Bedingte Varianz & Vorhersagen: 7 wichtige Fakten

In diesem Artikel werden die bedingte Varianz und Vorhersagen mit bedingten Erwartungen für die verschiedenen Arten von Zufallsvariablen mit einigen Beispielen diskutiert.

Bedingte Varianz

Die bedingte Varianz der Zufallsvariablen X bei gegebenem Y wird in ähnlicher Weise definiert als bedingter Erwartungswert der Zufallsvariablen X bei gegebenem Y als

(X|Y)=E[(XE[X|Y])2|Y]

Hier ist Varianz die bedingte Erwartung der Differenz zwischen einer Zufallsvariablen und dem Quadrat der bedingten Erwartung von X bei gegebenem Y, wenn der Wert von Y gegeben ist.

Die Beziehung zwischen dem bedingte Varianz und bedingte Erwartung is

(X|Y) = E[X2|Y] – (E[X|Y])2

E[(X|Y)] = E[E[X2|Y]] – E[(E[X|Y])2]

= E[X2] – E[(E[X\Y])2]

da E[E[X|Y]] = E[X], haben wir

(E[X|Y]) = E[(E[X|Y])2] - (EX])2

das ist irgendwie ähnlich aus der Beziehung von unbedingter Varianz und Erwartung, die war

Var (X) = E [X.2] - (EX])2

und wir können die Varianz mit Hilfe der bedingten Varianz finden als

Var(X) = E[var(X|Y] + var(E[X|Y])

Beispiel für bedingte Abweichung

Ermitteln Sie den Mittelwert und die Varianz der Anzahl der Reisenden, die in den Bus einsteigen, wenn die am Busbahnhof angekommenen Personen Poisson-verteilt sind mit dem Mittelwert λt und der anfänglich am Busbahnhof ankommende Bus gleichmäßig über das Intervall (0,T) unabhängig von den Personen verteilt ist angekommen oder nicht.

Lösung:

Um den Mittelwert und die Varianz let für einen beliebigen Zeitpunkt t zu ermitteln, ist Y die Zufallsvariable für die Busankunftszeit und N(t) die Anzahl der Ankünfte

E[N(Y)|Y = t] = E[N(t)|Y = t]

durch die Unabhängigkeit von Y und N(t)

=λt

da N(t) Poisson mit Mittelwert ist \lambda t
Daher

E[N(Y)|Y]=λY

also die erwartungen zu nehmen gibt

E[N(Y)] = λE[Y] = λT / 2

Um Var(N(Y)) zu erhalten, verwenden wir die bedingte Varianzformel

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so

(N(Y)|Y) = λY

E[N(Y)|Y] = λY

Daher gilt aus der bedingten Varianzformel

Var(N(Y)) = E[λJ]+(λY)

=λT/2 + λ2T2/ 12

wobei wir die Tatsache verwendet haben, dass Var(Y)=T2 / 12.

Varianz einer Summe einer zufälligen Anzahl von Zufallsvariablen

Betrachten Sie die Folge von unabhängig und identisch verteilt Zufallsvariablen X1,X2,X3,………. und eine weitere Zufallsvariable N, die von dieser Folge unabhängig ist, werden wir finden Varianz der Summe dieser Sequenz als

CodeCogsEqn 92

Verwendung von

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was mit der Definition von Varianz und bedingter Varianz für die einzelne Zufallsvariable zur Summe der Folge von Zufallsvariablen also offensichtlich ist

CodeCogsEqn 93

Prognose

Bei der Vorhersage kann der Wert einer Zufallsvariablen auf der Grundlage der Beobachtung einer anderen Zufallsvariablen vorhergesagt werden. Für die Vorhersage der Zufallsvariablen Y, wenn die beobachtete Zufallsvariable X ist, verwenden wir g(X) als Funktion, die den vorhergesagten Wert angibt, offensichtlich wir versuche g(X) geschlossen zu Y zu wählen dafür das beste g ist g(X)=E(Y|X) dafür müssen wir den Wert von g minimieren mit der Ungleichung

