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Note per Studenti Distribuzione gaussiana (normale)

Distribuzione gaussiana (normale)

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Caso notevole del punto 3 del programma, il più importante di tutto il corso. Prerequisiti: Variabili aleatorie assolutamente continueX è assolutamente continua se F_X(x) = ∫ da −∞ a x di f_X(t) dt per una densità f_X ≥ 0 con integrale 1; allora P(a < X ≤ b) = ∫ da a a b di f_X, P(X = x) = 0 per ogni x, f_X = F_X' dove F_X è derivabile, E[g(X)] = ∫ g(x) f_X(x) dx, e varianza, momenti e disuguaglianze funzionano come nel caso discreto con gli integrali al posto delle somme.Variabili aleatorie assolutamente continue →. Seguito: Vettori gaussianiX = (X₁, ..., Xₙ) è un vettore gaussiano N(m, Σ) se ogni combinazione lineare a·X è gaussiana (equivalentemente X = m + AZ con Z gaussiane standard indipendenti); se Σ è invertibile ha densità exp(−½(x−m)ᵀΣ⁻¹(x−m)) / √((2π)ⁿ det Σ). Proprietà chiave: AX + b ~ N(Am + b, AΣAᵀ), le marginali sono gaussiane e componenti non correlate sono indipendenti.Vettori gaussiani →, Teorema del limite centrale e approssimazione normaleSe X₁, X₂, ... sono i.i.d. con media μ e varianza σ² ∈ (0, ∞), la somma standardizzata (Sₙ − nμ)/(σ√n) converge in distribuzione a N(0, 1): per n grande P(Sₙ ≤ x) ≈ Φ((x − nμ)/(σ√n)). Caso binomiale (De Moivre-Laplace): Bin(n, p) ≈ N(np, np(1 − p)), con correzione di continuità ±0,5. Si dimostra con le funzioni caratteristiche e il teorema di Lévy.Teorema del limite centrale e approssimazione normale →.

Perché è ovunque

Il teorema del limite centraleSe X₁, X₂, ... sono i.i.d. con media μ e varianza σ² ∈ (0, ∞), la somma standardizzata (Sₙ − nμ)/(σ√n) converge in distribuzione a N(0, 1): per n grande P(Sₙ ≤ x) ≈ Φ((x − nμ)/(σ√n)). Caso binomiale (De Moivre-Laplace): Bin(n, p) ≈ N(np, np(1 − p)), con correzione di continuità ±0,5. Si dimostra con le funzioni caratteristiche e il teorema di Lévy.Teorema del limite centrale e approssimazione normale → dice che la somma di tante piccole cause indipendenti ha, approssimativamente, legge gaussiana, qualunque sia la legge delle singole cause. Il rumore termico in un circuito (somma dei contributi di moltissimi elettroni), gli errori di misura, l'altezza di una popolazione, il numero di teste in 100 lanci: tutti hanno distribuzione approssimativamente normale. Nelle telecomunicazioni il modello standard del rumore di canale è il rumore gaussiano.

Gaussiana standard N(0,1)N(0, 1)

Definizione (gaussiana standard). Z∼N(0,1)Z \sim N(0, 1) se ha densità φ(z)=12πe−z2/2,z∈R.\varphi(z) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-z^2/2}, \qquad z \in \mathbb R. La sua FdD si indica con Φ(z)=∫−∞zφ(t) dt\Phi(z) = \displaystyle\int_{-\infty}^z \varphi(t) \, dt.

Esempio. Z∼N(0,1)Z \sim N(0,1): φ(0)=12π≈0,399\varphi(0) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \approx 0{,}399 e P(Z≤0)=Φ(0)=12P(Z \le 0) = \Phi(0) = \frac{1}{2}.

Perché la costante 12π\frac{1}{\sqrt{2\pi}}. Bisogna sapere che I=∫−∞∞e−z2/2dz=2πI = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-z^2/2} dz = \sqrt{2\pi}. Il trucco classico: si calcola I2I^2 come integrale doppio e si passa in coordinate polarix = r cos θ, y = r sin θ con r ≥ 0 e θ in [0, 2π): l'elemento d'area dx dy diventa r dr dθ, dove r è il determinante jacobiano.Cambio di variabili negli integrali doppi e coordinate polari → (x=rcos⁡θx = r\cos\theta, y=rsin⁡θy = r\sin\theta, dx dy=r dr dθdx\,dy = r\,dr\,d\theta):

I2=∫R∫Re−(x2+y2)/2 dx dy=∫02π∫0∞e−r2/2r dr dθ=2π[−e−r2/2]0∞=2π.I^2 = \int_{\mathbb R}\int_{\mathbb R} e^{-(x^2 + y^2)/2} \, dx \, dy = \int_0^{2\pi} \int_0^\infty e^{-r^2/2} r \, dr \, d\theta = 2\pi \left[-e^{-r^2/2}\right]_0^\infty = 2\pi.

