Articulo de referencia

Complex normal distribution

\\mathbf{\\mu} \\in \\mathbb{C}^n — [[location parameter|location]] \n \\Gamma \\in \\mathbb{C}^{n \\times n} — [[Complex covariance matrix|covariance matrix]] ([[positive semi-...

In probability theory, the family of complex normal distributions, denoted CN{\displaystyle {\mathcal {CN}}} or NC{\displaystyle {\mathcal {N}}_{\mathcal {C}}}, characterizes complex random variables whose real and imaginary parts are jointly normal.[1] The complex normal family has three parameters: location parameter μ, covariance matrix Γ{\displaystyle \Gamma }, and the relation matrix C{\displaystyle C}. The standard complex normal is the univariate distribution with μ=0{\displaystyle \mu =0}, Γ=1{\displaystyle \Gamma =1}, and C=0{\displaystyle C=0}.

An important subclass of complex normal family is called the circularly-symmetric (central) complex normal and corresponds to the case of zero relation matrix and zero mean: μ=0{\displaystyle \mu =0} and C=0{\displaystyle C=0}.[2] This case is used extensively in signal processing, where it is sometimes referred to as just complex normal in the literature.

Definitions

Complex standard normal random variable

The standard complex normal random variable or standard complex Gaussian random variable is a complex random variable Z{\displaystyle Z} whose real and imaginary parts are independent normally distributed random variables with mean zero and variance 1/2{\displaystyle 1/2}.[3]:p. 494[4]:pp. 501 Formally,

where {\displaystyle \perp \!\!\!\perp } denotes independence and ZCN(0,1){\displaystyle Z\sim {\mathcal {CN}}(0,1)} denotes that Z{\displaystyle Z} is a standard complex normal random variable.

Complex normal random variable

Suppose X{\displaystyle X} and Y{\displaystyle Y} are real random variables such that (X,Y)T{\displaystyle (X,Y)^{\mathrm {T} }} is a 2-dimensional normal random vector. Then the complex random variable Z=X+iY{\displaystyle Z=X+iY} is called complex normal random variable or complex Gaussian random variable.[3]:p. 500

Complex standard normal random vector

A n-dimensional complex random vector Z=(Z1,,Zn)T{\displaystyle \mathbf {Z} =(Z_{1},\ldots,Z_{n})^{\mathrm {T} }} is a complex standard normal random vector or complex standard Gaussian random vector if its components are independent and all of them are standard complex normal random variables as defined above.[3]:p. 502[4]:pp. 501 That Z{\displaystyle \mathbf {Z} } is a standard complex normal random vector is denoted ZCN(0,In){\displaystyle \mathbf {Z} \sim {\mathcal {CN}}(0,{\boldsymbol {I}}_{n})}.

Complex normal random vector

If X=(X1,,Xn)T{\displaystyle \mathbf {X} =(X_{1},\ldots ,X_{n})^{\mathrm {T} }} and Y=(Y1,,Yn)T{\displaystyle \mathbf {Y} =(Y_{1},\ldots ,Y_{n})^{\mathrm {T} }} are random vectors in Rn{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} such that [X,Y]{\displaystyle [\mathbf {X} ,\mathbf {Y} ]} is a normal random vector with 2n{\displaystyle 2n}componentes. Entonces decimos que el vector aleatorio complejo

Z=incógnita+iY{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {X} +i\mathbf {Y} \,}

es un vector aleatorio normal complejo o un vector aleatorio gaussiano complejo .

