第 2 回 Q-Qプロット、第2回課題

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2-1. 確率(1)

定義

事象により、確率変数 X はある値をとる。 Xの変域として実数を考える。 Xが x以下の 値を取る確率 Pr⁡( X≤x ) を累積分布関数 F⁡ ( x ) という。 累積分布関数 F の導関数 f を確率密度関数といい、 F⁡ ( x ) = ∫ -∞ x f⁡ ( t ) ⅆ t で定義する。 これは F⁡ ( -∞ ) = 0 、 F⁡ ( ∞ ) = ∫ -∞ ∞ ⅆ F⁡ ( t ) = ∫ -∞ ∞ f⁡ ( t ) ⅆ t = 1 を満たす。 Pr ⁡ ( X < a , Y < b ) = Pr ⁡ ( X < a ) ⁢ Pr ⁡ ( Y < b ) のとき、 X と Y は独立であると言う。

平均 μ = Ex ⁡ ( X ) は ∫ -∞ ∞ x ⅆ F ⁡ ( x ) = ∫ -∞ ∞ x ⁢ f ⁡ ( x ) ⅆ x である。 分散は σ 2 = Var ⁡ ( X ) = Ex ⁡ ( ( x - μ ) 2 )

Ex ⁡ ( a ⁢ X + Y + b ) = a ⁢ Ex ⁡ ( X ) + Ex ⁡ ( Y ) + b
Var ⁡ ( X ) = ∫ -∞ ∞ ( x - μ ) 2 ⁢ f ⁡ ( x ) ⅆ x = ∫ -∞ ∞ x 2 ⁢ f ⁡ ( x ) ⅆ x - 2 ⁢ μ ⁢ ∫ -∞ ∞ x ⁢ f ⁡ ( x ) ⅆ x + μ 2 = Ex ⁡ ( X 2 ) - Ex ⁡ ( X ) 2
Var ⁡ ( a ⁢ X + b ) = Ex ⁡ ( ( a ⁢ X + b ) 2 ) - Ex ⁡ ( a ⁢ X + b ) 2 = a 2 ⁢ Ex ⁡ ( X 2 ) + 2 ⁢ a ⁢ b ⁢ Ex ⁡ ( X ) + b 2 - a 2 ⁢ Ex ⁡ ( X ) 2 - 2 ⁢ a ⁢ b ⁢ Ex ⁡ ( X ) - b 2 = a 2 ⁢ Var ⁡ ( X )

確率変数 X が平均 0、分散1のとき、 Y = σ ⁢ X + μ は平均 μ、分散 σ2 になる。 X の 確率密度関数が f ⁡ ( x ) であるとき、 Y の 確率密度関数は Pr⁡( Y≤y ) = Pr⁡( σ ⁢ X + μ ≤y ) = ∫ -∞ y - μ σ f⁡ ( t ) ⅆ t = ∫ -∞ y 1 σ f⁡ ( s - μ σ ) ⅆ s より 1 σ f⁡ ( x - μ σ ) となる。

モーメント母関数(積率母関数)を M X ⁡ ( t ) = Ex ⁡ ( e t ⁢ X )

特性関数を φ X ⁡ ( t ) = Ex ⁡ ( e i ⁢ t ⁢ X ) = ∫ -∞ ∞ e i ⁢ t ⁢ x ⅆ F ⁡ ( x ) = ∫ -∞ ∞ e i ⁢ t ⁢ x ⁢ f ⁡ ( x ) ⅆ x とする。 これは確率密度関数のフーリエ変換になるので、 逆フーリエ変換を考えると次が成り立つ。 f ⁡ ( x ) = 1 2 ⁢ π ⁢ ∫ -∞ ∞ e i ⁢ t ⁢ x ⁢ φ X ⁡ ( t ) ⅆ t