Passo per passo:

Infine I>0I > 0 (integranda positiva), quindi da I2=2πI^2 = 2\pi segue I=2πI = \sqrt{2\pi}. Il fattore rr dello jacobiano è ciò che rende l'integrale calcolabile (re−r2/2r e^{-r^2/2} ha primitiva elementare, e−z2/2e^{-z^2/2} da sola no).

Proprietà di φ\varphi e Φ\Phi.

Grafico interattivo: Densità della gaussiana standard: campana simmetrica, flessi in ±1

Media e varianza. E[Z]=0E[Z] = 0 perché zφ(z)z\varphi(z) è dispari (e integrabile). Più in dettaglio: ∫0∞ze−z2/2 dz=[−e−z2/2]0∞=1\int_0^\infty z e^{-z^2/2}\,dz = \big[-e^{-z^2/2}\big]_0^\infty = 1 è finito, quindi E[Z]E[Z] esiste; e l'integrale di una funzione dispari su (−∞,∞)(-\infty, \infty) è nullo, perché il contributo di (−∞,0](-\infty, 0] è l'opposto di quello di [0,∞)[0, \infty). Per la varianza, per parti∫ f·g' dx = f·g − ∫ f'·g dx (regola del prodotto letta al contrario). Si usa per log x, arcsin x, arctan x (scritti come "funzione per 1"), per sin²x, cos²x, sinh²x, cosh²x (integrale circolare: l'integrale di partenza ricompare e si porta a sinistra) e per prodotti come x^n·e^(αx), x^n·sin(βx), e^(αx)·sin(βx).Integrazione per parti → con u=zu = z (du=dzdu = dz), dv=ze−z2/2dzdv = z e^{-z^2/2}dz (v=−e−z2/2v = -e^{-z^2/2}, la primitiva appena usata):

E[Z2]=12π∫z⋅ze−z2/2 dz=12π([−ze−z2/2]−∞∞+∫e−z2/2dz)=12π(0+2π)=1.E[Z^2] = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int z \cdot z e^{-z^2/2} \, dz = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\left( \left[-z e^{-z^2/2}\right]_{-\infty}^{\infty} + \int e^{-z^2/2} dz \right) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} (0 + \sqrt{2\pi}) = 1.

Il termine di bordo è nullo perché ze−z2/2→0z e^{-z^2/2} \to 0 per z→±∞z \to \pm\infty (l'esponenziale di −z2-z^2 va a zero più in fretta di qualunque potenza), e l'integrale rimasto è I=2πI = \sqrt{2\pi}.

Quindi Var(Z)=E[Z2]−E[Z]2=1−0=1\text{Var}(Z) = E[Z^2] - E[Z]^2 = 1 - 0 = 1.

Valori di Φ\Phi da ricordare

zz 00 0,50{,}5 0,60{,}6 11 1,281{,}28 1,6451{,}645 1,961{,}96 22 2,5762{,}576 33
Φ(z)\Phi(z) 0,50{,}5 0,69150{,}6915 0,72570{,}7257 0,84130{,}8413 0,900{,}90 0,950{,}95 0,9750{,}975 0,97720{,}9772 0,9950{,}995 0,998650{,}99865

Grafico interattivo: FdD Φ della gaussiana standard: sigmoide da 0 a 1, con Φ(0) = 0,5, Φ(1) ≈ 0,841 e Φ(1,96) ≈ 0,975

Regola 68-95-99,7: P(∣Z∣≤1)≈0,683P(|Z| \le 1) \approx 0{,}683, P(∣Z∣≤2)≈0,954P(|Z| \le 2) \approx 0{,}954, P(∣Z∣≤3)≈0,997P(|Z| \le 3) \approx 0{,}997 (dalla formula delle due code e dalla tabella: 2⋅0,8413−1=0,68262 \cdot 0{,}8413 - 1 = 0{,}6826, 2⋅0,9772−1=0,95442 \cdot 0{,}9772 - 1 = 0{,}9544, 2⋅0,99865−1=0,99732 \cdot 0{,}99865 - 1 = 0{,}9973). Una gaussiana sta quasi sempre entro tre deviazioni standard dalla media.

