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千葉大学 理学研究科 基盤理学専攻 数学・情報数理学コース 2015年8月実施 専門 B8

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

XX を非負値確率変数とし、Γ(s)=∫0∞e−tts−1 dt\Gamma(s)=\int_0^\infty e^{-t}t^{s-1}\,dt とする。次を示せ。無限大となる場合も拡張実数の等式として扱う。

(1) r>0r>0 に対して

E[X−r]=1Γ(r)∫0∞tr−1E[e−tX] dt.E[X^{-r}]=\frac1{\Gamma(r)}\int_0^\infty t^{r-1}E[e^{-tX}]\,dt.

(2) 0<r<10<r<1 に対して

E[Xr]=rΓ(1−r)∫0∞1−E[e−tX]tr+1 dt.E[X^r]=\frac r{\Gamma(1-r)}\int_0^\infty\frac{1-E[e^{-tX}]}{t^{r+1}}\,dt.

(3) n∈N,n<r<n+1n\in\mathbb N,n<r<n+1 とし、ϕ(t)=E[e−tX]\phi(t)=E[e^{-tX}] が t=0t=0 を含め nn 階連続微分可能ならば

E[Xr]=r−nΓ(n+1−r)∫0∞(−1)nϕ(n)(0)−ϕ(n)(t)tr+1−n dt.E[X^r]=\frac{r-n}{\Gamma(n+1-r)}\int_0^\infty (-1)^n\frac{\phi^{(n)}(0)-\phi^{(n)}(t)}{t^{r+1-n}}\,dt.

题目描述​

设 X≥0X\ge0 为随机变量,Γ(s)=∫0∞e−tts−1 dt\Gamma(s)=\int_0^\infty e^{-t}t^{s-1}\,dt。证明:

(1) 对 r>0r>0,E[X−r]=Γ(r)−1∫0∞tr−1E[e−tX] dtE[X^{-r}]=\Gamma(r)^{-1}\int_0^\infty t^{r-1}E[e^{-tX}]\,dt。

(2) 对 0<r<10<r<1,E[Xr]=rΓ(1−r)−1∫0∞(1−E[e−tX])/tr+1 dtE[X^r]=r\Gamma(1-r)^{-1}\int_0^\infty(1-E[e^{-tX}])/t^{r+1}\,dt。

(3) 若 n<r<n+1n<r<n+1,且 ϕ(t)=E[e−tX]\phi(t)=E[e^{-tX}] 在包含零的区间上为 nn 次连续可微,证明

E[Xr]=r−nΓ(n+1−r)∫0∞(−1)nϕ(n)(0)−ϕ(n)(t)tr+1−n dt.E[X^r]=\frac{r-n}{\Gamma(n+1-r)}\int_0^\infty(-1)^n\frac{\phi^{(n)}(0)-\phi^{(n)}(t)}{t^{r+1-n}}\,dt.

允许等式两边同时为无穷大。

Kai​

(1)​

x>0x>0 に対し u=txu=tx と置けば

∫0∞tr−1e−tx dt=x−rΓ(r).\int_0^\infty t^{r-1}e^{-tx}\,dt=x^{-r}\Gamma(r).

x=0x=0 では両辺を +∞+\infty と読む。x=Xx=X として期待値を取り、非負関数に対する Tonelli の定理で積分と期待値を交換すれば結論を得る。

(2)​

部分積分により、0<r<10<r<1 では

∫0∞1−e−uur+1 du=1r∫0∞e−uu−r du=Γ(1−r)r.\int_0^\infty\frac{1-e^{-u}}{u^{r+1}}\,du =\frac1r\int_0^\infty e^{-u}u^{-r}\,du =\frac{\Gamma(1-r)}r.

境界項は、零の近くで 1−e−u=O(u)1-e^{-u}=O(u)、無限遠で u−r→0u^{-r}\to0 なので消える。従って各 x≥0x\ge0 について

xr=rΓ(1−r)∫0∞(1−e−tx)t−r−1 dt.x^r=\frac r{\Gamma(1-r)}\int_0^\infty(1-e^{-tx})t^{-r-1}\,dt.

Tonelli の定理により期待値を取ればよい。

(3)​

t>0t>0 では xne−txx^ne^{-tx} が有界なので積分内微分ができ、

(−1)nϕ(n)(t)=E[Xne−tX].(-1)^n\phi^{(n)}(t)=E[X^ne^{-tX}].

t↓0t\downarrow0 として単調収束定理と ϕ(n)\phi^{(n)} の零での連続性を用いると、E[Xn]=(−1)nϕ(n)(0)<∞E[X^n]=(-1)^n\phi^{(n)}(0)<\infty。従って

(−1)n(ϕ(n)(0)−ϕ(n)(t))=E[Xn(1−e−tX)].(-1)^n(\phi^{(n)}(0)-\phi^{(n)}(t))=E[X^n(1-e^{-tX})].

s=r−n∈(0,1)s=r-n\in(0,1) とする。(2) の各点での積分恒等式に xnx^n を掛け、Tonelli の定理を用いると

E[Xr]=sΓ(1−s)∫0∞E[Xn(1−e−tX)]t−s−1 dt,E[X^r]=\frac{s}{\Gamma(1-s)}\int_0^\infty E[X^n(1-e^{-tX})]t^{-s-1}\,dt,

これは求める等式である。