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九州大学 数理学府 MMAコース 2020年度 [4]

Author

Miyake

Description

Kai

(1)

\(z=x+y, w=x\) とすると、 \(x=w, y=z-w\) であるから、

\[ \begin{aligned} \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial z} & \frac{\partial x}{\partial w} \\ \frac{\partial y}{\partial z} & \frac{\partial y}{\partial w} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 1 & -1 \end{vmatrix} = -1 \end{aligned} \]

である。 さらに、 \(X,Y\) の同時確率密度関数は \(f(x) f(y)\) であるから、 \(Z=X+Y, W=X\) の同時確率密度関数 \(f_{ZW}(z,w)\) は、

\[ \begin{aligned} f_{ZW}(z,w) &= f(x) f(y) |-1| \\ &= f(w) f(z-w) \end{aligned} \]

である。 よって、

\[ \begin{aligned} f_Z(z) &= \int_{- \infty}^\infty f_{ZW}(z,w) dw \\ &= \int_{- \infty}^\infty f(w) f(z-w) dw \\ &= \int_{- \infty}^\infty f(x) f(z-x) dx \end{aligned} \]

を得る。

(2)

(1) で示した通り、

\[ \begin{aligned} f_Z(z) &= \int_{- \infty}^\infty f(x) f(z-x) dx \end{aligned} \]

であるが、今の場合、 \(0 \leq x \leq 1\) かつ \(0 \leq z-x \leq 1\) の場合以外は被積分関数は \(0\) である。 それをふまえて、 \(0 \leq z \leq 1\) のときは、

\[ \begin{aligned} f_Z(z) &= 4 \int_0^z x (z-x) dx \\ &= \frac{2}{3} z^3 \end{aligned} \]

であり、 \(1 \leq z \leq 2\) のときは、

\[ \begin{aligned} f_Z(z) &= 4 \int_{z-1}^1 x (z-x) dx \\ &= \frac{2}{3} ( - z^3 + 6x - 4 ) \end{aligned} \]

であり、 それ以外のときは、

\[ \begin{aligned} f_Z(z) &= 0 \end{aligned} \]

である。