Media, covarianza y relación

La distribución gaussiana compleja se puede describir con 3 parámetros: [ 5 ]

μ=mi[Z],Γ=mi[(Zμ)(Zμ)H],do=mi[(Zμ)(Zμ)T],{\displaystyle \mu =\operatorname {E} [\mathbf {Z} ],\quad \Gamma =\operatorname {E} [(\mathbf {Z} -\mu )({\mathbf {Z} }-\mu )^{\mathrm {H} }],\quad C=\operatorname {E} [(\mathbf {Z} -\mu )(\mathbf {Z} -\mu )^{\mathrm {T} }],}

dóndeZT{\displaystyle \mathbf {Z} ^{\mathrm {T} }}denota la transpuesta de la matriz deZ{\displaystyle \mathbf {Z} }, yZH{\displaystyle \mathbf {Z} ^{\mathrm {H} }}denota transpuesta conjugada . [ 3 ] : pág. 504 [ 4 ] : págs. 500

Aquí el parámetro de ubicaciónμ{\displaystyle \mu }es un vector complejo n-dimensional; la matriz de covarianzaΓ{\displaystyle \Gamma }es hermitiana y semidefinida positiva ; y, la matriz de relación o matriz de pseudocovarianzado{\displaystyle C}es simétrico . El vector aleatorio normal complejoZ{\displaystyle \mathbf {Z} }ahora se puede denotar comoZ  donorte(μ, Γ, do).{\displaystyle \mathbf {Z} \ \sim \ {\mathcal {CN}}(\mu,\ \Gamma,\ C).}Además, matricesΓ{\displaystyle \Gamma }ydo{\displaystyle C}son tales que la matriz

PAG=Γ¯doHΓ1do{\displaystyle P={\overline {\Gamma }}-{C}^{\mathrm {H} }\Gamma ^{-1}C}

también es definida no negativa dondeΓ¯{\displaystyle {\overline {\Gamma }}}denota el conjugado complejo deΓ{\displaystyle \Gamma }. [ 5 ]

Relaciones entre matrices de covarianza

Como ocurre con cualquier vector aleatorio complejo, las matricesΓ{\displaystyle \Gamma }ydo{\displaystyle C}puede estar relacionado con las matrices de covarianza deincógnita=(Z){\displaystyle \mathbf {X} =\Re (\mathbf {Z} )}yY=(Z){\displaystyle \mathbf {Y} =\Soy (\mathbf {Z} )}a través de expresiones

Vincógnitaincógnitami[(incógnitaμincógnita)(incógnitaμincógnita)T]=12Re[Γ+do],VincógnitaYmi[(incógnitaμincógnita)(YμY)T]=12Soy[Γ+do],VYincógnitami[(YμY)(incógnitaμincógnita)T]=12Soy[Γ+do],VYYmi[(YμY)(YμY)T]=12Re[Γdo],{\displaystyle {\begin{aligned}&V_{XX}\equiv \operatorname {E} [(\mathbf {X} -\mu _{X})(\mathbf {X} -\mu _{X})^{\mathrm {T} }]={\tfrac {1}{2}}\operatorname {Re} [\Gamma +C],\quad V_{XY}\equiv \operatorname {E} [(\mathbf {X} -\mu _{X})(\mathbf {Y} -\mu _{Y})^{\mathrm {T} }]={\tfrac {1}{2}}\operatorname {Im} [-\Gamma +C],\\&V_{YX}\equiv \operatorname {E} [(\mathbf {Y} -\mu _{Y})(\mathbf {X} -\mu _{X})^{\mathrm {T} }]={\tfrac {1}{2}}\operatorname {Im} [\Gamma +C],\quad \,V_{YY}\equiv \operatorname {E} [(\mathbf {Y} -\mu _{Y})(\mathbf {Y} -\mu _{Y})^{\mathrm {T} }]={\tfrac {1}{2}}\operatorname {Re} [\Gamma -C],\end{aligned}}}

y viceversa

Γ=Vincógnitaincógnita+VYY+i(VYincógnitaVincógnitaY),do=VincógnitaincógnitaVYY+i(VYincógnita+VincógnitaY).{\displaystyle {\begin{aligned}&\Gamma =V_{XX}+V_{YY}+i(V_{YX}-V_{XY}),\\&C=V_{XX}-V_{YY}+i(V_{YX}+V_{XY}).\end{aligned}}}

Función de densidad

La función de densidad de probabilidad para la distribución normal compleja se puede calcular como

