Skip to main content

Transformaciones Multivariadas y el Jacobiano

Para transformaciones de vectores, la fórmula incluye el determinante jacobiano: \[ f_Y(y) = f_X(h(y)) \cdot |J_h(y)| \] donde \(J_h(y) = \det\left( \frac{\partial h_i}{\partial y_j} \right)\).

Visualización: Transformación lineal de normales independientes

Ejemplo del PDF: \(X_1 = Z_1 + Z_2\), \(X_2 = Z_1 - Z_2\) con \(Z_i \sim N(0,1)\) i.i.d. La transformación inversa: \(Z_1 = \frac{X_1+X_2}{2}\), \(Z_2 = \frac{X_1-X_2}{2}\)
Jacobiano: \[ J = \det\begin{pmatrix} 1/2 & 1/2 \\ 1/2 & -1/2 \end{pmatrix} = -\frac{1}{2} \] \[ f_X(x) = f_Z(h(x)) \cdot |J| = \frac{1}{2\pi} e^{-\frac{1}{2}\left[\left(\frac{x_1+x_2}{2}\right)^2 + \left(\frac{x_1-x_2}{2}\right)^2\right]} \cdot \frac{1}{2} \] Simplificando: \(f_X(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sqrt{2}} e^{-x_1^2/4} \cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sqrt{2}} e^{-x_2^2/4}\)
¡\(X_1\) y \(X_2\) son independientes \(N(0,2)\)!

Ejemplo del PDF: Transformación de uniformes a un rombo
Sean \(U_1, U_2 \sim \text{Unif}(0,1)\) independientes. Definimos \(X_1 = U_1 + U_2\), \(X_2 = U_1 - U_2\).
El soporte resultante es un rombo (ver figura en el PDF). La densidad conjunta es uniforme sobre el rombo: \[ f_X(x) = \frac{1}{2} \mathbb{1}_{\{ |x_1| + |x_2| \le 2, |x_1| \le 2, |x_2| \le 1 \}}(x) \]

Ejercicio

(Barrios y colaboradores, Cuaderno de Ejercicios CP2, sección 10, ej. 3) Sean \(X_1,X_2\) v.a.i.i.d. con distribución común \(\chi^2_2\). Sea \(Y=(X_1-X_2)/2\). Muestre que \(Y\) sigue una distribución Laplaciana. Como \(\chi^2_2\) es equivalente a \(\text{Exponencial}(\lambda=1/2)\) (densidad \(\frac{1}{2}e^{-x/2}\)), basta trabajar con \(X_1,X_2\sim\text{Exp}(\lambda)\) i.i.d. Introducimos la variable auxiliar \(S=X_1+X_2\) y sea \(D=X_1-X_2\), con inversa \(X_1=(S+D)/2\), \(X_2=(S-D)/2\). El jacobiano es: \[ J = \det\begin{pmatrix}1/2 & 1/2\\ 1/2 & -1/2\end{pmatrix} = -\frac12, \qquad |J|=\frac12. \] La densidad conjunta de \((X_1,X_2)\) es \(f(x_1,x_2)=\lambda^2e^{-\lambda(x_1+x_2)}=\lambda^2e^{-\lambda s}\), válida donde \(x_1,x_2>0\), es decir \(s>|d|\). Entonces: \[ f_{D,S}(d,s) = \frac{\lambda^2}{2}e^{-\lambda s}, \qquad s>|d|. \] Integrando sobre \(s\) para obtener la marginal de \(D\): \[ f_D(d) = \int_{|d|}^{\infty}\frac{\lambda^2}{2}e^{-\lambda s}\,ds = \frac{\lambda}{2}e^{-\lambda|d|}. \] Finalmente, con \(\lambda=1/2\) (por ser \(\chi^2_2\)) y \(Y=D/2\) (así \(D=2Y\), \(|dD/dY|=2\)): \[ f_Y(y) = f_D(2y)\cdot 2 = \frac{1/2}{2}e^{-(1/2)|2y|}\cdot2 = \frac12 e^{-|y|}. \] Esta es exactamente la densidad de una Laplace(0,1) — la misma técnica de variable auxiliar + Jacobiano usada en el ejemplo resuelto de esta página.