Grafico interattivo: Densità della gaussiana standard: l'area tra −1 e 1 vale 2Φ(1) − 1 ≈ 0,683, il primo livello della regola 68-95-99,7

Gaussiana generale N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)

Definizione (gaussiana generale). X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2), con μ∈R\mu \in \mathbb R e σ>0\sigma > 0, se fX(x)=12πσ2exp⁡(−(x−μ)22σ2),x∈R.f_X(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \exp\left(-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}\right), \qquad x \in \mathbb R. Allora E[X]=μE[X] = \mu e Var(X)=σ2\text{Var}(X) = \sigma^2.

Esempio. X∼N(3,4)X \sim N(3, 4) ha media 33, varianza 44 e deviazione standard σ=2\sigma = 2.

Media e varianza si ricavano senza integrare: come si vedrà sotto, X=μ+σZX = \mu + \sigma Z con Z∼N(0,1)Z \sim N(0, 1), quindi E[X]=μ+σ⋅0=μE[X] = \mu + \sigma \cdot 0 = \mu e Var(X)=σ2⋅1\text{Var}(X) = \sigma^2 \cdot 1 (proprietà di Varianza e momentiI momenti E[X^k] e i momenti centrati E[(X − μ)^k] descrivono la forma di una legge; la varianza Var(X) = E[(X − μ)²] = E[X²] − E[X]² misura quanto X si disperde attorno alla media, vale Var(aX + b) = a² Var(X) e Var(X) = 0 solo se X è costante.Varianza e momenti →). Il massimo della densità è in x=μx = \mu e vale 1σ2π\frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}: dimezzare σ\sigma raddoppia l'altezza, perché l'area deve restare 11.

μ\mu sposta la campana (centro), σ\sigma la allarga o la stringe (larghezza). Attenzione: il secondo parametro è la varianza σ2\sigma^2, non la deviazione standard. N(0,4)N(0, 4) ha σ=2\sigma = 2.

Grafico interattivo: Effetto dei parametri: N(2, 1) è la standard traslata di 2 (μ sposta), N(0, 4) ha lo stesso centro ma σ = 2, quindi è più larga e bassa (σ allarga)

Grafico interattivo: Densità di N(2, 4): centrata in 2, più larga (σ = 2) e più bassa della standard (massimo 0,2 invece di 0,4)

Trasformazioni affini e standardizzazione

Teorema (trasformazioni affini di una gaussiana). Se X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2) e a≠0a \ne 0, b∈Rb \in \mathbb R, allora aX+b∼N(aμ+b, a2σ2).aX + b \sim N(a\mu + b, \ a^2\sigma^2).

Esempio. X∼N(1,4)X \sim N(1, 4): 3X−2∼N(3⋅1−2, 9⋅4)=N(1,36)3X - 2 \sim N(3 \cdot 1 - 2,\ 9 \cdot 4) = N(1, 36).

Dimostrazione (caso a>0a > 0; per a<0a < 0 è analoga). Sia Y=aX+bY = aX + b. Allora

FY(y)=P(aX+b≤y)=P(X≤y−ba)=FX(y−ba).F_Y(y) = P(aX + b \le y) = P\left(X \le \frac{y - b}{a}\right) = F_X\left(\frac{y - b}{a}\right).

Il secondo passaggio sottrae bb e divide per a>0a > 0, operazioni che non cambiano il verso della disuguaglianza. Derivando (regola della catenaDerivate delle funzioni elementari e delle loro inverse (arcsin, arctan, settcosh...) e regole di calcolo: linearità, prodotto (Leibniz), quoziente, funzione composta (regola della catena), funzione inversa, f(x)^g(x).Regole di derivazione →: la derivata di y−ba\frac{y - b}{a} rispetto a yy è 1a\frac1a, e FX′=fXF_X' = f_X):