F(z)=1πnortedet(Γ)det(PAG)exp{12[zμz¯μ¯]H[Γdodo¯Γ¯]1[zμz¯μ¯]}=det(PAG1¯RPAG1R)det(PAG1)πnortemi(zμ)PAG1¯(zμ)+Re((zμ)RPAG1¯(zμ)),{\displaystyle {\begin{aligned}f(z)&={\frac {1}{\pi ^{n}{\sqrt {\det(\Gamma )\det(P)}}}}\,\exp \!\left\{-{\frac {1}{2}}{\begin{bmatrix}z-\mu \\{\overline {z}}-{\overline {\mu }}\end{bmatrix}}^{\mathrm {H} }{\begin{bmatrix}\Gamma &C\\{\overline {C}}&{\overline {\Gamma }}\end{bmatrix}}^{\!\!-1}\!{\begin{bmatrix}z-\mu \\{\overline {z}}-{\overline {\mu }}\end{bmatrix}}\right\}\\[8pt]&={\tfrac {\sqrt {\det \left({\overline {P^{-1}}}-R^{\ast }P^{-1}R\right)\det(P^{-1})}}{\pi ^{n}}}\,e^{-(z-\mu )^{\ast }{\overline {P^{-1}}}(z-\mu )+\operatorname {Re} \left((z-\mu )^{\intercal }R^{\intercal }{\overline {P^{-1}}}(z-\mu )\right)},\end{aligned}}}

dóndeR=doHΓ1{\displaystyle R=C^{\mathrm {H} }\Gamma ^{-1}}yPAG=Γ¯Rdo{\displaystyle P={\overline {\Gamma }}-RC}.

Función característica

La función característica de la distribución normal compleja viene dada por [ 5 ].

φ(w)=exp{iRe(w¯μ)14(w¯Γw+Re(w¯dow¯))},{\displaystyle \varphi (w)=\exp \!{\big \{}i\operatorname {Re} ({\overline {w}}'\mu )-{\tfrac {1}{4}}{\big (}{\overline {w}}'\Gamma w+\operatorname {Re} ({\overline {w}}'C{\overline {w}}){\big )}{\big \}},}

donde el argumentow{\displaystyle w}es un vector complejo n -dimensional.

Propiedades

  • SiZ{\displaystyle \mathbf {Z} }es un vector normal complejo de n dimensiones,A{\displaystyle {\boldsymbol {A}}}una matriz m×n , yb{\displaystyle b}un vector m constante , luego la transformación linealAZ+b{\displaystyle {\boldsymbol {A}}\mathbf {Z} +b}también se distribuirá de forma compleja-normal:
Z  donorte(μ,Γ,do)AZ+b  donorte(Aμ+b,AΓAH,AdoAT){\displaystyle Z\ \sim \ {\mathcal {CN}}(\mu ,\,\Gamma ,\,C)\quad \Rightarrow \quad AZ+b\ \sim \ {\mathcal {CN}}(A\mu +b,\,A\Gamma A^{\mathrm {H} },\,ACA^{\mathrm {T} })}
  • SiZ{\displaystyle \mathbf {Z} }es un vector normal complejo de n dimensiones , entonces
2[(Zμ)HPAG1¯(Zμ)Re((Zμ)TRTPAG1¯(Zμ))]  χ2(2norte){\displaystyle 2{\Big [}(\mathbf {Z} -\mu )^{\mathrm {H} }{\overline {P^{-1}}}(\mathbf {Z} -\mu )-\operatorname {Re} {\big (}(\mathbf {Z} -\mu )^{\mathrm {T} }R^{\mathrm {T} }{\overline {P^{-1}}}(\mathbf {Z} -\mu ){\big )}{\Big ]}\ \sim \ \chi ^{2}(2n)}
  • Teorema del límite central . SiZ1,,ZT{\displaystyle Z_{1},\ldots ,Z_{T}}son variables aleatorias complejas independientes e idénticamente distribuidas, entonces
T(1Tt=1TZtmi[Zt]) d donorte(0,Γ,do),{\displaystyle {\sqrt {T}}{\Big (}{\tfrac {1}{T}}\textstyle \sum _{t=1}^{T}Z_{t}-\operatorname {E} [Z_{t}]{\Big )}\ {\xrightarrow {d}}\ {\mathcal {CN}}(0,\,\Gamma ,\,C),}
dóndeΓ=mi[ZZH]{\displaystyle \Gamma =\operatorname {E} [ZZ^{\mathrm {H} }]}ydo=mi[ZZT]{\displaystyle C=\operatorname {E} [ZZ^{\mathrm {T} }]}.

