間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

二項分布(binomial distribution)から正規分布(normal distribution)を導く

二項分布 B(n,p)

B(n,p)=fX(x)={nCxpx(1p)nxx{0,1,2,,n} 0x{0,1,2,,n}

fX(x)の対数をとる

log(fX(x))=log(nCxpx(1p)nx)=log(n!x!(nx)!px(1p)nx)=logn!logx!log(nx)!+logpx+log(1p)nx=logn!logx!log(nx)!+xlogp+(nx)log(1p)

一階微分

ddxlog(fX(x))=ddx(logn!logx!log(nx)!+xlogp+(nx)log(1p))n,ddxlog(x!)log(x)=ddxlogn!ddxlogx!ddxlog(nx)!+ddxxlogp+ddx(nx)log(1p)=0logx+log(nx)+logplog(1p)=log(nx)px(1p)

二階微分

d2dx2log(fX(x))=ddx(log(nx)px(1p))=ddxlog(nx)+ddxlogpddxlogxddxlog(1p)=(1nx)+0(1x)0=1nx1x=x(nx)x(nx)=nx(nx)

log(fX(x))の極値を考える(logは単調に増加する凾数なのでfX(x)も極値)

ddxlog(fX(x))=0log(nx)px(1p)=0(nx)px(1p)=1log(1)=0(nx)p=x(1p)npxp=x(1p)np=x(1p)+xpnp=x(1p+p)np=xx=nplog(fX(x))xnp(=μ)ddxlog(fX(np))=0

二階微分におけるx=np場合の値

d2dx2log(fX(np))=nnp(nnp)xnp=nn2p(1p)=1np(1p)np(1p)(=σ2)1np(1p)=1σ2

x=μ周りのテイラー展開

g(x)=10!g(0)(μ)(xμ)0+11!g(1)(μ)(xμ)1+12!g(2)(μ)(xμ)2+log(fX(x))=10!(fX(μ))(xμ)0+11!(fX(μ))(xμ)1+12!(fX(μ))(xμ)2+=11fX(μ)1+110(xμ)+121σ2(xμ)2+=fX(μ)+0+(xμ)22σ2=fX(μ)+(xμ)22σ2 elog(fX(x))=fX(x)=e(fX(μ)+(xμ)22σ2)=efX(μ)e(xμ)22σ2=Ce(xμ)22σ2C=efX(μ)

定数Cを求める

e(xμ)22σ2dx=e12y2dxy=xμσ,dydx=1σ,dx=σdy=ey22σdy=σey22dy=σ2πey22dy=2π=2πσ2 fX(x)dx=Ce(xμ)22σ2dx1=C2πσ2C=12πσ2

定数Cに値を代入する

fX(x)=12πσ2e(xμ)22σ2=N(μ,σ2)

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