fY(y)=1afX(y−ba)=1a2πσ2exp⁡(−(y−ba−μ)22σ2)=12πa2σ2exp⁡(−(y−b−aμ)22a2σ2),f_Y(y) = \frac1a f_X\left(\frac{y - b}{a}\right) = \frac{1}{a\sqrt{2\pi\sigma^2}} \exp\left(-\frac{\left(\frac{y - b}{a} - \mu\right)^2}{2\sigma^2}\right) = \frac{1}{\sqrt{2\pi a^2\sigma^2}} \exp\left(-\frac{(y - b - a\mu)^2}{2a^2\sigma^2}\right),

che è la densità di N(aμ+b,a2σ2)N(a\mu + b, a^2\sigma^2). ∎

Nell'ultimo passaggio: y−ba−μ=y−b−aμa\frac{y - b}{a} - \mu = \frac{y - b - a\mu}{a}, il cui quadrato porta un a2a^2 al denominatore dell'esponente; e a2πσ2=a2⋅2πσ2a\sqrt{2\pi\sigma^2} = \sqrt{a^2 \cdot 2\pi\sigma^2} perché a>0a > 0. Il risultato ha la forma della densità gaussiana con centro aμ+ba\mu + b (il numero sottratto a yy) e varianza a2σ2a^2\sigma^2.

Caso a<0a < 0. Dividendo per aa il verso si inverte: FY(y)=P(X≥y−ba)=1−FX(y−ba)F_Y(y) = P\big(X \ge \frac{y - b}{a}\big) = 1 - F_X\big(\frac{y - b}{a}\big), e derivando fY(y)=−1afX(y−ba)=1∣a∣fX(y−ba)f_Y(y) = -\frac1a f_X\big(\frac{y - b}{a}\big) = \frac{1}{|a|} f_X\big(\frac{y - b}{a}\big); da qui lo stesso conto con ∣a∣|a| al posto di aa (il quadrato non vede il segno).

Che media e varianza siano quelle lo si sapeva già (E[aX+b]=aE[X]+bE[aX + b] = aE[X] + b, Var(aX+b)=a2Var(X)\text{Var}(aX + b) = a^2\text{Var}(X)): la cosa nuova è che la legge resta gaussiana.

Standardizzazione. Con a=1σa = \frac1\sigma, b=−μσb = -\frac\mu\sigma:

Z=X−μσ∼N(0,1).Z = \frac{X - \mu}{\sigma} \sim N(0, 1).

Infatti la media diventa aμ+b=μσ−μσ=0a\mu + b = \frac\mu\sigma - \frac\mu\sigma = 0 e la varianza a2σ2=σ2σ2=1a^2\sigma^2 = \frac{\sigma^2}{\sigma^2} = 1.

Viceversa X=μ+σZX = \mu + \sigma Z. Ogni calcolo su una gaussiana qualsiasi si riduce quindi a Φ\Phi:

Formula (standardizzazione di una gaussiana). P(X≤x)=P(X−μσ≤x−μσ)=Φ(x−μσ).P(X \le x) = P\left(\frac{X - \mu}{\sigma} \le \frac{x - \mu}{\sigma}\right) = \Phi\left(\frac{x - \mu}{\sigma}\right).

Esempio. X∼N(3,4)X \sim N(3, 4): P(X≤5)=Φ(5−32)=Φ(1)≈0,841P(X \le 5) = \Phi\left(\frac{5 - 3}{2}\right) = \Phi(1) \approx 0{,}841.

Metodo per gli esercizi

  1. Identificare μ\mu e σ=varianza\sigma = \sqrt{\text{varianza}}.
  2. Riscrivere l'evento in termini di Z=X−μσZ = \frac{X - \mu}{\sigma} (sottrarre μ\mu e dividere per σ>0\sigma > 0 non cambia il verso delle disuguaglianze).
  3. Usare Φ\Phi, la simmetria Φ(−z)=1−Φ(z)\Phi(-z) = 1 - \Phi(z) e il complementare P(Z>z)=1−Φ(z)P(Z > z) = 1 - \Phi(z).

Esempio 1 (III appello 24.06.2026, Esercizio 20 · vettore gaussiano, combinazione lineare e correlazione): U∼N(3,4)U \sim N(3, 4), quindi σ=2\sigma = 2:

P(U>5)=P(Z>5−32)=P(Z>1)=1−Φ(1)≈0,159.P(U > 5) = P\left(Z > \frac{5 - 3}{2}\right) = P(Z > 1) = 1 - \Phi(1) \approx 0{,}159.

