X 1 ∼ N ( 0 , 1 ) X_1\sim N(0,1) X 1  ∼ N ( 0 , 1 ) 
g ( x 1 ) = 1 2 π e − x 1 2 2 ,   0 < x 1 < ∞ g(x_1)={1\over\sqrt{2\pi}}e^{-{x_1^2\over2}},\space 0\lt x_1\lt\infin g ( x 1  ) = 2 π  1  e − 2 x 1 2   ,   0 < x 1  < ∞ 
and,
X 2 ∼ χ 2 ( r ) X_2\sim \chi^2(r) X 2  ∼ χ 2 ( r ) 
h ( x 2 ) = 1 Γ ( r 2 ) 2 r 2 x 2 r 2 − 1 e − x 2 2 ,   0 < x 2 < ∞ h(x_2)={1\over\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}x_2^{{r\over2}-1}e^{-{x_2\over2}},\space 0\lt x_2\lt\infin h ( x 2  ) = Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  x 2 2 r  − 1  e − 2 x 2   ,   0 < x 2  < ∞ 
Since the random variables X 1 X_1 X 1  X 2 X_2 X 2  
f ( x 1 , x 2 ) = g ( x 1 ) × h ( x 2 ) f(x_1,x_2)=g(x_1)\times h(x_2) f ( x 1  , x 2  ) = g ( x 1  ) × h ( x 2  ) 
 f ( x 1 , x 2 ) = 1 2 π e − x 1 2 2 1 Γ ( r 2 ) 2 r 2 x 2 r 2 − 1 e − x 2 2 ,   − ∞ < x 1 < ∞ ,   0 < x 2 < ∞ 0 ,   e l s e w h e r e f(x_1,x_2)={1\over\sqrt{2\pi}}e^{-{x_1^2\over2}}{1\over\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}x_2^{{r\over2}-1}e^{-{x_2\over2}},\space -\infin\lt x_1\lt \infin,\space 0\lt x_2\lt\infin\\0,\space elsewhere f ( x 1  , x 2  ) = 2 π  1  e − 2 x 1 2   Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  x 2 2 r  − 1  e − 2 x 2   ,   − ∞ < x 1  < ∞ ,   0 < x 2  < ∞ 0 ,   e l se w h ere 
Define,
Y 1 = X 1 ( X 2 ) r Y_1={X_1\over\sqrt{(X_2)\over r}} Y 1  = r ( X 2  )   X 1   Y 2 = X 2 Y_2=X_2 Y 2  = X 2  S = { ( x 1 , x 2 ) : − ∞ < x 1 < ∞ , 0 < x 2 < ∞ } S=\{(x_1,x_2):-\infin\lt x_1\lt\infin, 0\lt x_2\lt\infin\} S = {( x 1  , x 2  ) : − ∞ < x 1  < ∞ , 0 < x 2  < ∞ } 
R = { ( y 1 , y 2 ) , − ∞ < y 1 < ∞ , 0 < y 2 < ∞ } R=\{(y_1,y_2),-\infin\lt y_1\lt\infin, 0\lt y_2\lt\infin\} R = {( y 1  , y 2  ) , − ∞ < y 1  < ∞ , 0 < y 2  < ∞ } 
So,
X 2 = Y 2 X_2=Y_2 X 2  = Y 2  X 1 = Y 1 Y 2 r = Y 1 ( Y 2 ) 1 2 r X_1=Y_1\sqrt{Y_2\over r}={Y_1(Y_2)^{1\over2}\over \sqrt{r}} X 1  = Y 1  r Y 2    = r  Y 1  ( Y 2  ) 2 1   
The Jacobian of transformation is,
J = ∣ d x 1 d y 1 d x 1 d y 2 d x 2 d y 1 d x 2 d y 2 ∣ = ∣ y 2 r y 1 2 r × y 2 0 1 ∣ = y 2 r J=\begin{vmatrix}
   {d_{x_1}\over d_{y_1}} & {d_{x_1}\over d_{y_2}} \\
  {d_{x_2}\over d_{y_1}}  & {d_{x_2}\over d_{y_2}}
\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}
