Выпуклость функции PDF и CDF стандартной нормальной случайной величины


10

Пожалуйста, предоставьте доказательство того, что является выпуклым . Здесь и являются стандартными нормальными PDF и CDF соответственно.Q(x)=x2+xϕ(x)Φ(x)∀x>0ϕΦ

ШАГИ ПРОБОВАНЫ

1) КАЛЬКУЛЬНЫЙ МЕТОД

Я попробовал метод исчисления и получил формулу для второго производного, но не смог показать, что он положительный . Пожалуйста, дайте мне знать, если вам нужна дополнительная информация.∀x>0

Наконец,

Let Q(x)=x2+xϕ(x)Φ(x)
∂Q(x)∂x=2x+x[−xϕ(x)Φ(x)−{ϕ(x)Φ(x)}2]+ϕ(x)Φ(x)
∂Q(x)∂x|x=0=ϕ(0)Φ(0)>0
∂2Q(x)∂x2=2+xϕ(x)[−Φ2(x)+x2Φ2(x)+3xϕ(x)Φ(x)+2ϕ2(x)Φ3(x)]+2[−xϕ(x)Φ(x)−{ϕ(x)Φ(x)}2]
=2+ϕ(x)[x3Φ2(x)+3x2ϕ(x)Φ(x)+2xϕ2(x)−3xΦ2(x)−2ϕ(x)Φ(x)Φ3(x)]
=[2Φ3(x)+x3Φ2(x)ϕ(x)+3x2ϕ2(x)Φ(x)+2xϕ3(x)−3xΦ2(x)ϕ(x)−2ϕ2(x)Φ(x)Φ3(x)]
Let, K(x)=2Φ3(x)+2xϕ3(x)+Φ2(x)ϕ(x)x[x2−3]+ϕ2(x)Φ(x)[3x2−2]
K(0)=14−12π>0
Для x≥3,K(x)>0 . Для x∈(0,3) ,
K′(x)=6Φ2(x)ϕ(x)+2ϕ3(x)−6x2ϕ3(x)+2Φ(x)ϕ2(x)[x3−3x]−Φ2(x)ϕ(x)[x4−3x2]+Φ2(x)ϕ(x)[3x2−3]−2ϕ2(x)Φ(x)[3x3−2x]+ϕ3(x)[3x2−2]+ϕ2(x)Φ(x)6x
K′(x)=6Φ2(x)ϕ(x)−3Φ2(x)ϕ(x)+2ϕ3(x)−2ϕ3(x)+6xΦ(x)ϕ2(x)−6xΦ(x)ϕ2(x)+3x2Φ2(x)ϕ(x)+3x2Φ2(x)ϕ(x)+2x3Φ(x)ϕ2(x)−6x3Φ(x)ϕ2(x)+3x2ϕ3(x)−6x2ϕ3(x)+4xΦ(x)ϕ2(x)−x4Φ2(x)ϕ(x)
=3Φ2(x)ϕ(x)+6x2Φ2(x)ϕ(x)+4xΦ(x)ϕ2(x)−3x2ϕ3(x)−x4Φ2(x)ϕ(x)−4x3Φ(x)ϕ2(x)
=ϕ(x)[3Φ2(x)+x{6xΦ2(x)−3xϕ2(x)−x3Φ2(x)+4Φ(x)ϕ(x)[1−x2]}]

2) ГРАФИЧЕСКИЙ / ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД

Я также смог увидеть это численно и визуально, построив графики, как показано ниже; но было бы полезно иметь надлежащее доказательство.

введите описание изображения здесь

Ответы:


9

Покажем, что вторая производная от положительна для . Во-первых, нам нужно знать, как различать и .Qx≥0Φϕ

По определению,

ddxΦ(x)=ϕ(x)=12πexp⁡(−x2/2).
Дифференцирование еще раз дает

ddxϕ(x)=−xϕ(x).

Применение этого результата к другой производной дает

d2dx2ϕ(x)=(−1+x2)ϕ(x).

Используя эти результаты, наряду с обычным произведением и частными правилами дифференцирования, мы находим, что числитель второй производной является суммой шести слагаемых. (Этот результат был получен в середине вопроса.) Удобно распределить термины по трем группам:

Φ(x)3d2dx2Q(x)=2xϕ(x)3+3x2ϕ(x)2Φ(x)+x3ϕ(x)Φ(x)2+Φ(x)(−2ϕ(x)2−3xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2).

Поскольку - это плотность вероятности, она неотрицательна, как и функция распределения . Таким образом, только третий член может быть отрицательным, когда . Его знак такой же, как у его второго фактора,ϕΦx≥0

R(x)=−2ϕ(x)2−3xϕ(x)Φ(x)+2Φ(x)2.

Есть много способов показать, что этот фактор не может быть отрицательным. Следует отметить, что

R(0)=−2ϕ(0)+2Φ(0)=1−2π>0.

Дифференциация - используя те же простые методы, что и раньше - дает

ddxR(x)=ϕ(x)(xϕ(x)+(1+3x2)Φ(x))

что явно положительно для . Поэтому является возрастающей функцией на интервале . Его минимум должен быть в , доказывая для всех .x≥0R(x)[0,∞)R(0)>0R(x)>0x≥0

Мы показали, что имеет положительную вторую производную для , QED .Qx≥0


1
Спасибо @whuber, какой отличный ответ. Очень ценю вашу помощь. Я пробовал что-то подобное и пытался уничтожить негативные термины, используя позитивные термины, но еще не пробовал комбинацию, которую вы пробовали выше. Был очень рад видеть ваш результат.
— texmex
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.