Esempio 2 (I appello 15.01.2026, Esercizio 18 · vettore gaussiano con covarianza diagonale): V∼N(0,4)V \sim N(0, 4):

P(∣V∣>2)=P(∣Z∣>22)=P(∣Z∣>1)=2(1−Φ(1))≈0,317.P(|V| > 2) = P\left(|Z| > \frac22\right) = P(|Z| > 1) = 2(1 - \Phi(1)) \approx 0{,}317.

Esempio 3: trovare una soglia. Il rumore X∼N(0,σ2)X \sim N(0, \sigma^2) con σ=0,1\sigma = 0{,}1 V: sotto quale soglia ss resta il 95%95\% delle volte in modulo? Standardizzando, P(∣X∣≤s)=P(∣Z∣≤sσ)=2Φ(s/σ)−1P(|X| \le s) = P\big(|Z| \le \frac s\sigma\big) = 2\Phi(s/\sigma) - 1 (formula delle due code). Si impone 2Φ(s/σ)−1=0,952\Phi(s/\sigma) - 1 = 0{,}95, cioè Φ(s/σ)=1+0,952=0,975\Phi(s/\sigma) = \frac{1 + 0{,}95}{2} = 0{,}975; dalla tabella il valore con Φ=0,975\Phi = 0{,}975 è 1,961{,}96 (si legge la tabella "al contrario", dalla probabilità al punto), quindi s/σ=1,96s/\sigma = 1{,}96 e s=1,96⋅0,1=0,196s = 1{,}96 \cdot 0{,}1 = 0{,}196 V.

Grafico interattivo: Rumore N(0, σ²) con σ = 0,1 V: l'area colorata tra −0,196 e 0,196 vale 0,95; in ciascuna coda resta 0,025

Somme di gaussiane indipendenti

Teorema (somma di gaussiane indipendenti). Se X∼N(μ1,σ12)X \sim N(\mu_1, \sigma_1^2) e Y∼N(μ2,σ22)Y \sim N(\mu_2, \sigma_2^2) sono indipendenti, allora X+Y∼N(μ1+μ2, σ12+σ22),aX+bY∼N(aμ1+bμ2, a2σ12+b2σ22).X + Y \sim N(\mu_1 + \mu_2, \ \sigma_1^2 + \sigma_2^2), \qquad aX + bY \sim N(a\mu_1 + b\mu_2, \ a^2\sigma_1^2 + b^2\sigma_2^2).

Esempio. X∼N(1,4)X \sim N(1, 4) e Y∼N(2,5)Y \sim N(2, 5) indipendenti: X+Y∼N(3,9)X + Y \sim N(3, 9).

Le medie si sommano sempre (linearità) e le varianze si sommano per l'indipendenza; la parte non ovvia è che la legge resta gaussiana. Si dimostra con la convoluzione (Somma di variabili aleatorie indipendentiSe X e Y sono indipendenti, la legge di Z = X + Y è la convoluzione: p_Z(n) = Σ_k p_X(k) p_Y(n − k) nel discreto, f_Z(z) = ∫ f_X(z − y) f_Y(y) dy nel continuo. Casi notevoli: Bin(n,p) + Bin(m,p) = Bin(n+m,p), Poi(λ) + Poi(μ) = Poi(λ+μ), Geo + Geo con densità (n−1)p²(1−p)^(n−2), Exp(λ) + Exp(λ) = Γ(2,λ), gaussiane indipendenti sommano medie e varianze.Somma di variabili aleatorie indipendenti →: la densità della somma è la convoluzioneIl supporto della convoluzione è la somma dei supporti, $\operatorname{rect}*\operatorname{rect}=\Lambda$, e due esponenziali causali danno $(e^{-bt}-e^{-at})/(a-b)$. Si calcola con il metodo grafico a casi (ribaltare, traslare, individuare gli intervalli di sovrapposizione). Proprietà: lineare, commutativa, associativa, $\delta$ è l'elemento neutro, la traslazione si somma, l'area è il prodotto delle aree.Calcolo della convoluzione e sue proprietà → delle densità, la stessa operazione dei segnali) o, molto più rapidamente, con la Funzione caratteristicaLa funzione caratteristica φ_X(θ) = E[e^(iθX)] = E[cos θX] + iE[sin θX] esiste per ogni v.a. e ogni θ, vale 1 in 0, ha modulo ≤ 1, determina la legge (è la trasformata di Fourier della densità), trasforma le somme di v.a. indipendenti in prodotti e dà i momenti: E[X^k] = φ^(k)(0) / i^k. Per N(μ, σ²) vale e^(iμθ − σ²θ²/2).Funzione caratteristica →, che è la trasformata di FourierLa trasformata di Fourier $X(\omega)=\int x(t)e^{-j\omega t}dt$ estende la serie ai segnali aperiodici; si inverte con $x(t)=\frac1{2\pi}\int X(\omega)e^{j\omega t}d\omega$. Esiste per $x\in L^1$ (e per $x\in L^2$ in senso quadratico). Coppie fondamentali: $e^{-at}u\leftrightarrow\frac1{a+j\omega}$, $e^{-a|t|}\leftrightarrow\frac{2a}{a^2+\omega^2}$, $\operatorname{rect}(t)\leftrightarrow\operatorname{sinc}\frac\omega{2\pi}$, $\operatorname{sinc}(t)\leftrightarrow\operatorname{rect}\frac\omega{2\pi}$.Trasformata di Fourier - definizione, inversione ed esempi → della densità: la trasformata di una gaussiana è ancora una gaussiana, e la convoluzione diventa un prodotto. Per l'esempio: medie 1+2=31 + 2 = 3, varianze 4+5=94 + 5 = 9. Attenzione alla differenza: X−Y∼N(μ1−μ2,σ12+σ22)X - Y \sim N(\mu_1 - \mu_2, \sigma_1^2 + \sigma_2^2), le varianze si sommano anche nella differenza.

