要定义卡方分布,我们需要首先定义伽马函数:
Γ
(
p
)
=
∫
0
+
∞
x
p
−
1
e
−
x
d
x
,
p
>
0
(1)
\Gamma(p) = \int_{0}^{+ \infty} x^{p-1} e^{-x} dx, p >0 \tag{1}
Γ(p)=∫0+∞xp−1e−xdx,p>0(1)
如果我们使用分部积分,
Γ
(
p
)
=
∫
0
+
∞
x
p
−
1
e
−
x
d
x
=
∫
0
+
∞
−
x
p
−
1
d
e
−
x
=
−
x
p
−
1
e
−
x
∣
0
+
∞
−
∫
0
+
∞
[
−
e
−
x
(
p
−
1
)
x
p
−
2
]
d
x
=
(
p
−
1
)
Γ
(
p
−
1
)
(2)
通过这种方式,我们可以证明伽玛函数服从一个有趣的递归关系。
Γ
(
p
)
=
(
p
−
1
)
Γ
(
p
−
1
)
=
(
p
−
1
)
(
p
−
2
)
Γ
(
p
−
2
)
=
(
p
−
1
)
(
p
−
2
)
⋯
Γ
(
1
)
(3)
容易计算
Γ
(
1
)
=
1
(4)
\Gamma(1) = 1 \tag{4}
Γ(1)=1(4)
因此,我们可以得到
Γ
(
p
)
=
(
p
−
1
)
!
(5)
\Gamma(p) = (p-1)! \tag{5}
Γ(p)=(p−1)!(5)
另外,我们可以计算
Γ
(
1
2
)
=
∫
0
+
∞
x
−
1
2
e
−
x
d
x
=
2
∫
0
+
∞
e
−
x
d
x
1
2
=
2
∫
0
+
∞
e
−
u
2
d
u
=
2
⋅
2
π
1
2
⋅
1
2
π
1
2
∫
0
+
∞
e
−
u
2
d
u
=
2
π
⋅
1
2
=
π
(6)
如果
x
\boldsymbol x
x由
n
n
n个独立同分布(i.i.d.)的随机变量构成,
x
i
∼
N
(
0
,
1
)
,
i
=
0
,
1
,
⋯
,
n
x_i \sim \mathcal N(0, 1), i=0,1,\cdots, n
xi∼N(0,1),i=0,1,⋯,n,那么
y
=
∑
i
=
1
n
x
i
2
∼
χ
n
2
(7)
y = \sum_{i=1}^{n} x^2_i \sim \chi^2_n \tag{7}
y=i=1∑nxi2∼χn2(7)
where
χ
n
2
\chi^2_n
χn2 denotes a
χ
2
\chi^2
χ2 random variable with
n
n
n degree of freedom. PDF:
p
(
y
)
=
{
1
2
n
2
Γ
(
n
2
)
y
n
2
−
1
exp
−
(
1
2
y
)
for
y
≥
0
0
for
y
<
0
(8)
p(y) =
其中
Γ
(
u
)
\Gamma(u)
Γ(u)是伽马函数。随机变量
y
y
y的均值和方差分别为:
E
[
y
]
=
n
var
[
y
]
=
2
n
(9)
补充
如果
x
i
∼
N
(
0
,
σ
2
)
,
i
=
0
,
1
,
⋯
,
n
x_i \sim \mathcal N(0, \sigma^2), i=0,1,\cdots, n
xi∼N(0,σ2),i=0,1,⋯,n,那么
p
(
y
)
=
{
1
σ
n
2
n
2
Γ
(
n
2
)
y
n
2
−
1
exp
−
(
1
2
σ
2
y
)
for
y
≥
0
0
for
y
<
0
(10)
p(y) =
这时,随机变量
y
y
y的均值和方差分别为:
E
[
y
]
=
n
σ
2
var
[
y
]
=
2
n
σ
4
(11)