Caso central de simetría circular

Definición

Un vector aleatorio complejoZ{\displaystyle \mathbf {Z} }se denomina simétrico circularmente si para cada deterministaφ[π,π){\displaystyle \varphi \in [-\pi ,\pi )}la distribución demiiφZ{\displaystyle e^{\mathrm {i} \varphi }\mathbf {Z} }es igual a la distribución deZ{\displaystyle \mathbf {Z} }[ 4 ] : págs . 500–501

Los vectores aleatorios complejos normales centrales que son circularmente simétricos son de particular interés porque están completamente especificados por la matriz de covarianza.Γ{\displaystyle \Gamma }.

La distribución normal compleja circularmente simétrica (central) corresponde al caso de media cero y matriz de relación cero, es decirμ=0{\displaystyle \mu =0}ydo=0{\displaystyle C=0}. [ 3 ] : pág. 507 [ 7 ] Esto se suele denotar

Zdonorte(0,Γ){\displaystyle \mathbf {Z} \sim {\mathcal {CN}}(0,\,\Gamma )}

Distribución de las partes real e imaginaria

SiZ=incógnita+iY{\displaystyle \mathbf {Z} =\mathbf {X} +i\mathbf {Y} }es circularmente simétrico (central) normal complejo, entonces el vector[incógnita,Y]{\displaystyle [\mathbf {X} ,\mathbf {Y} ]}es una distribución normal multivariada con estructura de covarianza

(incógnitaY)  norte([00], 12[ReΓSoyΓSoyΓReΓ]){\displaystyle {\begin{pmatrix}\mathbf {X} \\\mathbf {Y} \end{pmatrix}}\ \sim \ {\mathcal {N}}{\Big (}{\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}},\ {\tfrac {1}{2}}{\begin{bmatrix}\operatorname {Re} \,\Gamma &-\operatorname {Im} \,\Gamma \\\operatorname {Im} \,\Gamma &\operatorname {Re} \,\Gamma \end{bmatrix}}{\Big )}}

dóndeΓ=mi[ZZH]{\displaystyle \Gamma =\operatorname {E} [\mathbf {Z} \mathbf {Z} ^{\mathrm {H} }]}.

Función de densidad de probabilidad

Para una matriz de covarianza no singularΓ{\displaystyle \Gamma }, su distribución también puede simplificarse como [ 3 ] : pág. 508

FZ(z)=1πnortedet(Γ)mi(zμ)HΓ1(zμ){\displaystyle f_{\mathbf {Z} }(\mathbf {z} )={\tfrac {1}{\pi ^{n}\det(\Gamma )}}\,e^{-(\mathbf {z} -\mathbf {\mu } )^{\mathrm {H} }\Gamma ^{-1}(\mathbf {z} -\mathbf {\mu } )}}.

Por lo tanto, si la media no es ceroμ{\displaystyle \mu }y matriz de covarianzaΓ{\displaystyle \Gamma }son desconocidos, una función de verosimilitud logarítmica adecuada para un único vector de observaciónz{\displaystyle z}sería

ln(L(μ,Γ))=ln(det(Γ))(zμ)¯Γ1(zμ)norteln(π).{\displaystyle \ln(L(\mu ,\Gamma ))=-\ln(\det(\Gamma ))-{\overline {(z-\mu )}}'\Gamma ^{-1}(z-\mu )-n\ln(\pi ).}

