Construção da distribuição Dirichlet com distribuição Gamma

Os jacobianos - os determinantes absolutos da mudança de função variável - parecem formidáveis e podem ser complicados. No entanto, eles são uma parte essencial e inevitável do cálculo de uma mudança multivariada de variável. Parece que não há nada a fazer além de escrever uma matriz de derivadas $k+1$ por $k+1$ e fazer o cálculo.

Existe uma maneira melhor. É mostrado no final da seção "Solução". Como o objetivo deste post é apresentar aos estatísticos o que pode ser um novo método para muitos, grande parte dele é dedicado à explicação do mecanismo por trás da solução. Esta é a álgebra de formas diferenciais . (Formas diferenciais são as coisas que se integram em várias dimensões.) Um exemplo detalhado e trabalhado é incluído para ajudar a tornar isso mais familiar.

fundo

Há mais de um século, os matemáticos desenvolveram a teoria da álgebra diferencial para trabalhar com as "derivadas de ordem superior" que ocorrem na geometria multidimensional. O determinante é um caso especial dos objetos básicos manipulados por essas álgebras, que normalmente são formas multilineares alternadas . A beleza disso reside em quão simples os cálculos podem se tornar.

Aqui está tudo o que você precisa saber.

Um diferencial é uma expressão da forma " $dx_i$ ". É a concatenação de " $d$ " com qualquer nome de variável.
Uma forma única é uma combinação linear de diferenciais, como $dx_1+dx_2$ ou mesmo . Ou seja, os coeficientes são funções das variáveis. $x_2 dx_1 - \exp(x_2) dx_2$
Os formulários podem ser "multiplicados" usando um produto de cunha , escrito . Este produto é anti-comutativo (também chamado de alternância ): para quaisquer duas formas e , $\wedge$ $\omega$ $\eta$

$ω \land η = - η \land ω .$ $\omega \wedge \eta = -\eta \wedge \omega.$
Essa multiplicação é linear e associativa: em outras palavras, funciona da maneira familiar. Uma conseqüência imediata é que , implicando que o quadrado de qualquer forma única é sempre zero. Isso torna a multiplicação extremamente fácil! $\omega \wedge \omega = -\omega \wedge \omega$
Para fins de manipulação dos integrandos que aparecem nos cálculos de probabilidade, uma expressão como pode ser entendida como $dx_1 dx_2 \cdots dx_{k+1}$ . $|dx_1\wedge dx_2 \wedge \cdots \wedge dx_{k+1}|$
Quando é uma função, então seu diferencial é dado por diferenciação: $y = g(x_1, \ldots, x_n)$

$d y = d g (x_{1}, \dots, x_{n}) = \frac{\partial g}{\partial x_{1}} (x_{1}, \dots, x_{n}) d x_{1} + \dots + \frac{\partial g}{\partial x_{1}} (x_{1}, \dots, x_{n}) d x_{n} .$ $dy = dg(x_1, \ldots, x_n) = \frac{\partial g}{\partial x_1}(x_1, \ldots, x_n) dx_1 + \cdots + \frac{\partial g}{\partial x_1}(x_1, \ldots, x_n) dx_n.$

A conexão com os jacobianos é a seguinte: o jacobiano de uma transformação é, até o momento, simplesmente o coeficiente de $(y_1, \ldots, y_n) = F(x_1, \ldots, x_n) = (f_1(x_1, \ldots, x_n), \ldots, f_n(x_1, \ldots, x_n))$ que aparece na computação $dx_1\wedge \dots \wedge dx_n$

d y_{1} \land \dots \land d y_{n} = d f_{1} (x_{1}, \dots, x_{n}) \land \dots \land d f_{n} (x_{1}, \dots, x_{n})

$dy_1 \wedge \cdots \wedge dy_n = df_1(x_1,\ldots, x_n)\wedge \cdots \wedge df_n(x_1, \ldots, x_n)$

depois de expandir cada um dos como uma combinação linear dos na regra (5). $df_i$ $dx_j$

Exemplo

A simplicidade dessa definição de jacobiana é atraente. Ainda não está convencido de que vale a pena? Considere o conhecido problema de converter integrais bidimensionais de coordenadas cartesianas em coordenadas polares , onde $(x, y)$ $(r,\theta)$ . A seguir, é uma aplicação totalmente mecânica das regras anteriores, onde " $(x,y) = (r\cos(\theta), r\sin(\theta))$ $(*)$ "é usado para abreviar expressões que obviamente desaparecerão em virtude da regra (3), que implica em . $dr\wedge dr = d\theta\wedge d\theta = 0$

\begin{aligned} d x d y & = | d x \land d y | = | d (r \cos (θ)) \land d (r \sin (θ)) | \\ = | (\cos (θ) d r - r \sin (θ) d θ) \land (\sin (θ) d r + r \cos (θ) d θ | \\ = | (*) d r \land d r + (*) d θ \land d θ - r \sin (θ) d θ \land \sin (θ) d r + \cos (θ) d r \land r \cos (θ) d θ | \\ = | 0 + 0 + r \sin^{2} (θ) d r \land d θ + r \cos^{2} (θ) d r \land d θ | \\ = | r (\sin^{2} (θ) + \cos^{2} (θ)) d r \land d θ) | \\ = r d r d θ \end{aligned} .