Il caso con X,YX, Y non indipendenti ma congiuntamente gaussiane è in Vettori gaussianiX = (X₁, ..., Xₙ) è un vettore gaussiano N(m, Σ) se ogni combinazione lineare a·X è gaussiana (equivalentemente X = m + AZ con Z gaussiane standard indipendenti); se Σ è invertibile ha densità exp(−½(x−m)ᵀΣ⁻¹(x−m)) / √((2π)ⁿ det Σ). Proprietà chiave: AX + b ~ N(Am + b, AΣAᵀ), le marginali sono gaussiane e componenti non correlate sono indipendenti.Vettori gaussiani →.

Il quadrato di una gaussiana standard

Se Z∼N(0,1)Z \sim N(0, 1), la legge di Z2Z^2 è Γ(12,12)\Gamma(\frac12, \frac12) (chi-quadro con un grado di libertà): il calcolo, che usa la FdD perché z↦z2z \mapsto z^2 non è iniettiva, è in Funzioni di una variabile aleatoriaPer trovare la legge di Y = g(X) si calcola la FdD: F_Y(y) = P(g(X) ≤ y) = P(X ∈ g⁻¹((−∞, y])), poi si deriva; se g è strettamente monotona e derivabile vale la formula f_Y(y) = f_X(g⁻¹(y)) · |(g⁻¹)'(y)|; se g è costante a tratti Y è discreta; se g non è iniettiva (es. X²) si spezza l'evento.Funzioni di una variabile aleatoria →. Collegamento con la Distribuzione gammaΓ(α, λ) ha densità λ^α x^(α−1) e^(−λx) / Γ(α) per x > 0, dove Γ(α) = ∫ x^(α−1) e^(−x) dx è la funzione Gamma (Γ(n) = (n − 1)!, Γ(1/2) = √π); media α/λ, varianza α/λ²; Γ(1, λ) = Exp(λ), e la somma di n esponenziali Exp(λ) indipendenti è Γ(n, λ), il tempo d'attesa dell'n-esimo evento.Distribuzione gamma →.

Quantità Formula
densità standard φ(z)=12πe−z2/2\varphi(z) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-z^2/2}
densità generale 12πσ2e−(x−μ)2/(2σ2)\frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} e^{-(x - \mu)^2/(2\sigma^2)}
media, varianza μ\mu,  σ2\ \sigma^2
standardizzazione Z=(X−μ)/σ∼N(0,1)Z = (X - \mu)/\sigma \sim N(0, 1)
FdD FX(x)=Φ(x−μσ)F_X(x) = \Phi\left(\frac{x - \mu}{\sigma}\right)
simmetria Φ(−z)=1−Φ(z)\Phi(-z) = 1 - \Phi(z)
due code P(∣Z∣>c)=2(1−Φ(c))P(\lvert Z \rvert > c) = 2(1 - \Phi(c))
affine aX+b∼N(aμ+b,a2σ2)aX + b \sim N(a\mu + b, a^2\sigma^2)
somma indipendente N(μ1+μ2,σ12+σ22)N(\mu_1 + \mu_2, \sigma_1^2 + \sigma_2^2)