La distribución normal compleja estándar (definida en la ecuación 1 ) corresponde a la distribución de una variable aleatoria escalar conμ=0{\displaystyle \mu =0},do=0{\displaystyle C=0}yΓ=1{\displaystyle \Gamma =1}Por lo tanto, la distribución normal compleja estándar tiene densidad

FZ(z)=1πmiz¯z=1πmi|z|2.{\displaystyle f_{Z}(z)={\tfrac {1}{\pi }}e^{-{\overline {z}}z}={\tfrac {1}{\pi }}e^{-|z|^{2}}.}

Propiedades

La expresión anterior demuestra por qué el casodo=0{\displaystyle C=0},μ=0{\displaystyle \mu =0}se denomina “circularmente simétrica”. La función de densidad depende únicamente de la magnitud dez{\displaystyle z}pero no en su argumento . Como tal, la magnitud|z|{\displaystyle |z|}de una variable aleatoria normal compleja estándar tendrá la distribución de Rayleigh y la magnitud al cuadrado|z|2{\displaystyle |z|^{2}}tendrá la distribución exponencial , mientras que el argumento se distribuirá uniformemente en[π,π]{\displaystyle [-\pi ,\pi ]}.

Si{Z1,,Zk}{\displaystyle \left\{\mathbf {Z} _{1},\ldots ,\mathbf {Z} _{k}\right\}}son vectores aleatorios normales complejos circulares n -dimensionales independientes e idénticamente distribuidos conμ=0{\displaystyle \mu =0}, entonces la norma cuadrática aleatoria

Q=j=1kZjHZj=j=1kZj2{\displaystyle Q=\sum _{j=1}^{k}\mathbf {Z} _{j}^{\mathrm {H} }\mathbf {Z} _{j}=\sum _{j=1}^{k}\|\mathbf {Z} _{j}\|^{2}}

tiene la distribución chi-cuadrado generalizada y la matriz aleatoria

W=j=1kZjZjH{\displaystyle W=\sum _{j=1}^{k}\mathbf {Z} _{j}\mathbf {Z} _{j}^{\mathrm {H} }}

tiene la distribución compleja de Wishart conk{\displaystyle k}grados de libertad. Esta distribución se puede describir mediante la función de densidad.

F(w)=det(Γ1)kdet(w)knorteπnorte(norte1)/2j=1k(kj)¡ mitr(Γ1w){\displaystyle f(w)={\frac {\det(\Gamma ^{-1})^{k}\det(w)^{k-n}}{\pi ^{n(n-1)/2}\prod _{j=1}^{k}(k-j)!}}\ e^{-\operatorname {tr} (\Gamma ^{-1}w)}}

dóndeknorte{\displaystyle k\geq n}, yw{\displaystyle w}es unnorte×norte{\displaystyle n\times n}matriz semidefinida positiva.

Véase también

Referencias

  1. Goodman, NR (1963). "Análisis estadístico basado en una cierta distribución gaussiana compleja multivariada (una introducción)" . The Annals of Mathematical Statistics . 34 (1): 152– 177. doi : 10.1214/aoms/1177704250 . JSTOR 2991290 . 
  2. capítulo del libro, Gallager.R , pág. 9.
  3. 1 2 3 4 5 6 Lapidoth, A. (2009). Fundamentos de la comunicación digital . Cambridge University Press. ISBN 9780521193955.
  4. 1 2 3 4 Tse, David (2005). Fundamentos de la comunicación inalámbrica . Cambridge University Press. ISBN 9781139444668.
  5. 1 2 3 Picinbono, Bernard (1996). "Vectores aleatorios complejos de segundo orden y distribuciones normales" . IEEE Transactions on Signal Processing . 44 (10): 2637– ​​2640. Bibcode : 1996ITSP...44.2637P . doi : 10.1109/78.539051 .
  6. Daniel Wollschlaeger. "La distribución de Hoyt (Documentación para el paquete de R 'shotGroups' versión 0.6.2)" .
  7. capítulo del libro, Gallager.R