中心極限定理と正規分布

X1 , ... , Xn を 独立で、 平均が μで 分散が σ2 となる、任意の同じ確率分布の確率変数とする。 このとき、 Sn = X1 + ... + Xn は nが大きくなると 平均 n⁢μ 、 分散 n⁢ σ2 の正規分布に収束する。

証明

Zn = Sn - n ⁢ μ n ⁢ σ2 が平均0, 分散 1 の正規分布に従うことを示す。

Zn の積率母関数を考える。

M Z n ⁡ ( t ) = Ex⁡ ( e t ⁢ Zn ) = Ex⁡ ( e t ⁢ X1 - μ n ⁢ σ2 ) · ... · Ex⁡ ( e t ⁢ Xn - μ n ⁢ σ2 ) = Ex⁡ ( e t ⁢ X - μ n ⁢ σ2 ) n
= Ex⁡ ( 1 + 1 1 ! ⁢ X - μ n ⁢ σ2 ⁢ t + 1 2 ! ⁢ ( X - μ n ⁢ σ2 ) 2 ⁢ t 2 + O ⁡ ( n - 3 2 ) ) n
= ( 1 + t n ⁢ σ2 ⁢ ( Ex ⁡ ( X ) - μ ) + 12 ⁢ ( t n ⁢ σ2 ) 2 ⁢ Ex ⁡ ( ( X - μ ) 2 ) + O ⁡ ( n - 3 2 ) ) n
= ( 1 + t n ⁢ σ2 ⁢ ( μ - μ ) + 12 ⁢ t 2 n ⁢ σ 2 ⁢ σ2 + O ⁡ ( n - 3 2 ) ) n
= ( 1 + 0 + t 2 2 n + O ⁡ ( n - 3 2 ) ) n
→ e t 2 2

特性関数は φ Zn ⁡ ( t ) = M Zn ⁡ ( i ⁢ t ) = e - t 2 2 となるので、これを逆フーリエ変換して確率密度関数関数を求める。

f ⁡ ( x ) = 1 2 ⁢ π ⁢ ∫ -∞ ∞ e i ⁢ x ⁢ t ⁢ e - t 2 2 ⅆ t = 1 2 ⁢ π ⁢ ∫ -∞ ∞ e - x 2 2 ⁢ e - ( t - i ⁢ x ) 2 2 ⅆ t = 1 2 ⁢ π ⁢ e - x 2 2 ⁢ ∫ -∞ ∞ e - s 2 ⁢ 2 ⁢ ⅆ s = 1 2 ⁢ π ⁢ e - x 2 2

Q.E.D.

平均 μ 分散 σ2 の正規分布を N ⁡ ( μ , σ2 ) で表す。 確率密度関数は 1 2 ⁢ π ⁢ σ ⁢ e - 1 2 ⁢ ( x - μ σ ) 2 。 Φ ⁡ ( x ) = 1 2 ⁢ π ⁢ ∫ -∞ x e - t 2 2 ⁢ ⅆ t とすると、累積分布関数は Φ ⁡ ( x - μ σ ) 。

モーメント母関数は
Ex⁢ ( e X ⁢ t ) = ∫ -∞ ∞ e x ⁢ t ⁢ 1 2 ⁢ π ⁢ σ 2 ⁢ e - ( x - μ ) 2 2 ⁢ σ 2 ⁢ ⅆ x
= 1 2 ⁢ π ⁢ σ 2 ⁢ e μ ⁢ t + σ 2 2 ⁢ t 2 ⁢ ∫ -∞ ∞ e - s 2 ⁢ 2 ⁢ σ 2 ⅆ s
= e μ ⁢ t + σ 2 2 ⁢ t 2

様々な確率分布(1)

指数分布
平均 1/λ 、 分散 1/λ2 の指数分布の確率密度関数は f ⁡ ( x ) = λ ⁢ e - λ ⁢ x 、累積分布関数は f ⁡ ( x ) = λ ⁢ e - λ ⁢ x 。 モーメント母関数は 1 1 - t / λ 。
対数正規分布
確率密度関数は 1 2 ⁢ π ⁢ σ 2 ⁢ x ⁢ exp ⁡ ( - 1 2 ⁢ ( ln ⁡ x - μ σ ) 2 ) 、累積分布関数は Φ ⁡ ( ln ⁡ x - μ σ )

