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Densidad normal trivariante conjunta

Ahora introduzco el problema:

Supongamos $\mathbf{z} = (z_1, z_2,z_3)$ sea una variable normal trivariante. Quiero encontrar la matriz de covarianza de $\mathbf{z}$ . I ahora que la densidad de $(z_1, z_2)$ es una normal bivariante con vector media $(\mu_1, \mu_2)$ y la matriz de covarianza $$ \left( \begin{array}{cc} \sigma_1^2 & \sigma_1\sigma_2 \rho \\ \sigma_1\sigma_2 \rho & \sigma_2^2 \\ \end{array} \right) $$ y ahora que $z_3 | z_1, z_2 = \beta_0+\beta_1z_1+\beta_2 z_2+\epsilon$ donde $\epsilon \sim N(0, \sigma_3^2)$ y, a continuación, la distribución de $z_3 | z_1, z_2$ es normal con media $\beta_0+\beta_1z_1+\beta_2 z_2$ y varianza $\sigma_3^2$ .

Quiero encontrar la distribución de $z_1, z_2, z_3$ . Creo que es una normal trivariada con media $\mu_1, \mu_2, \beta_0$ y la matriz de covarianza $$ \left( \begin{array}{ccc} \sigma_1^2 & \sigma_1\sigma_2 \rho& \beta_1\sigma_1^2+\beta_2 \sigma_1\sigma_2 \rho \\ \sigma_1\sigma_2 \rho & \sigma_2^2 & \beta_1\sigma_1\sigma_2 \rho +\beta_2\sigma_2^2 \\ \beta_1\sigma_1^2+\beta_2 \sigma_1\sigma_2 \rho & \beta_1\sigma_1\sigma_2 \rho +\beta_2\sigma_2^2 & \beta_1^2\sigma_1^2+\beta_2^2\sigma_2^2+\sigma_3^2 \end{array} \right) $$

Creo que esto es correcto pero con $\sigma_1^2=0.4$ , $\sigma_2^2=1$ , $\sigma_3^2=0.4$ , $\rho=-0.1$ , $\beta_1=-2$ y $\beta_2 = 3$ la matriz no es definida positiva definida, es decir, si intento simular una variable normal trivariada en R obtengo el siguiente mensaje:

Error en chol.default(V):
el menor principal de orden 3 no es positivo definido

¿Dónde está el error?

4voto

Awita Puntos 41

También se puede utilizar la simetría y la linealidad del operador de covarianza, es decir $$\eqalign{\text{cov}(x+y,z)&=\text{cov}(x,z)+\text{cov}(y,z), \hspace{0.5em}\text{cov}(\alpha x,y) &= \alpha \,\text{cov}(x,y), \hspace{0.5em} \text{cov}(x,y) = \text{cov}(y,x)}$$ El elemento que faltaba $\text{var}(z_3)$ se puede hallar mediante $$\eqalign{\text{var}(z_3)=\text{cov}(z_3,z_3)&=\text{cov}(\beta_0+\beta_1 z_1 + \beta_2 \,z_2 + \varepsilon,\beta_0+\beta_1 z_1 + \beta_2 \,z_2 + \varepsilon)\\ &=\beta_1^2 \text{cov}(z_1,z_1) + \beta_2^2 \text{cov}(z_2,z_2) + 2\beta_1 \beta_2 \text{cov}(z_1,z_2) + \text{cov}(\varepsilon,\varepsilon)\\ &= \beta_1^2 \sigma_1^2 + \beta_2^2\sigma_2^2 + 2\beta_1\beta_2\sigma_1\sigma_2\rho + \sigma_3^2}$$ donde las covarianzas con $\beta_0$ y $\beta_1$ como argumentos, porque la covarianza cuando un argumento es constante da cero. Además $\text{cov}(\varepsilon,z_1)=0$ y $\text{cov}(\varepsilon,z_2)=0$

3voto

jldugger Puntos 7490

En Ley de la covarianza total aplicado a $z_3$ afirma

$$\text{Var}(z_3) = \mathbb{E}(\text{Var}(z_3\ |\ (z_1,z_2)) + \text{Var}\left(\mathbb{E}(z_3\ |\ (z_1, z_2))\right)$$

de donde, porque $\mathbb{E}(\varepsilon)=0$ y $\text{Var}(\varepsilon)=\sigma_3^2$ ,

$$\eqalign{ \text{Var}(z_3) &= \mathbb{E}(\sigma_3^2) + \text{Var}(\mathbb{E}(\beta_0+\beta_1z_1+\beta_2z_2+\varepsilon\ |\ (z_1,z_2))) \\ &= \sigma_3^2 + \text{Var}(\beta_0 + \beta_1z_1 + \beta_2z_2) \\ &= \sigma_3^2 + \beta_1^2\sigma_1^2 + \beta_2^2\sigma_2^2 + 2\beta_1\beta_2\sigma_1\sigma_2\rho. }$$

Que es lo que corresponde a la entrada inferior derecha de la matriz de covarianza.

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