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2022-12-16

F分布

F 分布とは

F分布とは、確率変数 XY がぞれぞれがカイ二乗分布 \chi^2(m)\chi^2(n) に従い、XY が互いに独立であるときに次の確率変数 F が従う確率分布です。

F = \frac{\frac{X}{m}}{\frac{Y}{n}}

F分布は F(m,n) と表記されることもあります。F分布の確率密度関数は次の式で表されます。

f(x) = \frac{\Gamma(\frac{m+n}{2})}{\Gamma(\frac{m}{2})\Gamma(\frac{n}{2})}m^{\frac{m}{2}}n^{\frac{n}{2}}\frac{x^{\frac{m}{2} - 1}}{(mx + n)^{\frac{m+n}{2}}} \quad (x > 0)

F分布のグラフは自由度 mn に依存し、次のようになります。

F distribution

F 分布の期待値と分散

F分布 F(m, n) に従う確率変数 X の期待値、分散はそれぞれ以下になります。

E(X)= \frac{n}{n-2} \quad (n > 2)
V(X) = \frac{2n^2(m+n-2)}{m(n-2)^2(n-4)} \quad (n > 4)

F 分布表(上側)

F分布はパラメータが mn のみであるため、F分布の確率をF分布表と呼ばれる表にまとめることができます。以下に上側確率 \alpha=0.05 のF分布表を示します。

n \ m 1 2 3 4 5 6 7
1 161.448 199.500 215.707 224.583 230.162 233.986 236.768
2 18.513 19.000 19.164 19.247 19.296 19.330 19.353
3 10.128 9.552 9.277 9.117 9.013 8.941 8.887
4 7.709 6.944 6.591 6.388 6.256 6.163 6.094
5 6.608 5.786 5.409 5.192 5.050 4.950 4.876
10 4.965 4.103 3.708 3.478 3.326 3.217 3.135
15 4.543 3.682 3.287 3.056 2.901 2.790 2.707
20 4.351 3.493 3.098 2.866 2.711 2.599 2.514

例えば、m=5n=2 の自由度のときの \alpha=0.05 となるF値は19.296になります。

Python コード

以下にF分布の描画で使用したPythonコードを示します。

from scipy import stats
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

plt.style.use('ggplot')
fig, ax = plt.subplots(facecolor="w", figsize=(10, 5))

x = np.linspace(0.000001, 10, 1000) # X axis
f_df = [(5,5), (5,10), (5,20), (10,5), (20,5), (10,10), (20,20)] # degree of freedom of F(m,n)

for i in range(len(f_df)):
    y = stats.f.pdf(x, f_df[i][0], f_df[i][1])
    ax.plot(x, y, linestyle='-', label=f'F({f_df[i][0]}, {f_df[i][1]})', lw=5, alpha=0.5)

plt.xlim(0, 5)
plt.ylim(0, 1.0)
plt.legend()
plt.show()

F distribution

Ryusei Kakujo

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