再生性

確率分布族に含まれる確率分布 F1, F2 に従う確率変数 X1, X2 に対して、 Y = X1 + X2 の確率分布が同じ確率分布族に含まれるとき、 その確率分布族は再生性があると言います。

直接確率分布を計算する他に、モーメント母関数から求める方法がありま す。 Yのモーメント母関数は Ex⁡ ( e Y ⁢ t ) = Ex⁡ ( e ( X 1 + X 2 ) ⁢ t ) = = Ex⁡ ( e X 1 ⁢ t ) ⁢ Ex⁡ ( e X 2 ⁢ t ) より、モーメント母関数の積が同じ確率分布族になる場合、再生性がある と言える。

正規分布
N ⁡ ( μ 1 , σ 1 2 ) , N ⁡ ( μ 2 , σ 2 2 ) のそれぞれのモーメント母関数 e μ 1 ⁢ t + σ 1 2 2 ⁢ t 2 , e μ 2 ⁢ t + σ 2 2 2 ⁢ t 2 の積を考えると e ( μ 1 + μ 2 ) ⁢ t + ( σ 1 2 + σ 2 2 ) 2 ⁢ t 2 となり、 N ⁡ ( μ 1 + μ 2 , σ 1 2 + σ 2 2 ) のモーメント母関数となるため、再生性を持つ。
指数分布
対数正規分布

2-2. Q-Qプロット

Q-Qプロットの Q は quantiles分位数を意味します。 累積分布関数Fを持つ確率分布に従うとき、 q分位数 Qqは q= F⁡ ( Qq ) となる値である。 Q-Qプロットは定義とすれば、2つの確率分布 D1, D2 について、 q分位数 がそれぞれ Q1 ⁡ ( q ) , Q2 ⁡ ( q ) とすると、 q をパラメータとして ( Q1 ⁡ ( q ) , Q2 ⁡ ( q ) ) をプロットしたものが Q-Qプロットになる。 もし、 D1 と D2 が同じ分布のとき、 このグラフは y = x のグラフになる。 n個のデータ x1 , ... , xn , ( x1 ≤ ... ≤ xn ) の i番目のデータを in 分位数 とみなし、 また、このデータが従う確率分布の累積分布関数が F ⁡ ( X ) のとき、 ( xi , F -1 ( i n ) ) をプロットすると、 y = x 上に並ぶ。 もし、 このデータ系列が また、このデータが従う確率分布の累積分布関数が F ⁡ ( σ ⁢ X + μ ) に従っているとき、 ( xi , F -1 ( i n ) ) をプロットすると、 y = σ ⁢ x + μ 上に点が並ぶ。 つまり、平均、分散をパラメータとして与えられる確率分布に 従うデータに関しては、 平均0、分散1の確率分布の分位数を考えることで、 Q-Qプロットで直線が得られる。

特に、 N ⁡ ( 0 , 1 ) の累積分布関数 Φ に関して、 ( xi , Φ -1 ( i n ) ) をプロットするのを 正規確率プロット と呼ぶ。

Q-Qプロットをすると、与えられたデータが仮定した確率分布とどの程度 類似しているかを可視化できる。 なお、仮定する確率分布として、正規分布の他、指数分布や対数正規分布など、 様々なものが使われる。

課題

以下のデータをダウンロードし、何らかの確率分布を仮定し、Q-Qプロット で類似性を可視化すること。 また、Q-Qプロットから確率分布を推定しなさい。

  1. data21.csv
  2. data22.csv

坂本直志 <sakamoto@c.dendai.ac.jp>
東京電機大学工学部情報通信工学科