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Diese Ungleichung können wir erhalten als

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Bei gegebenem X kann jedoch E[Y|X]-g(X) als Funktion von X als Konstante behandelt werden. So,

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was die erforderliche Ungleichung ergibt

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Beispiele zur Vorhersage

1. Es wird beobachtet, dass die Körpergröße einer Person 1 m beträgt, was wäre die Vorhersage der Körpergröße seines Sohnes nach dem Erwachsenwerden, wenn die Körpergröße des Sohnes, die jetzt x Zoll beträgt, normal mit dem Mittelwert x + 4 und der Varianz XNUMX verteilt ist.

Lösung: Sei X die Zufallsvariable, die die Größe der Person angibt, und Y die Zufallsvariable für die Größe des Sohnes, dann ist die Zufallsvariable Y

Y=X+e+1

hier repräsentiert e die normale Zufallsvariable unabhängig von der Zufallsvariablen X mit Mittelwert Null und Varianz vier.

die Vorhersage für die Größe der Söhne lautet also

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so wird die Größe des Sohnes nach dem Wachstum 73 Zoll betragen.

2. Betrachten Sie ein Beispiel für das Senden von Signalen von Standort A und Standort B, wenn von Standort A ein Signalwert s gesendet wird, der an Standort B durch Normalverteilung mit Mittelwert s und Varianz 1 empfangen wird, während das an A gesendete Signal S normalverteilt ist Wie können wir mit dem Mittelwert \mu und der Varianz \sigma^2 vorhersagen, dass der von Ort A gesendete Signalwert R am Ort B empfangen wird?

Lösung: Die Signalwerte S und R bezeichnen hier die normalverteilten Zufallsvariablen, zunächst finden wir die bedingte Dichtefunktion S gegeben R als

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dieses K ist nun unabhängig von S

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hier auch C1 und C2 unabhängig von S sind, daher ist der Wert der bedingten Dichtefunktion

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C ist auch unabhängig von s. Somit ist das von Ort A als R gesendete und am Ort B als r empfangene Signal normal mit Mittelwert und Varianz

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und der mittlere quadratische Fehler für diese Situation ist

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Linearer Prädiktor

Immer wenn wir die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nicht finden können, sind nicht einmal der Mittelwert, die Varianz und die Korrelation zwischen zwei Zufallsvariablen bekannt. In einer solchen Situation ist ein linearer Prädiktor einer Zufallsvariablen in Bezug auf eine andere Zufallsvariable sehr hilfreich, der das Minimum vorhersagen kann , also nehmen wir für den linearen Prädiktor der Zufallsvariablen Y in Bezug auf die Zufallsvariable X a und b zur Minimierung

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Unterscheide nun teilweise nach a und b und wir erhalten

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Wenn wir diese beiden Gleichungen nach a und b lösen, erhalten wir

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die Minimierung dieser Erwartung ergibt den linearen Prädiktor als

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wobei die Mittelwerte die jeweiligen Mittelwerte der Zufallsvariablen X und Y sind, erhält man den Fehler für den linearen Prädiktor mit der Erwartung von obtained

bedingte Varianz
bedingte Varianz: Fehler in der Vorhersage

Dieser Fehler liegt näher bei Null, wenn die Korrelation perfekt positiv oder perfekt negativ ist, dh der Korrelationskoeffizient ist entweder +1 oder -1.

Zusammenfassung

Die bedingte Varianz für die diskrete und stetige Zufallsvariable Es wurden verschiedene Beispiele besprochen. Eine der wichtigen Anwendungen der bedingten Erwartung in der Vorhersage wird auch anhand geeigneter Beispiele und des besten linearen Prädiktors erläutert. Wenn Sie weitere Informationen benötigen, klicken Sie auf die folgenden Links.

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