B}.j (8 S = 0 pre i ^ j, teda V1,...,Vk sú nezávislé.
Definícia 2.3. Združené rozdelenie prvkov matice SPíP = EÍLi U^U^ = U'IÁ sa
nazýva Wishartovo rozdelenie s k stupňami volnosti a znači Wp(k, S, M). Ak M = 0, jedná sa o centrálne rozdelenie, označujeme ho Wp(k,'S).
Poznámka.
(i) {Sk = {Eli UjU;}^ = Eti UuUji = Y[Y3 = {U'U}13, lebo
TÍ!
S
VEti^^ií Eti^2í ... Eti^' /
(ii) Pre p = 1 a /zn = /Z12 = ... = Mife = 0 sú Ut = [/H - A/(0, cr2), i =1,2,k
nezávislé, U'U = EÍ=i uií ~ ct2)- Pretože ^ - A/(0,1), má EÍ=i ^ - xt
rozdelenie a W'W ~ a2x\ rozdelenie.
(iii) Pre k ^ p existuje hustota Wp(k,T,,M.) rozdelenia, ináč nie. Dôkaz je naznačený v [Rao, str. 641].
10
2.2. Niektoré vlastnosti Wishartovho rozdelenia Lema 2.4. Nech S ~ Wp(fc,£,M) a 1 G W je vektor konštánt. Potom ľSl
^xL r A2 = A a v tom prípade r = /i(A) = tr(A).
Naopak ak V 1 G W iY'A iY = l'W'AWl ~ cr2x2, čo je podlá vety 1.8 ekvivalentné tomu, že A2 = A, pričom v tom pripade h(A) = tr(A). A je reálna symetrická matica, idempotentná a h(A) = r. Teda A je pozitivně semideŕinitná a preto existuje ortonormálny systém vektorov bi,bk G lZk, že A = Ej=i Ajbjbj, I = Ej=i bjbj (reálne čisla Ai ^ A2 ^ ■■■ ^ Ar > 0 sú vlastné čisla matice A a bi,br im prislúchajúce charakteristické vektory). Z rovnosti A2 = A dostávame
r r r
j=l s=l t=l
A?bibi + AÍ;b2b2 + ...A2brb; = Aibibi + A2b2b2
.ArbrbJ.,
z čoho vyplýva, že A2 = Aj, i = 1, 2, ...,r, čiže Ai = A2 = ■■■ = Ar = 1 (lebo Aj > 0). Môžeme písat A = Ej=i bjty a tiež W AU = Ej=i "'bj-ty-W = Ej=ivjVj, pričom podlá lemy 2.1 Vj ~ ^(0, S) a Vi, V2,V^ sú nezávislé. Z deŕinicie preto W AU ~ Wp(r, S). □
Veta 2.6. iVec/i S ~ Wp(k, S) a BPjg matica konštánt. Potom B'SB ~ B'SB).
Dófcaz. B'SB = B'W'WB, kde
/U'iX ' Uí »
WB
/Vi \
B
V V'/
U j ~ Np(0, S) sú nezávislé. Preto
/VU /U'lBx ' U2B »
Vvl/
VuiB/
má riadky nezávislé, cov(B'Vl, B'Uj) = B'ccw(Uj, U,)B = 0 a B'U4 - iVg(0, B'SB). Platí B'SB = EÍ=i v*vi ~ B'SB) (priamo z definície). □
11
Dôsledok 2.7.
(a) Diagonálne submatice matice S majú tiež Wishartovo rozdelenie, lebo ak
g _ / Sn S12
kde Su je rozmeru l x Z, íafc
(IM 0)8^ =Sn.
f6j afc S ~ Wp(Ä;,I) a afc pre BPjg platíB'B = I, potom B'SB - Wq(k,ľ).
Veta 2.8. iVec/i S ~ Wp(/s, S) a a G 7?.p je čafa/ vektor konštánt, že a'Sa 7^ 0.
a Sa q
Potom ——— ~ vt. a'Sa A/"
Dôkaz. Podia vety 2.6 piati, že a'Sa ~ a'Sa), čo znamená podlá poznámky
a'Sa
(ii) pod definíciou 2.3, že -~ x\- ^
a'Sa
Veta 2.9. Nech U1;U„ je náhodný výber z Np(0, S) (žeda U'U ~ Wp(n, S) j, Cn,n Je symetrická matica. Piati
U'CU ~ Wp(r, S) <ŕ=> C2 = C.
1/ takomto prípade r = ŕr(C).
Dófcaz. Podlá lemy 2.5 je W'CW - Wp(r, S) <ř=> V 1 G iY'C iY - crfxl, {°i = ľSl, iY = U\). V tomto prípade r = h (C) = tr(C). Pretože podlá (2.1) je
v v' v
1 Ar ŕn ^ í„ „^T„ 1 7 .vr- .v _, ~2„2 l1 r- 1 _, ,.2
._ Wp(0,1), je podlá vety 1.7 fif'C iY - ít2*2 & -^=C^= ~ xl ^
C2 = C. V tomto prípade r = /i(C). □
Lema 2.10. Nech Si ~ Wv{n\, S), S2 ~ Wp(n2, S). Si a S2 sw nezávislé. Potom S1 + S2~Wp{n1 + n2,Y,).
Dôkaz. Si = WÍWi, S2 = W^W2, kde W{ = i l J, J„ :. W2 = (Uni+i:..;:Uni+na) a U, ~ Np(0,Ti),í = l,2,...,ni + n2 sú nezávislé. Preto ak označime U' =
{U[:U'2)p,ni+n2, tak Si + S2 = (U[UX + U'2U2)=U'U ~ Wp(nx +n2,S). □
Veta 2.11. iVec/i Cní„ = C je p.s.d. matica konštánt, Uj ~ -/Vp(0,S),z = 1,2, ...,n nezávislé. Piati, žeU'pnCU ~ Eľ=i ^)> ^e -^1; ■■■i^n sm vlastné
čisla matice C a Wj^^l, S),Wpn\í, S) sú nezávislé.
Dôkaz. Môžeme pisat C = Eľ=i ^íPíPÍj I = Eľ=iPíPÍ' pričom Ai ^ ... ^ A„ 0 sú vlastné čisla matice C a pi, ...p„ ortonormálně vektory. Teda U'CU = Eľ=i AiWpiP^W = Eľ=i ^víVÍ> kde v» ~ np(°, s) a sú nezávislé (lema 2.1). Z vety 2.9 vieme, že W'p.p^W = V,V^ - W^\í, S). □
12
Lema 2.12. Pre matice príslušných rozmerov piati (2.5) vecABC = (C ®A)vecB,
írAB = (vecB')'vecA. Dôkaz. Lemu dokážte ako cvičenie.
Veta 2.13. Nech Uj ~ Np((j,, S), z = 1,2, ...,n, U1; U2,U„ sú nezávislé, Ci,C2 symetrické a idempotentné. U'CiU a WC2W sw nezávislém C1C2 = 0.
Dôkaz, ak W'Ci a WC2 sú nezávislé, tak sú nezávislé aj U'C-JA a WC2U. U'Ci a WC2 sú nezávislé práve vtedy ak sú nezávislé JLÍ'Ci a K/C2 a to je práve vtedy ak sú nezávislé vec(TLi'Ci) a vec(VJ'C2), čiže podlá lemy 2.12 ak sú nezávislé vektory (C[ TjvedA' a (C2 I)(I <8> £)(C2 <8> I) = (CiC2® S) = 0, sú W'Ci a WC2 nezávislé. Teraz už lahko dokončime dôkaz. □