   {\sqrt{y_2\over r}} & {y_1\over2\sqrt{r\times y_2}} \\
   0 & 1
\end{vmatrix}=\sqrt{{y_2\over r}} J = ∣ ∣  d y 1   d x 1    d y 1   d x 2     d y 2   d x 1    d y 2   d x 2     ∣ ∣  = ∣ ∣  r y 2    0  2 r × y 2   y 1   1  ∣ ∣  = r y 2    
Then, the joint pdf of Y 1 Y_1 Y 1  Y 2 Y_2 Y 2  
g ( y 1 , y 2 ) = g ( y 1 y 2 r , y 2 ) ∣ J ∣ = 1 2 π Γ ( r 2 ) 2 r 2 y 2 r 2 − 1 e − 1 2 y 1 2 y 2 r e − y 2 2 y 2 r = 1 2 π Γ ( r 2 ) 2 r 2 y 2 r 2 − 1 e − y 2 2 ( 1 + y 1 2 r ) y 2 1 2 r ,   − ∞ < y 1 < ∞ ,   0 < y 2 < ∞ g(y_1,y_2)=g(y_1\sqrt{y_2\over r},y_2)|J|\\=
{1\over\sqrt{2\pi}\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}y_2^{{r\over2}-1}e^{-{{1\over2}y_1^2}{y_2\over r}}e^{-{y_2\over2}}\sqrt{{y_2\over r}}\\=
{1\over\sqrt{2\pi}\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}y_2^{{r\over2}-1}e^{-{y_2\over2}(1+{y_1^2\over r})}{y_2^{1\over2}\over\sqrt{r}},\space -\infin\lt y_1\lt\infin,\space 0\lt y_2\lt\infin g ( y 1  , y 2  ) = g ( y 1  r y 2    , y 2  ) ∣ J ∣ = 2 π  Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  y 2 2 r  − 1  e − 2 1  y 1 2  r y 2   e − 2 y 2   r y 2    = 2 π  Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  y 2 2 r  − 1  e − 2 y 2   ( 1 + r y 1 2   ) r  y 2 2 1    ,   − ∞ < y 1  < ∞ ,   0 < y 2  < ∞ 
The marginal pdf of Y 1 Y_1 Y 1  
g ( y 1 ) = ∫ 0 ∞ g ( y 1 , y 2 ) d y 2 = ∫ 0 ∞ 1 2 π Γ ( r 2 ) 2 r 2 y 2 1 2 ( r + 1 ) − 1 e − y 2 2 ( 1 + y 1 2 r ) y 2 1 2 r d y 2 g(y_1)=\displaystyle\int^{\infin}_0 g(y_1,y_2)dy_2=\displaystyle\int^{\infin}_0{1\over\sqrt{2\pi}\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}y_2^{{{1\over2}(r+1)}-1}e^{-{y_2\over2}(1+{y_1^2\over r})}{y_2^{1\over2}\over\sqrt{r}}dy_2 g ( y 1  ) = ∫ 0 ∞  g ( y 1  , y 2  ) d y 2  = ∫ 0 ∞  2 π  Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  y 2 2 1  ( r + 1 ) − 1  e − 2 y 2   ( 1 + r y 1 2   ) r  y 2 2 1    d y 2  
We make the substitution,
w = y 2 ( 1 + y 1 2 r ) 2 w={y_2(1+{y_1^2\over r})\over2} w = 2 y 2  ( 1 + r y 1 2   )  d w d y 2 = 1 + y 1 2 r 2    ⟹    d w = 1 + y 1 2 r 2 d y 2 {dw\over dy_2}={1+{y_1^2\over r}\over 2}\implies dw={1+{y_1^2\over r}\over 2}dy_2 d y 2  d w  = 2 1 + r y 1 2    ⟹ d w = 2 1 + r y 1 2    d y 2  
We can now write the integral as,