$\eqalign{ dx dy &= |dx\wedge dy| = |d(r\cos(\theta)) \wedge d(r\sin(\theta))| \\ &= |(\cos(\theta)dr - r\sin(\theta)d\theta) \wedge (\sin(\theta)dr + r\cos(\theta)d\theta| \\ &= |(*)dr\wedge dr + (*) d\theta\wedge d\theta - r\sin(\theta)d\theta\wedge \sin(\theta)dr + \cos(\theta)dr \wedge r\cos(\theta) d\theta| \\ &= |0 + 0 + r\sin^2(\theta) dr\wedge d\theta + r\cos^2(\theta) dr\wedge d\theta| \\ &= |r(\sin^2(\theta) + \cos^2(\theta)) dr\wedge d\theta)| \\ &= r\ dr d\theta }.$

O ponto disso é a facilidade com que esses cálculos podem ser executados, sem mexer com matrizes, determinantes ou outros objetos multi-indiciais. Você apenas multiplica as coisas, lembrando que as fatias são anti-comutativas. É mais fácil do que o que é ensinado na álgebra do ensino médio.

Preliminares

Vamos ver essa álgebra diferencial em ação. Em este problema, o PDF da distribuição conjunta de é o produto dos PDF individuais (porque o são assumidos como sendo independente). Para lidar com a mudança nas variáveis , devemos ser explícitos sobre os elementos diferenciais que serão integrados. Estes formam o termo $(X_1, X_2, \ldots, X_{k+1})$ $X_i$ $Y_i$ $dx_1 dx_2 \cdots dx_{k+1}$ . Including the PDF gives the probability element

\begin{aligned} f_{X} (x, α) d x_{1} \dots d x_{k + 1} & \propto (x_{1}^{α_{1} - 1} \exp (- x_{1})) \dots (x_{k + 1}^{α_{k + 1} - 1} \exp (- x_{k + 1})) d x_{1} \dots d x_{k + 1} \\ = x_{1}^{α_{1} - 1} \dots x_{k + 1}^{α_{k + 1} - 1} \exp (- (x_{1} + \dots + x_{k + 1})) d x_{1} \dots d x_{k + 1} . \end{aligned}

$\eqalign{ f_\mathbf{X}(\mathbf{x},\mathbf{\alpha})dx_1 \cdots dx_{k+1} &\propto \left(x_1^{\alpha_1-1}\exp\left(-x_1\right)\right)\cdots \left(x_{k+1}^{\alpha_{k+1}-1}\exp\left(-x_{k+1}\right) \right)dx_1 \cdots dx_{k+1} \\ &= x_1^{\alpha_1-1}\cdots x_{k+1}^{\alpha_{k+1}-1}\exp\left(-\left(x_1+\cdots+x_{k+1}\right)\right)dx_1 \cdots dx_{k+1}. }$

(The normalizing constant has been ignored; it will be recovered at the end.)

Staring at the definitions of the $Y_i$ a few seconds ought to reveal the utility of introducing the new variable

Z = X_{1} + X_{2} + \dots + X_{k + 1},

$Z = X_1 + X_2 + \cdots + X_{k+1},$

giving the relationships

X_{i} = Y_{i} Z .

$X_i = Y_i Z.$

This suggests making the change of variables $x_i \to y_i z$ in the probability element. The intention is to retain the first $k$ variables $y_1, \ldots, y_k$ along with $z$ and then integrate out $z$ . To do so, we have to re-express all the $dx_i$ in terms of the new variables. This is the heart of the problem. It's where the differential algebra takes place. To begin with,

d x_{i} = d (y_{i} z) = y_{i} d z + z d y_{i} .

$dx_i = d(y_i z) = y_i dz + z dy_i.$

Note that since $Y_1+Y_2+\cdots+Y_{k+1}=1$ , then

0 = d (1) = d (y_{1} + y_{2} + \dots + y_{k + 1}) = d y_{1} + d y_{2} + \dots + d y_{k + 1} .

$0 = d(1) = d(y_1 + y_2 + \cdots + y_{k+1}) = dy_1 + dy_2 + \cdots + dy_{k+1}.$

Consider the one-form

ω = d x_{1} + \dots + d x_{k} = z (d y_{1} + \dots + d y_{k}) + (y_{1} + \dots + y_{k}) d z .

