正規分布
正規分布に従う確率変数 X∼N(μ,σ2) の確率密度関数は次式で表される。
f(x;μ,σ2)=1√2πσ2exp[−(x−μ)22σ2](−∞<x<∞)
そして、次の性質がある。
E[X]=μV[X]=σ2MX(t)=exp[μt+σ22t2]
積率母関数
定理1
正規分布の積率母関数は次式で表される。
MX(t)=exp[μt+σ22t2]
確率変数 Z∼N(0,1) を考えて、
MZ(t)=E[etZ]=1√2π∫∞−∞etz⋅exp[−z22]dz=1√2π∫∞−∞exp[−12(z2−2tz)]dz=1√2π∫∞−∞exp[−12{(z–t)2–t2}]dz=exp[t22]⋅1√2π∫∞−∞exp[−(z–t)22]dz=exp[t22].
X=σZ+μ であるから、
MX(t)=E[etX]=E[et(σZ+μ)]=E[etμ]⋅E[etσZ]=exp[μt+σ22t2].
期待値
定理2
正規分布の期待値は次式で表される。
E[X]=μ
確率変数 Z∼N(0,1) を考えて、MZ(t)=et22 より、
E[Z]=ddtMZ(t)|t=0=tet22|t=0=0.
X=σZ+μ であるから、
E[X]=σE[Z]+μ=μ.
分散
定理3
正規分布の分散は次式で表される。
V[X]=σ2
確率変数 Z∼N(0,1) を考えて、MZ(t)=et22 より、
E[Z2]=d2dt2MZ(t)|t=0=ddt(tet22)|t=0=(et22+t2et22)|t=0=1.
よって、
V[Z]=E[Z2]–E[Z]2=1.
X=σZ+μ であるから、
V[X]=V[σZ+μ]=σ2V[Z]=σ2.