∫ 0 ∞ 1 2 π r Γ ( r 2 ) 2 r 2 ( 2 w 1 + y 1 2 r ) 1 2 ( r + 1 ) − 1 e − w ( 2 1 + y 1 2 r ) d w \displaystyle\int_0^{\infin}{1\over\sqrt{2\pi r}\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}({2w\over1+{y_1^2\over r}})^{{1\over2}(r+1)-1}e^{-w}({2\over1+{y_1^2\over r}})dw ∫ 0 ∞  2 π r  Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  ( 1 + r y 1 2   2 w  ) 2 1  ( r + 1 ) − 1 e − w ( 1 + r y 1 2   2  ) d w 
Next, we introduce Γ ( r + 1 2 ) \varGamma({r+1\over2}) Γ ( 2 r + 1  ) 
= 1 2 π r Γ ( r 2 ) 2 r 2 ( 2 1 + y 1 2 r ) 1 2 ( r + 1 ) Γ ( r + 1 2 ) ∫ 0 ∞ w 1 2 ( r + 1 ) − 1 e − w Γ ( r + 1 2 ) d w ={1\over\sqrt{2\pi r}\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}({2\over1+{y_1^2\over r}})^{{1\over2}(r+1)}\varGamma({r+1\over2})\displaystyle\int_0^{\infin}{w^{{1\over2}(r+1)-1}e^{-w}\over\varGamma({r+1\over2})}dw = 2 π r  Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  ( 1 + r y 1 2   2  ) 2 1  ( r + 1 ) Γ ( 2 r + 1  ) ∫ 0 ∞  Γ ( 2 r + 1  ) w 2 1  ( r + 1 ) − 1 e − w  d w 
The integral part is equal to 1.0 because it is a pdf of the Gamma distribution with parameters α = r + 1 2 \alpha={r+1\over2} α = 2 r + 1  β = 1 \beta=1 β = 1 
So we have,
1 2 π Γ ( r 2 ) 2 r 2 ( 2 1 + y 1 2 r ) 1 2 ( r + 1 ) Γ ( r + 1 2 ) {1\over\sqrt{2\pi}\varGamma({r\over2})2^{r\over2}}({2\over1+{y_1^2\over r}})^{{1\over2}(r+1)}\varGamma({r+1\over2}) 2 π  Γ ( 2 r  ) 2 2 r  1  ( 1 + r y 1 2   2  ) 2 1  ( r + 1 ) Γ ( 2 r + 1  ) 
 g ( y 1 ) = ( Γ ( r + 1 2 ) π r Γ ( r 2 ) ) ( 1 ( 1 + y 1 2 r ) r + 1 2 ) ,   − ∞ < y 1 < ∞ 0 ,   e l s e w h e r e g(y_1)=({\varGamma({r+1\over2})\over\sqrt{\pi r}\varGamma({r\over2})})({1\over(1+{y_1^2\over r})^{r+1\over 2}}),\space -\infin\lt y_1\lt \infin\\0,\space elsewhere g ( y 1  ) = ( π r  Γ ( 2 r  ) Γ ( 2 r + 1  )  ) ( ( 1 + r y 1 2   ) 2 r + 1  1  ) ,   − ∞ < y 1  < ∞ 0 ,   e l se w h ere 
Thus, if X 1 ∼ N ( 0 , 1 ) X_1\sim N(0,1) X 1  ∼ N ( 0 , 1 ) X 2 ∼ χ 2 ( r ) X_2\sim \chi^2(r) X 2  ∼ χ 2 ( r ) X 1 X_1 X 1  X 2 X_2 X 2  Y 1 = X 1 X 2 r Y_1={X_1\over\sqrt{X_2\over r}} Y 1  = r X 2    X 1   r r r 
Therefore,
Y 1 ∼ t − d i s t r i b u t i o n ( r ) . Y_1\sim t-distribution(r). Y 1  ∼ t − d i s t r ib u t i o n ( r ) . 
Comments