$\omega = dx_1 + \cdots + dx_k = z(dy_1 + \cdots + dy_k) + (y_1+\cdots + y_k) dz.$

It appears in the differential of the last variable:

\begin{aligned} d x_{k + 1} & = z d y_{k + 1} + y_{k + 1} d z \\ = - z (d y_{1} + \dots + d y_{k}) + (1 - y_{1} - \dots y_{k}) d z \\ = d z - ω . \end{aligned}

$\eqalign{ dx_{k+1} &= z dy_{k+1} + y_{k+1}dz \\ &= -z(dy_1 + \cdots + dy_k) + (1-y_1-\cdots y_k)dz \\ &= dz - \omega. }$

The value of this lies in the observation that

d x_{1} \land \dots \land d x_{k} \land ω = 0

$dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_k \wedge \omega = 0$

because, when you expand this product, there is one term containing $dx_1 \wedge dx_1 = 0$ as a factor, another containing $dx_2 \wedge dx_2 = 0$ , and so on: they all disappear. Consequently,

\begin{aligned} d x_{1} \land \dots \land d x_{k} \land d x_{k + 1} & = d x_{1} \land \dots \land d x_{k} \land z - d x_{1} \land \dots \land d x_{k} \land ω \\ = d x_{1} \land \dots \land d x_{k} \land z . \end{aligned}

$\eqalign{ dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_k \wedge dx_{k+1} &= dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_k \wedge z - dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_k \wedge \omega \\ &= dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_k \wedge z. }$

Whence (because all products $dz\wedge dz$ disappear),

\begin{aligned} d x_{1} \land \dots \land d x_{k + 1} & = (z d y_{1} + y_{1} d z) \land \dots \land (z d y_{k} + y_{k} d z) \land d z \\ = z^{k} d y_{1} \land \dots \land d y_{k} \land d z . \end{aligned}

$\eqalign{ dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_{k+1} &= (z dy_1 + y_1 dz) \wedge \cdots \wedge (z dy_k + y_k dz) \wedge dz \\ &= z^k dy_1 \wedge \cdots \wedge dy_k \wedge dz. }$

The Jacobian is simply $|z^k| = z^k$ , the coefficient of the differential product on the right hand side.

Solution

The transformation $(x_1, \ldots, x_k, x_{k+1})\to (y_1, \ldots, y_k, z)$ is one-to-one: its inverse is given by $x_i = y_i z$ for $1\le i\le k$ and $x_{k+1} = z(1-y_1-\cdots-y_k)$ . Therefore we don't have to fuss any more about the new probability element; it simply is

\begin{aligned} (z y_{1})^{α_{1} - 1} \dots (z y_{k})^{α_{k} - 1} {(z (1 - y_{1} - \dots - y_{k}))}^{α_{k + 1} - 1} \exp (- z) | z^{k} d y_{1} \land \dots \land d y_{k} \land d z | \\ = (z^{α_{1} + \dots + α_{k + 1} - 1} \exp (- z) d z) (y_{1}^{α_{1} - 1} \dots y_{k}^{α_{k} - 1} {(1 - y_{1} - \dots - y_{k})}^{α_{k + 1} - 1} d y_{1} \dots d y_{k}) . \end{aligned}

$\eqalign{ &(z y_1)^{\alpha_1-1}\cdots (z y_k)^{\alpha_k-1}\left(z(1-y_1-\cdots-y_k)\right)^{\alpha_{k+1}-1}\exp\left(-z\right)|z^k dy_1 \wedge \cdots \wedge dy_k \wedge dz| \\ &= \left(z^{\alpha_1+\cdots+\alpha_{k+1}-1}\exp\left(-z\right) dz\right)\left( y_1^{\alpha_1-1} \cdots y_k^{\alpha_k-1}\left(1-y_1-\cdots-y_k\right)^{\alpha_{k+1}-1}dy_1 \cdots dy_k\right). }$

That is manifestly a product of a Gamma $(\alpha_1+\cdots+\alpha_{k+1})$ distribution (for $Z$ ) and a Dirichlet $(\mathbf\alpha)$ distribution (for $(Y_1,\ldots, Y_k)$ ). In fact, since the original normalizing constant must have been a product of $\Gamma(\alpha_i)$ , we deduce immediately that the new normalizing constant must be divided by $\Gamma(\alpha_1+\cdots+\alpha_{k+1})$ , enabling the PDF to be written

f_{Y} (y, α) = \frac{Γ (α_{1} + \dots + α_{k + 1})}{Γ (α_{1}) \dots Γ (α_{k + 1})} (y_{1}^{α_{1} - 1} \dots y_{k}^{α_{k} - 1} {(1 - y_{1} - \dots - y_{k})}^{α_{k + 1} - 1}) .

$f_\mathbf{Y}(\mathbf{y},\mathbf{\alpha}) = \frac{\Gamma(\alpha_1+\cdots+\alpha_{k+1})}{\Gamma(\alpha_1)\cdots\Gamma(\alpha_{k+1})}\left( y_1^{\alpha_1-1} \cdots y_k^{\alpha_k-1}\left(1-y_1-\cdots-y_k\right)^{\alpha_{k+1}-1}\right).$

whuber
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