Errori comuni

  • Dividere per la varianza invece che per la deviazione standard: con N(3,4)N(3, 4) si divide per 22, non per 44.
  • Sottrarre le varianze nella differenza: Var(X−Y)=Var(X)+Var(Y)\text{Var}(X - Y) = \text{Var}(X) + \text{Var}(Y) per v.a. indipendenti.
  • Scrivere Φ(−1)=−Φ(1)\Phi(-1) = -\Phi(1): Φ\Phi è una probabilità, sempre tra 00 e 11; la regola è Φ(−1)=1−Φ(1)\Phi(-1) = 1 - \Phi(1).
  • Dimenticare il complementare: P(Z>z)=1−Φ(z)P(Z > z) = 1 - \Phi(z), non Φ(z)\Phi(z).
  • Pensare che la somma di due gaussiane sia sempre gaussiana: serve l'indipendenza (o che siano congiuntamente gaussiane).

Versione ripasso

Prerequisiti: Variabili aleatorie assolutamente continueX è assolutamente continua se F_X(x) = ∫ da −∞ a x di f_X(t) dt per una densità f_X ≥ 0 con integrale 1; allora P(a < X ≤ b) = ∫ da a a b di f_X, P(X = x) = 0 per ogni x, f_X = F_X' dove F_X è derivabile, E[g(X)] = ∫ g(x) f_X(x) dx, e varianza, momenti e disuguaglianze funzionano come nel caso discreto con gli integrali al posto delle somme.Variabili aleatorie assolutamente continue →. Seguito: Vettori gaussianiX = (X₁, ..., Xₙ) è un vettore gaussiano N(m, Σ) se ogni combinazione lineare a·X è gaussiana (equivalentemente X = m + AZ con Z gaussiane standard indipendenti); se Σ è invertibile ha densità exp(−½(x−m)ᵀΣ⁻¹(x−m)) / √((2π)ⁿ det Σ). Proprietà chiave: AX + b ~ N(Am + b, AΣAᵀ), le marginali sono gaussiane e componenti non correlate sono indipendenti.Vettori gaussiani →, Teorema del limite centrale e approssimazione normaleSe X₁, X₂, ... sono i.i.d. con media μ e varianza σ² ∈ (0, ∞), la somma standardizzata (Sₙ − nμ)/(σ√n) converge in distribuzione a N(0, 1): per n grande P(Sₙ ≤ x) ≈ Φ((x − nμ)/(σ√n)). Caso binomiale (De Moivre-Laplace): Bin(n, p) ≈ N(np, np(1 − p)), con correzione di continuità ±0,5. Si dimostra con le funzioni caratteristiche e il teorema di Lévy.Teorema del limite centrale e approssimazione normale →.

Gaussiana standard N(0,1)N(0, 1)

Z∼N(0,1)Z \sim N(0, 1) se ha densità φ(z)=12πe−z2/2,z∈R.\varphi(z) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-z^2/2}, \qquad z \in \mathbb R. La sua FdD si indica con Φ(z)=∫−∞zφ(t) dt\Phi(z) = \displaystyle\int_{-\infty}^z \varphi(t) \, dt.

  • φ\varphi è pari (massimo 12π≈0,399\frac{1}{\sqrt{2\pi}} \approx 0{,}399 in z=0z = 0, flessi in z=±1z = \pm 1).
  • Simmetria: Φ(−z)=1−Φ(z)\Phi(-z) = 1 - \Phi(z). In particolare Φ(0)=12\Phi(0) = \frac12.
  • Due code: P(∣Z∣>c)=2(1−Φ(c))P(|Z| > c) = 2(1 - \Phi(c)) e P(∣Z∣≤c)=2Φ(c)−1P(|Z| \le c) = 2\Phi(c) - 1.
  • Media e varianza: E[Z]=0E[Z] = 0, Var(Z)=1\text{Var}(Z) = 1.

