(再掲)
X∼N(μ,σ2)である時、その確率密度関数f(x)は、
f(x)=2 πσ21exp[−2σ2(x–μ)2] (−∞<x<∞)であり、その特性値は、
①平均:E[X]=μ②分散:V[X]=σ2③積率母関数:MX(θ)=exp[μθ+21σ2θ2]となる。
(①平均E[X]の証明)
E[X]=∫−∞∞xf(x)dx=∫−∞∞{(x–μ)+μ}f(x)dx(無理やり(x–μ)の項を作り出した)=∫−∞∞(x–μ)f(x)dx+μ∫−∞∞f(x)dx=2 πσ21∫−∞∞(x–μ)⋅exp[−2σ2(x–μ)2]dx+μ(∫−∞∞f(x)dx=1より)=2 π1∫−∞∞(σx–μ)⋅exp[−21(σx–μ)2]dx+μ=2 π1∫−∞∞z⋅exp(−2z2)⋅σdz+μ(σx–μ=zとおいた)=2πσ[–exp(−2z2)]−∞∞+μ=μ
(②分散V[X]の証明)
V[X]=∫−∞∞(x–E[X])2f(x)dx=2 πσ21∫−∞∞(x–μ)2⋅exp[−2σ2(x–μ)2]dx=2πσ∫−∞∞(σx–μ)2⋅exp[−21(σx–μ)2]dx=2πσ∫−∞∞z2⋅exp(−2z2)⋅σdz(σx–μ=zとおいた)=2πσ2∫−∞∞z2⋅exp(−2z2)dz=2πσ2∫−∞∞(−z)⋅(exp(−2z2))′dz=2πσ2{[(−z)⋅exp(−2z2)]−∞∞–∫−∞∞(−1)⋅exp(−2z2)dz}(部分積分を用いた)=2πσ2{0+∫−∞∞exp(−2z2)dz}=σ2(ガウス積分より∫−∞∞exp(−2z2)dz=2π)
(③積率母関数MX(θ)の証明)
MX(θ)=E[eθX]=∫−∞∞eθxf(x)dx=2 πσ21∫−∞∞eθx⋅exp[−2σ2(x–μ)2]dx=2 πσ21∫−∞∞exp[−2σ21{(x–μ)2–2σ2⋅θx}]dx=2 πσ21∫−∞∞exp[−2σ21{[x–(μ+σ2θ)]2–σ4θ2–2μσ2θ}]dx=2 πσ21∫−∞∞exp[−2σ2[x–(μ+σ2θ)]2+2σ2θ2+μθ]dx=exp[μθ+21σ2θ2]⋅∫−∞∞2 πσ21exp[−2σ2[x–(μ+σ2θ)]2]dx=exp[μθ+21σ2θ2](太字部分は確率密度関数の形なので全区間で積分すると1になる)