和に関する正規分布の再生性の証明
確率変数 $X$ と $Y$ がそれぞれ正規分布
に従うとき、$X$ と $Y$ が独立であるならば、
確率変数の和 $X+Y$ は、
期待値 $\mu_{1}+ \mu_{2}$、分散 $\sigma_{1}^{2} + \sigma_{2}^{2}$ の正規分布に従う。
すなわち、
である。
この性質を、和に関する正規分布の
再生性 (reproductive property) という。
証明
確率変数 $X$ が $N(\mu_{1}, \sigma_{1}^{\hspace{1mm}2})$ の正規分布に従い、
確率変数 $Y$ が $N(\mu_{2}, \sigma_{2}^{\hspace{1mm}2})$ の正規分布に従うならば、
それぞれの確率密度関数 $P_{X}(x)$ と $P_{Y}(x)$ は、
である。
$X$、$Y$ の同時確率密度関数を
$
P_{X,Y}(x,y)
$
と表すとき、
$X+Y$ の確率密度関数 $P_{X+Y}(z)$ は、
である。(ページ下の
補足を参考。)
$X,Y$ が互いに独立であると仮定したので、
が成立する。従って、
である。
$X$, $Y$ の分布がそれぞれ正規分布に従うと仮定したので、
$(*)$ より、
と表される。
右辺の指数は、
少し長い計算により、
と表される。
これより、
と表せる。
右辺の積分は、
ガウス積分の公式から、
であるので、
となる。
従って、確率変数 $X+Y$ は、期待値が $\mu_{1} + \mu_{2}$、分散が $\sigma_{1}^2 + \sigma_{2}^2$ の正規分布に従う。すなわち、
である。
補足 $X+Y$ の確率密度関数
$X+Y$ の確率密度関数を $P_{X+Y}(z)$ と表すとき、
$X+Y$ の観測値が $a$ から $b$ の間に観測される確率 $\mathrm{Pr} ( \hspace{1mm} a \leq X+Y \leq b \hspace{1mm})$ は、
である。
一方で、この確率は、
$X, Y$ の観測値が直線
と直線
に挟まれた帯状領域 $D$ に含まれる確率である(下図参考)。
すなわち、
である。
$(1)$ と $(2)$ より、
である。
一般に、$X$、$Y$ の観測値がある領域の中に含まれる確率は、
$X$ と $Y$ の同時確率分布(同時確率密度関数)
$
P_{X,Y} (x,y)
$
をその領域に渡って積分したものである。
すなわち、
である。
よって、
$(3)$ と $(4)$ より、
である。
領域 $D$ に渡る積分は、
$y$ について $a-x$ から $b-x$ まで積分した後、
$x$ について $-\infty$ から $+\infty$ まで積分する二重積分である。
すなわち、
である。$(5)$ と $(6)$ より、
が成立する。
右辺の積分に対して、
と置くと、
と置換されるので、
$(7)$ より、
が成立する。
最後に、
両辺を $b$ 微分し、
を得た後、$b$ と $x$ を それぞれ $z$ と $t$ に置き換えることによって、
を得る。