Regola 68-95-99,7: P(∣Z∣≤1)≈0,683P(|Z| \le 1) \approx 0{,}683, P(∣Z∣≤2)≈0,954P(|Z| \le 2) \approx 0{,}954, P(∣Z∣≤3)≈0,997P(|Z| \le 3) \approx 0{,}997.

Gaussiana generale N(μ,σ2)N(\mu, \sigma^2)

X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2), con μ∈R\mu \in \mathbb R e σ>0\sigma > 0, se fX(x)=12πσ2exp⁡(−(x−μ)22σ2),x∈R.f_X(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} \exp\left(-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}\right), \qquad x \in \mathbb R. Allora E[X]=μE[X] = \mu e Var(X)=σ2\text{Var}(X) = \sigma^2.

Il secondo parametro è la varianza σ2\sigma^2, non la deviazione standard.

Trasformazioni affini e standardizzazione

Se X∼N(μ,σ2)X \sim N(\mu, \sigma^2) e a≠0a \ne 0, b∈Rb \in \mathbb R, allora aX+b∼N(aμ+b, a2σ2).aX + b \sim N(a\mu + b, \ a^2\sigma^2).

Standardizzazione: Z=X−μσ∼N(0,1)Z = \frac{X - \mu}{\sigma} \sim N(0, 1)

P(X≤x)=Φ(x−μσ)P(X \le x) = \Phi\left(\frac{x - \mu}{\sigma}\right)

Metodo: identificare μ\mu e σ=varianza\sigma = \sqrt{\text{varianza}}, standardizzare, usare Φ\Phi, la simmetria e il complementare P(Z>z)=1−Φ(z)P(Z > z) = 1 - \Phi(z).

Somme di gaussiane indipendenti

Se X∼N(μ1,σ12)X \sim N(\mu_1, \sigma_1^2) e Y∼N(μ2,σ22)Y \sim N(\mu_2, \sigma_2^2) sono indipendenti, allora X+Y∼N(μ1+μ2, σ12+σ22),aX+bY∼N(aμ1+bμ2, a2σ12+b2σ22).X + Y \sim N(\mu_1 + \mu_2, \ \sigma_1^2 + \sigma_2^2), \qquad aX + bY \sim N(a\mu_1 + b\mu_2, \ a^2\sigma_1^2 + b^2\sigma_2^2).

Attenzione: Var(X−Y)=σ12+σ22\text{Var}(X - Y) = \sigma_1^2 + \sigma_2^2, le varianze si sommano anche nella differenza.

Quantità Formula
densità standard φ(z)=12πe−z2/2\varphi(z) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-z^2/2}
densità generale 12πσ2e−(x−μ)2/(2σ2)\frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}} e^{-(x - \mu)^2/(2\sigma^2)}
media, varianza μ\mu,  σ2\ \sigma^2
standardizzazione Z=(X−μ)/σ∼N(0,1)Z = (X - \mu)/\sigma \sim N(0, 1)
FdD FX(x)=Φ(x−μσ)F_X(x) = \Phi\left(\frac{x - \mu}{\sigma}\right)
simmetria Φ(−z)=1−Φ(z)\Phi(-z) = 1 - \Phi(z)
due code P(∣Z∣>c)=2(1−Φ(c))P(\lvert Z \rvert > c) = 2(1 - \Phi(c))
affine aX+b∼N(aμ+b,a2σ2)aX + b \sim N(a\mu + b, a^2\sigma^2)
somma indipendente N(μ1+μ2,σ12+σ22)N(\mu_1 + \mu_2, \sigma_1^2 + \sigma_2^2)

Errori comuni

  • Dividere per la varianza invece che per la deviazione standard: con N(3,4)N(3, 4) si divide per 22, non per 44.
  • Sottrarre le varianze nella differenza: Var(X−Y)=Var(X)+Var(Y)\text{Var}(X - Y) = \text{Var}(X) + \text{Var}(Y) per v.a. indipendenti.
  • Scrivere Φ(−1)=−Φ(1)\Phi(-1) = -\Phi(1): la regola è Φ(−1)=1−Φ(1)\Phi(-1) = 1 - \Phi(1).
  • Dimenticare il complementare: P(Z>z)=1−Φ(z)P(Z > z) = 1 - \Phi(z), non Φ(z)\Phi(z).
  • Pensare che la somma di due gaussiane sia sempre gaussiana: serve l'indipendenza (o che siano congiuntamente gaussiane).

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata