Empirical Processes, and the KolmogorovβSmirnov
Statistic
Math 6070, Spring 2014
Davar KhoshnevisanUniversity of Utah
March 22, 2014
Contents
1 Some Basic Theory 11.1 Consistency and Unbiasedness at a Point . . . . . . . . . . . 21.2 The KolmogorovβSmirnov Statistic . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Order Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Proof of the GlivenkoβCantelli Theorem . . . . . . . . . . . . 7
2 Confidence Intervals and Tests at a Point 8
3 Empirical-Process Theory 93.1 Gaussian Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 A Return to Empirical Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 Tests of Normality 144.1 QQ-Plots: A Visual Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.2 A Non-Parametric Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.3 A Test of Skewness and/or Kurtosis . . . . . . . . . . . . . . 214.4 A Test Based on Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1 Some Basic Theory
We wish to address the following fundamental problem: Let X1, X2, . . . bean i.i.d. sample from a distribution function F . Then, what does F βlooklikeβ? There are many way to interpret the last question, but no matter
1
what we mean by βlook like,β we need to start by a statistical estimate forthe unknown βparameterβ F .
Consider the empirical distribution function
FΜn(x) :=1
n
nβi=1
I{Xi 6 x}.
[Plot it!] We begin with some elementary facts about FΜn.
1.1 Consistency and Unbiasedness at a Point
Fix x β R. Then, nFΜn(x) βΌ Binomial(n , F (x)). Consequently,
E[FΜn(x)
]=
1
nE[nFΜn(x)
]= F (x).
That is, FΜn(x) is an unbiased estimator of F (x) for each fixed x. Also,
Var(FΜn(x)
)=
1
n2Var
(nFΜn(x)
)=F (x)
[1β F (x)
]n
.
Consequently, by the Chebyshev inequality, FΜn(x)Pβ F (x). Therefore,
FΜn(x) is a consistent, unbiased estimator of F (x) for each fixed x β R.Based on this, we can construct nice confidence intervals for F (x) for afixed x. But what if we wanted to have a confidence set for (F (x1) , F (x2)),or wished to know something about the entire function F?
1.2 The KolmogorovβSmirnov Statistic
Define the KolmogorovβSmirnov statistic Dn by
Dn := maxββ<x<β
β£β£β£FΜn(x)β F (x)β£β£β£ . (1)
We intend to prove the following:
Theorem 1 (GlivenkoβCantelli) As nββ, DnPβ 0.
In particular, we can fix Ξ΅ > 0 small and deduce that if n is large then withhigh probability, Dn 6 Ξ΅ (say!). If so, then we could plot
Cn(Ξ΅) :={
(x , y) :β£β£β£FΜn(x)β y
β£β£β£ 6 Ξ΅} .2
This gives us a good idea of the shape of F because |Dn| 6 Ξ΅ if and only ifthe graph of F lies in Cn(Ξ΅). [Recall that the graph of F is the collection ofall pairs (x , F (x)).]
Before we prove Theorem 1 we take another look at Dn and its so-calledβdistribution-freeβ property.
Theorem 2 (The Distribution-Free Property) The distribution of Dn
is the same for all continuous underlying distribution functions F .
Proof. I first prove this in the slightly simpler case that F is strictly in-creasing. In this case Fβ1 [the inverse] exists and is strictly increasing also.Therefore,
Dn = maxββ<x<β
β£β£β£FΜn(x)β F (x)β£β£β£
= max06y61
β£β£β£FΜn (Fβ1(y))β F
(Fβ1(y)
)β£β£β£= max
06y61
β£β£β£FΜn (Fβ1(y))β yβ£β£β£ .
Now,
FΜn(Fβ1(y)
)=
1
n
nβi=1
I{Xi 6 F
β1(y)}
=1
n
nβi=1
I {F (Xi) 6 y} ,
and this is the empirical distribution function for the i.i.d. random sampleF (X1), . . . , F (Xn).1 The latter is a sample from the Unif(0 , 1) distribution,and thus we find that the distribution of Dn is the same as the KolmogorovβSmirnov statistic for a Unif(0 , 1) sample. This proves the result in the casethat Fβ1 exists. In the general case, Fβ1 does not necessarily exists. How-ever, consider F+(x) := min{y : F (x) > x}. Then, this has the propertythat F+(x) 6 z if and only if x 6 F (z). Plug F+ in place of Fβ1 everywherein the previous proof. οΏ½
1.3 Order Statistics
Let X1, . . . , Xn be i.i.d. random variables, all with the same distributionfunction F . The order statistics are the resulting ordered random variables
X1:n 6 . . . 6 Xn:n.
1In other words, if X βΌ F and F has nice inverse, then F (X) βΌ Unif(0 , 1). Here is thereason: P{F (X) 6 a} = P{X 6 Fβ1(a)} = F (Fβ1(a)) = a, when 0 6 a 6 1. Otherwise,this probability is zero [when a < 0] or one [when a > 1].
3
Thus, X1:n := min16j6nXj , X2:n := min({Xi}ni=1 \ {X1:n}), . . . , Xn:n :=max16j6nXj .
If F is continuous, then the order statistics attain unique values withprobability one. That is, the following occurs with probability one:
X1:n < Β· Β· Β· < Xn:n. (2)
We prove this in the absolutely-continuous case. Consider the event Ei,j :={Xi = Xj}. Then, the continuity of F implies that whenever i 6= j,
P(Ei,j) =
β«β«{x=y}
f(x)f(y) dx dy = 0,
where f is the common density function of Xi and Xj . Thus, by Booleβsinequality,2
P {Xi = Xj for some 1 6 i 6= j 6 n} = P
β16i 6=j6n
Ei,j
6
β16i 6=j6n
P(Ei,j)
= 0.
This implies (2).Now suppose F is continuous, so that (2) is in force. Then, Dn is
distribution-free. So we can assume without loss of generality thatX1, . . . , Xn βΌUnif(0 , 1). Also, in this case, Dn = max06x61 |FΜn(x) β x|. Now plot thefunction |FΜn(x)βx| to find that the maximum [in Dn] can occur only at thejump points of FΜn. [This is a property of convex functions.] That is,
Dn = max16i6n
{|FΜn(Xi:n)βXi:n| , |FΜn(Xi:nβ)βXi:n|
}.
Notice that FΜn(Xi:n) = i/n and FΜn(Xi:nβ) = (i β 1)/n. Since i/n and(iβ 1)/n are no more than 1/n apart,β£β£β£β£Dn β max
16i6n|Xi:n β (i/n)|
β£β£β£β£ 6 1
n. (3)
Next, we study the distribution of each Xi:n in the Unif(0 , 1) case.
2Recall that Booleβs inequality states that P(A1 βͺ Β· Β· Β· βͺAk) 6 P(A1) + Β· Β· Β·+ P(Ak).
4
Theorem 3 Suppose X1, . . . , Xn βΌ Unif(0 , 1) are i.i.d. Then, for all 1 6k 6 n, the kth order statistic Xk:n has an absolutely continuous distributionwith density
fXk:n(t) = k
(n
k
)tkβ1(1β t)nβk, 0 6 t 6 1.
Proof. First let us estimate carefully the probability
FXk:n(a+ Ξ΅)β FXk:n
(a) = P {a < Xk:n 6 a+ Ξ΅} ,
where a β (0 , 1) and Ξ΅ is a small constant that is small enough to ensurethat a + Ξ΅ < 1. For every subinterval J of (0 , 1), let NJ denote the totalnumber of data points that fall in J ; that is,
NJ :=nβj=1
I {Xj β J} .
Since the Xj have a uniform distribution, it follows that NJ βΌ Bin(n , |J |).In particular, we may apply a Taylor expansion or two in order to see thatthe follows are valid as Ξ΅ β 0:
P{N(a,a+Ξ΅] = 0
}= (1β Ξ΅)n β 1β nΞ΅,
P{N(a,a+Ξ΅] = 1
}= nΞ΅(1β Ξ΅)nβ1 β nΞ΅ (1β (nβ 1)Ξ΅) = nΞ΅.
This means that:
1. It is unlikely to have any data in (a + a + Ξ΅] when Ξ΅ β 0; in fact theprobability of such an event is P{N(a,a+Ξ΅] 6= 0} β nΞ΅; and yet
2. For small Ξ΅ > 0, if we happen to see the unlikely event that N(a,a+Ξ΅] > 1then chances are very high that we saw only one data point in (a , a+Ξ΅];i.e.,
P(N(a,a+Ξ΅] = 1
β£β£N(a,a+Ξ΅] 6= 0)
=P{N(a,a+Ξ΅] = 1}P{N(a,a+Ξ΅] 6= 0}
β 1.
Therefore, for small Ξ΅, it follows that
P {a < Xk:n 6 a+ Ξ΅} β P{N(0,a) = k β 1 , N(a,a+Ξ΅] = 1 , N(a+Ξ΅,1) = nβ k
}.
5
But the random vector (N(0,a) , N(a,a+Ξ΅] , N(a+Ξ΅,1)) has a multinomial distri-bution. Therefore, if i, j, l are integers between 1 and n such that i+j+l = n,then
P{N(0,a) = i ,N(a,a+Ξ΅] = j ,N(a+Ξ΅,1) = l
}=
n!
i! Β· j! Β· l!aiΞ΅j(1β aβ Ξ΅)l.
Plug in i := k β 1, j := 1 and l := nβ k to see that
P {a < Xk:n 6 a+ Ξ΅} β n!
(k β 1)!(nβ k)!akΞ΅(1β aβ Ξ΅)nβk
= k
(n
k
)akΞ΅(1β aβ Ξ΅)nβk
β Ξ΅k(n
k
)ak(1β a)nβk.
Divide by Ξ΅ and let Ξ΅β 0 to see that
limΞ΅β0
FXk:n(a+ Ξ΅)β FXk:n
(a)
Ξ΅= lim
Ξ΅β0
P {a < Xk:n 6 a+ Ξ΅}Ξ΅
= k
(n
k
)ak(1βa)nβk.
This does the job. οΏ½
Let us compute the moments too.
Theorem 4 Suppose X1, . . . , Xn βΌ Unif(0 , 1) are i.i.d. Then, for all 1 6k 6 n and p > 1,
E[Xpk:n
]=
n!
(k β 1)!Β· Ξ(k + p)
Ξ(n+ p+ 1).
Proof. We use the density to find that E[Xpk:n] = k
(nk
) β« 10 t
k+pβ1(1βt)nβk dt.Now recall Beta functions:
B(r , s) :=
β« 1
0trβ1(1β t)sβ1 dt,
for all r, s > 0. These functions can be written as follows: B(r , s) =Ξ(r)Ξ(s)/Ξ(r + s). Therefore,
E[Xpk:n
]= k
(n
k
)B(k + p , nβ k + 1) = k
(n
k
)Ξ(k + p)Ξ(nβ k + 1)
Ξ(n+ p+ 1).
Cancel terms, and recall that Ξ(k + 1) = k! to finish. οΏ½
6
1.4 Proof of the GlivenkoβCantelli Theorem
I will prove the GlivenkoβCantelli theorem in the slightly less general settingwhere F is continuous. In this case, Dn has the same distribution as in thecase that the Xβs are Unif(0 , 1). Now, according to Theorem 4,
E [Xk:n] =k
n+ 1,
E[X2k:n
]=
k
n+ 1Β· k + 1
n+ 2,
E[X3k:n
]=
k
n+ 1Β· k + 1
n+ 2Β· k + 2
n+ 3,
E[X4k:n
]=
k
n+ 1Β· k + 1
n+ 2Β· k + 2
n+ 3Β· k + 3
n+ 4,
etc. Let Β΅ := EXk:n, and apply the binomial theorem to find that
E[(Xk:n β Β΅)4
]= E
[X4k:n
]β 4E
[X3k:n
]Β΅+ 6E
[X2k:n
]Β΅2 β 4Β΅4 + Β΅4
= E[X4k:n
]β 4E
[X3k:n
]Β΅+ 6E
[X2k:n
]Β΅2 β 3Β΅4.
Note that
E[X2k:n
]= Β΅ Β· k + 1
n+ 2= Β΅2 + Β΅
(k + 1
n+ 2β k
n+ 1
)= Β΅2 + Β΅ Β· nβ k + 1
(n+ 1)(n+ 2).
Therefore, because nβ k + 1 6 n+ 1,
VarXk:n = Β΅ Β· nβ k + 1
(n+ 1)(n+ 2)6
Β΅
n+ 26
n
(n+ 1)(n+ 2)β 1
n, (4)
when n is large. This shows that Xk:n β EXk:n with high probability,thanks to the Chebyshev inequality. We need a slightly better estimate forour purposes. With that in mind, let us note that
E[(Xk:n β Β΅)4
]= E
[X4k:n
]β 4E
[X3k:n
]Β΅+ 6E
[X2k:n
]Β΅2 β 4Β΅4 + Β΅4
= E[X4k:n
]β 4E
[X3k:n
]Β΅+ 6E
[X2k:n
]Β΅2 β 3Β΅4
=
(k
n+ 1Β· k + 1
n+ 2Β· k + 2
n+ 3Β· k + 3
n+ 4
)β 4
(k
n+ 1Β· k + 1
n+ 2Β· k + 2
n+ 3Β· k
n+ 1
)+ 6
(k
n+ 1Β· k + 1
n+ 2Β· k
n+ 1Β· k
n+ 1
)β 3
(k
n+ 1Β· k
n+ 1Β· k
n+ 1Β· k
n+ 1
).
7
We factor a k/(n + 1) from the entire expression and use the fact thatk/(n+ 1) 6 n/(n+ 1) 6 1 to see that
E[(Xk:n β Β΅)4
]6
(k + 1
n+ 2Β· k + 2
n+ 3Β· k + 3
n+ 4
)β 4
(k + 1
n+ 2Β· k + 2
n+ 3Β· k
n+ 1
)+ 6
(k + 1
n+ 2Β· k
n+ 1Β· k
n+ 1
)β 3
(k
n+ 1Β· k
n+ 1Β· k
n+ 1
)6
constant
n2,
after some painful (but otherwise direct) computations. The βconstantβhere does not depend on k nor on n. [This is because k 6 n.] Consequently,by the Boole and Chebyshev inequalities,
P
{max16k6n
|Xk:n β EXk:n| > Ξ΅}
= P
(nβk=1
{|Xk:n β EXk:n| > Ξ΅}
)
6nβk=1
P {|Xk:n β EXk:n| > Ξ΅}
6constant
nΞ΅4.
Hence, max16k6n |Xk:n β EXk:n|Pβ 0. Butβ£β£β£β£EXk:n β
k
n
β£β£β£β£ = k
β£β£β£β£ 1
n+ 1β 1
n
β£β£β£β£ =k
n(n+ 1)6
1
n.
Therefore, the triangle inequality yields
max16k6n
β£β£β£β£Xk:n βk
n
β£β£β£β£ 6 max16k6n
|Xk:n β EXk:n|+1
nPβ 0,
and Theorem 1 follows from (3). οΏ½
2 Confidence Intervals and Tests at a Point
We wish to describe asymptotic (1 β Ξ±)-level confidence intervals for F (x)for a given x β R. Recall that nFΜn(x) βΌ Binomial(n , F (x)). Therefore, by
8
the central limit theorem,
n[FΜn(x)β F (x)
](nF (x)
[1β F (x)
])1/2 dβ N(0 , 1).
Also, FΜn(x)Pβ F (x). Thus, Slutskyβs theorem implies that as nββ,
n1/2FΜn(x)β F (x)(
FΜn(x)[1β FΜn(x)
])1/2 dβ N(0 , 1).
Thus, an asymptotic (1β Ξ±)-level confidence interval for F (x) is
Cn(Ξ±) :=
FΜn(x)β zΞ±/2
βFΜn(x)
[1β FΜn(x)
]n
, FΜn(x) + zΞ±/2
βFΜn(x)
[1β FΜn(x)
]n
.Likewise, suppose we were to test
H0 : F (x) = F0(x) versus H1 : F (x) 6= F0(x),
where F0 is a known, fixed distribution function. Then, an asymptotic(1β Ξ±)-level test can be based on rejecting H0 if and only ifβ£β£β£FΜn(x)β F0(x)
β£β£β£βF0(x)
[1β F0(x)
] > zΞ±/2βn.
Something to think about: How would you find a sensible, asymptoticlevel (1β Ξ±) confidence interval for P{a < X1 6 b}, where a < b are knownand fixed? Also, how would you test H0 : P{a < X1 6 b} = F0(b) β F0(a)versus H1 : P{a < X1 6 b} 6= F0(b)β F0(a) for a known F0?
3 Empirical-Process Theory
Now consider the more realistic problem of finding simultaneous confidenceintervals for F (x), simultaneously over all x β R. Or suppose we wish totest H0 : F = F0 versus H1 : F 6= F0, where F0 is known. [These areessentially the same problem.]
Suppose we knew the exact distribution of Dn(F0) := maxx |FΜn(x) βF0(x)|. Then, we can find δα(n) such that
PF {Dn(F ) 6 δα(n)} > 1β Ξ±, (5)
9
for all F . Now consider the confidence interval
Cn(α) := {F : Dn(F ) 6 δα(n)}.
This has level 1βΞ±. Note that δα(n) does not depend on F , because of thedistribution-free nature of Dn! Moreover, δα(n) can be computed by simula-tion: Without loss of generality, assume that F is the Unif(0 , 1) distributionfunction. In this case, Dn = max16j6n |Xj:nβ(j/n)|, whose distribution canbe simulated by Monte-Carlo. [This will be the next Project.]
However, for theoretical purposes, it may help to be able to constructan asymptotic level-(1β Ξ±) confidence interval. This is helpful also when nis large. [See equation (7) on page 14 below, for an example.] To do so, weneed to know how fast Dn converges to zero.
In order to understand this question, we assume that X1, . . . , Xn aredistributed as Unif(0 , 1), so that F (x) = x forall 0 6 x 6 1. And firstconsider the random vector
βn
FΜn(x1)β F (x1)...
FΜn(xk)β F (xk)
=1βn
nβi=1
I{X1 6 x1} β F (x1)...
I{X1 6 xk} β F (xk)
:=
1βn
nβi=1
Zi,
where x1, . . . , xk are fixed. Evidently, Z1,Z2, . . . are i.i.d. k-dimensionalrandom vectors with EZ1 = 0 and Cov(Z1) = Q, where
Qi,i = F (xi){1β F (xi)}, 1 6 i 6 k,
and
Qi,j = F (min(xi , xj))β F (xi)F (xj)
= F (min(xi , xj)){1β F (max(xi , xj))} 1 6 i 6= j 6 k.
By the multidimensional central limit theorem, nβ1/2βn
i=1Zi converges indistribution to Nk(0 ,Q). In particular, under F ,
βn max
16i6k
β£β£β£FΜn(xi)β F (xi)β£β£β£ dβ max
16i6k|Wi|, (6)
where W = (W1 , . . . ,Wk)β² βΌ Nk(0 ,Q). Now choose x1, . . . , xk to be a very
fine partition of [0 , 1] to βseeβ that the left-hand side is very close toβnDn.
Therefore, one may surmise thatβnDn converges in distribution. In order
to guess the asymptotic limit, we need to understand the right-hand sidebetter. This leads us to βGaussian processes,β particularly to βBrownianmotion,β and βBrownian bridge.β
10
3.1 Gaussian Processes
Let A be a set. A Gaussian process G, indexed by A, is a collection{G(x)}xβA of Gaussian random variables such that for all x1, . . . , xk β A,the random vector (G(x1) , . . . , G(xk))
β² is multivariate normal. The functionm(x) := E[G(x)] is the mean function and C(x , y) := Cov(G(x) , G(y)) isthe covariance function. A centered Gaussian process is one whose meanfunction is identically zero.
Note that for all x, y β A,
E[|G(x)βG(y)|2
]= C(x , x) + C(y , y)β 2C(x , y).
We will need the following βhard factsβ:
Theorem 5 The distribution of G is determined by the functions m and C.
Theorem 6 Suppose G is centered Gaussian and A β R. Suppose also thatthere exist constants K, Ξ· > 0 such that for all x, y β A
E[|G(x)βG(y)|2
]6 K|xβ y|Ξ·.
Then, with probability one, the random function G is continuous.
Example 7 (Brownian Motion) The Brownian motion B (also knownas the Wiener process as well as the BachelierβWiener process) is a centeredGaussian process indexed by [0 ,β), whose covariance function is given by
C(s , t) := min(s , t), s, t > 0.
Note that whenever 0 6 s 6 t,
E(|B(t)βB(s)|2
)= s+ tβ 2 min(s , t)
= |sβ t|.
Therefore, B is a random continuous function.
Example 8 (The Brownian Bridge) The Brownian bridge is a centeredGaussian process B⦠indexed by [0 , 1], whose covariance function is
C(s , t) = min(s , t)β st.
11
Suppose 0 6 s 6 t 6 1. Then,
E(|Bβ¦(t)βBβ¦(s)|2
)= sβ s2 + tβ t2 β 2 [min(s , t)β st]
= |tβ s| β |tβ s|2
6 |tβ s|.
Therefore, B⦠is a continuous random function. In fact, the Brownian bridgeis related to the Brownian motion in a nice way. Let B denote Brownianmotion, and define
b(t) = B(t)β tB(1), 0 6 t 6 1.
Linear combinations of multivariate normals are themselves multivariatenormals. Therefore, b is a centered Gaussian process indexed by [0 , 1]. Itscovariance is computed as follows: If 0 6 s, t 6 1, then
Cov(b(s) , b(t)) = E[b(s)b(t)]
= E [B(t)B(s)]β tE[B(t)B(1)]β sE[B(s)B(1)] + stVarB(1)
= min(s , t)β tmin(t , 1)β smin(s , 1) + st
= min(s , t)β st.
That is, b is a Brownian bridge. Because B is continuous, so is b, andtherefore this gives an alternative proof that Brownian bridge is continuous.
Example 9 (The OU Process) This example is not needed in this course.However, it plays an important role in the classical theory of Gaussian pro-cesses and in particular Brownian motion; I would be remiss if I said nothingabout this example.
Let B be a Brownian motion, and define
U(t) := eβt/2B(et)
(t > 0).
The stochastic process U is clearly a mean-zero Gaussian process. It covari-ance function can be computed as follows: If t, s > 0, then
Cov(U(s) , U(t)) =1
e(s+t)/2Cov
(B (es) , B
(et))
=1
e(s+t)/2min
(es , et
)= eβ|tβs|/2.
12
In order to see the last line, consider the two cases s > t > 0 and 0 6 s < tseparately.
The process U is βstationaryβ in the sense that the joint distributionsof (U(t1) , . . . , U(tk)) and (U(Ο + t1) , . . . , U(Ο + tk)) are the same for everyt1, . . . , tk > 0 and for all βshiftsβ Ο > 0. This property can be seen frominspecting the covariance function.
3.2 A Return to Empirical Processes
Once again, let X1, X2, . . . , Xn be i.i.d. Unif(0 , 1) random variables. Nowconsider the random function,
En(x) :=βn[FΜn(x)β x
], 0 6 x 6 1.
Note that max06x61 |En(x)| = Dn(F ) is our friend, the KolmogorovβSmirnovstatistic. If we reconsider our derivation of (6) we find a proof of the follow-ing fact: For all 0 6 x1, . . . , xk 6 1,
βn
En(x1)...
En(xk)
dβ
Bβ¦(x1)
...Bβ¦(xk)
.In particular,
βn max
16j6k|En(xj)|
dβ max16j6k
|Bβ¦(xj)|.
It turns out that a little more is true. Namely, that
βn Dn := max
06x61|En(x)| dβ max
06x61|Bβ¦(x)| .
The advantage here is that the distribution of the random variable on theright-hand side is known. [A lot is known about Brownian motion, andBβ¦ is related to the latter Gaussian process because we can think of Bβ¦ asBβ¦(t) = B(t)β tB(1).] As an example, we have
P
{max06t61
|Bβ¦(t)| > x
}= 2
ββk=1
(β1)k+1eβ2k2x2 .
Thus, if n is large then
P
{Dn >
xβn
}β 2
ββk=1
(β1)k+1eβ2k2x2 = 2eβ2x
2 β 2eβ8x2 Β± Β· Β· Β· .
13
The series converges absolutely, and rapidly. In fact, the first term in theinfinite sum typically gives a very good approximation, for instance if x > 1.[For x = 1, the first term is 2eβ2 β 0.271, whereas the second term is2eβ8 β 0.00067.]
For instance, in order to find an asymptotic level-(1β Ξ±) confidence in-terval for F (t), simultaneously for all t, we need to find a number x such thatP{Dn > x/
βn} β Ξ±. [Earlier, this x/
βn was called δα(n). See equation
(5).] When Ξ± 6 0.2, a very good approximation then is given by 2eβ2x2 β Ξ±.
Solve for x to find that
δα(n) β
β1
2nln
(2
Ξ±
), for large n and 0 < Ξ± 6 0.2. (7)
4 Tests of Normality
We can use the Ο2-test of Pearson to test whether a certain data has theN(Β΅0 , Ο
20) distribution, where Β΅0 and Ο0 are known. Now we wish to address
the same problem, but in the more interesting case that Β΅0 and Ο0 are un-known. [For instance, you may wish to know whether or not you are allowedto use the usual homoskedasticity assumption in the usual measurement-error model of linear models.]
Here we discuss briefly some solutions to this important problem. Agood way to go about it this: First try the quick-and-dirty solution (qq-plots). If this rejects normality, then your data is probably not normal.Else, try one or two more of the more sophisticated methods below. Usedin combination, they provide a good picture of whether or not your data isnormally distributed. Of course, you should always plot a histogram of yourdata, as well.
4.1 QQ-Plots: A Visual Test
Recall that Ξ¦ denotes the standard-normal distribution function. That is,for all t β (ββ ,β),
Ξ¦(t) :=
β« t
ββ
eβu2/2
β2Ο
du.
Lemma 10 X is normally distributed if and only if Ξ¦β1(FX(t)) is a linearfunction of t.
14
Proof: Suppose X βΌ N(Β΅0 , Ο0). Then for all t β (ββ ,β),
FX(t) = P{X 6 t}
= P
{X β Β΅0Ο0
6tβ Β΅0Ο0
}= Ξ¦
(tβ Β΅0Ο0
).
Equivalently,
Ξ¦β1(FX(t)) =tβ Β΅0Ο0
.
We have shown that if X is normal, then Ξ¦β1(FX) is a linear function. Theconverse is also true, and holds for similar reasons. οΏ½
Next we recall the KolmogorovβSmirnov statistic Dn. Suppose F iscontinuous, and Ξ± β (0 , 1) is fixed. Then we can find c such that
PF {Dn 6 c} = 1β Ξ±.
Therefore,
PF
{FΜn(t)β c 6 F (t) 6 FΜn(t) + c for all t
}= 1β Ξ±.
Because Ξ¦ is strictly increasing, so is Ξ¦β1. Therefore,
PF
{Ξ¦β1
(FΜn(t)β c
)6 Ξ¦β1(F (t)) 6 Ξ¦β1
(FΜn(t) + c
)for all t
}= 1β Ξ±.
Now suppose we have plotted the curves of Ξ¦β1(FΜn(t) Β± c) and foundthat we cannot draw a straight line between the two curves (Lemma 10).Thus, we can reject βH0 : normalβ at level 1 β Ξ±; else, we do not reject.[This is a visual test.] Note that it is not hard to plot the two curves becauseFΜn is constant between Xi:n and Xi+1:n. Therefore, we need only plot the2n points: (Xi:n ,Ξ¦
β1((i/n)Β± c)) for i = 1, . . . , n.An even simpler visual method is to just plot the curve Ξ¦β1(FΜn), and
see if it looks like a straight line. We need to only plot things at the orderstatistics. Thus, we plot the n points: (Xi:n ,Ξ¦
β1((i/n))) for 1 6 i 6 n.The resulting plot is called a qq-plot.
Figures 1 and 2 contain four distinct examples. I have used qq-plot inthe prorgam environment βR.β The image on the left-hand side of Figure 1shows a simulation of 10, 000 standard normal random variables (in R, you
15
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β β β β ββ ββ β ββββ βββ β ββ ββ ββ ββ ββ ββ ββ ββ βββ ββ ββββ β ββ βββ ββ ββ ββ βββ β ββ β β βββ ββ ββ β β βββ β ββββ ββ ββ β ββ βββ βββ ββββ ββ ββββ ββ β βββ β βββ β βββ ββ βββ βββ βββ β ββ ββ ββ β β βββββ ββ β ββ βββ βββ ββ βββ βββ ββ ββ ββ βββ β βββββ β ββ ββ ββ ββ β βββ ββ ββ ββ ββ βββ ββ βββ ββ β β β ββββ β βββ β ββ ββ βββ ββ βββ ββ βββ βββ β βββ βββ β ββ
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Figure 1: Left is N(0 , 1) data. Right is Cauchy data
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βββ
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β
β
ββ
ββ
β ββ
β
β
β
β
β
β4 β2 0 2 4
02
46
8
Normal QβQ Plot
Theoretical Quantiles
Sam
ple
Qua
ntile
s
Figure 2: Left is the qq-plot of Unif(0 , 1). Right is the qq-plot of aGamma(1 , 1).
17
type x=rnorm(10000,0,1)), and its qq-plot is drawn on typing qqnorm(x).In a very strong sense, this figure is the benchmark.
The image on the right-hand side of Figure 1 shows a simulation of10, 000 standard Cauchy random variables. That is, the density function isf(x) = (1/Ο)(1 + x2)β1. This is done by typing y=rcauchy(10000,0,1),and the resulting qq-plot is produced upon typing qqnorm(y). We knowthat the Cauchy has much fatter tails than normals. For instance,
P{Cauchy > a} =1
Ο
β« βa
dx
1 + x2βΌ 1
Οa(as aββ),
whereas P{N(0 , 1) > a} decays faster than exponentially. Therefore,
P{N(0 , 1) > a} οΏ½ P{Cauchy > a} when a is large.
This heavy-tailedness can be read off in the right-figure in Figure 1: TheCauchy qq-plot grows faster than linearly on the right-hand side. And thismeans that the standard Cauchy distribution has fatter right-tails. Similarremarks apply to the left-tails.
The left-image in Figure 2 shows the result of the qq-plot of a simula-tion of 10, 000 iid Unif(0 , 1) random variables. [To generate these uniformrandom variables you type, rUnif(10000,0,1).]
Now Unif(0 , 1) random variables have much smaller tails than normalsbecause uniforms are in fact bounded. This fact manifests itself in the left-image of Figure 2. For instance, we can see that the right-tail of the qq-plotfor Unif(0 , 1) grows less rapidly than linearly. And this shows that the right-tail of a uniform is much smaller than that of a normal. Similar remarksapply to the left-tails.
A comparison of the three figures mentioned so far should give youa feeling for how sensitive qq-plots are to the effects of tails. [All threeare from distributions that are symmetric about their median.] Finally,the right-most image in Figure 2 shows an example of 10, 000 Gammarandom variables with Ξ± = Ξ² = 1. You generate them in R by typingx=rgamma(10000,1,1). Gamma distributions are inherently asymmetric.You can see this immediately in the qq-plot for Gammas; see the right-image in Figure 2. Because Gamma random variables are non-negative, theleft-tail is much smaller than that of a normal. Hence, the left-tail of the qq-plot grows more slowly than linearly. The right-tail however is fatter. [Thisis always the case. However, for the sake of simplicity consider the specialcase where Gamma=Exponential.] This translates to the faster-than-lineargrowth of the right-tail of the corresponding qq-plot (right-image in Figure2).
18
I have shown you Figures 1 and 2 in order to high-light the basic featuresof qq-plots in ideal settings. By βidealβ I mean βsimulated data,β of course.
Real data does not generally lead to such sleek plots. Nevertheless onelearns a lot from simulated data, mainly because simulated data helps iden-tify key issues without forcing us to have to deal with imperfections andother flaws.
But it is important to keep in mind that it is real data that we areultimately after. And so the histogram and qq-plot of a certain real data setare depicted in Figure 3. Have a careful look and ask yourself a number ofquestions: Is the data normally distributed? Can you see how the shape ofthe histogram manifests itself in the shape and gaps of the qq-plot? Do thetails look like those of a normal distribution? To what extent is the βgapβin the histogram βrealβ? By this I mean to ask what do you think mighthappen if we change the bin-size of the histogram in Figure 3?
4.2 A Non-Parametric Test
Another, more quantitative, test is based on a variant of the KolmogorovβSmirnov statistic; see (1) for the latter. We are interested in βH0 : normal,βand under the stated null hypothesis the KolmogorovβSmirnov statistic be-comes
Dn := maxββ<x<β
β£β£β£β£FΜn(x)β Ξ¦
(xβ Β΅Ο
)β£β£β£β£ .But Β΅ and Ο are unknown. So we do the obvious thing and estimate themto obtain the modified KS-statistic,
Dβn := maxββ<x<β
β£β£β£β£FΜn(x)β Ξ¦
(xβ XΜn
sn
)β£β£β£β£ .Here, XΜn and sn are the usual estimates for the mean and SD:
XΜn :=1
n
nβi=1
Xi and s2n :=1
nβ 1
nβi=1
(Xi β XΜn
)2.
Note that if we replace Xi by (Xi β Β΅)/Ο, then we do not change the valueof Dβn. Therefore, Dβn is distribution-free among all N(Β΅ , Ο2) distributions.Hence, we can compute its distribution by simulation, using iid N(0 , 1)βs.3
3For further literature on Dβn see J. Durbin (1973), Distribution theory for Tests Based
on the Sample Distribution Function, Regional Conf. Series in Appl. Math. 9, Society forApplied and Industrial Mathematics, Philadelphia, Pennsylvania.
19
Histogram of x
x
Fre
quen
cy
300 350 400
01
23
4
β
β
β
β
β
β
ββ
β
β
β
β β
β
β
β
β
β
β
β
β
β
β
β2 β1 0 1 2
300
320
340
360
380
400
420
Normal QβQ Plot
Theoretical Quantiles
Sam
ple
Qua
ntile
s
Figure 3: Histogram and qq-plot of data
20
When we wish to simulate Dβn, it may help to recognize that
Dβn := max16i6n
max(Ai , Bi),
where
Ai :=
β£β£β£β£ in β Ξ¦
(Xi:n β XΜn
sn
)β£β£β£β£ , and Bi :=
β£β£β£β£ iβ 1
nβ Ξ¦
(Xi:n β XΜn
sn
)β£β£β£β£ .4.3 A Test of Skewness and/or Kurtosis
Suppose E[X] = Β΅, Var(X) = Ο2 > 0, and X has finite absolute fourth-moment. Define
Ξ³1 :=E[(X β Β΅)3
]Ο3
and Ξ³2 :=E[(X β Β΅)4
]Ο4
.
If X βΌ N(Β΅ , Ο2) then Ξ³1 = 0 (zero skewness), and Ξ³2 = 3 (zero kurtosis:= Ξ³2β3). Therefore, normal data must have Ξ³1 = 0 and Ξ³2 = 3. These twoparameters do not determine the distribution, but are particularly sensitiveto the general βnormalβ shape of FX . Their estimates are respectively,
Ξ³Μ1 :=1n
βni=1(Xi β XΜn)3
s3nand Ξ³Μ2 :=
1n
βni=1(Xi β XΜn)4
s4n.
Note that both are consistent. Indeed, by the law of large numbers,
Ξ³Μ1Pβ Ξ³1 and Ξ³Μ2
Pβ Ξ³2 as nββ.
Also note that if we replace Xi by (XiβΒ΅)/Ο, then Ξ³Μ1 and Ξ³Μ2 do not change.Therefore, we can simulate N(0 , 1)βs to simulate the distribution of Ξ³Μ1 andΞ³Μ2 respectively. In this way we can perform the test H0 : X βΌ N(0 , 1) bychecking to see if H0 : Ξ³2 = 3.
4.4 A Test Based on Correlation
There is another idea for testing βH0 : Normalβ that you should knowabout. Recall that the data is deemed to be normally distributed if andonly if the qq-plot (large sample) looks linear. We can view the qq-plot asa scatterplot of two-dimensional data. Therefore, we can test to see if thecorrelation is high. A commonly-used statistic is the βR2-statistic,β
R2 :=
[βni=1(Xi:n β XΜn)Ξ¦β1
(iβ 1
2n
)]2βn
i=1(Xi β XΜn)2 Β·βn
j=1
[Ξ¦β1
(jβ 1
2n
)]2 .21
[Why is this the square of a sample-correlation? If you want, you can pretendthat (iβ 1
2)/n is i/n here.] Under H0 this R2 statistic should be very closeto one. Moreover, 0 6 R2 6 1, thanks to the CauchyβSchwarz inequality.
Note that if we replace Xi by (Xi β Β΅)/Οβwhere Β΅ and Ο are the truemean and SDβwe do not alter the value of R2. Therefore, R2 is distribution-free among all normals, and as such its distribution can be simulated. Theform of the test is as follows: First, use simulation to create a table ofprobabilities for the distribution of R2; then, find c such that P{R2 > c} =1 β Ξ±. Finally, look at the sample-R2. If it is less than c then reject H0 at(1β Ξ±)Γ 100% level.
There are other, related, tests. A notable one is the one based on theso-called βShapiro-Wilksβ W 2 statistic. Here are some references to this andmore in the literature:
β’ Shapiro and Wilks (1965). Biometrika 52, 591β611
β’ Shapiro, Wilks, and Chen (1968). J. Amer. Stat. Assoc. 63, 1343β1372
β’ Shapiro and Francia (1972). J. Amer. Stat. Assoc. 67, 215β216
β’ Venter and de Wet (1972). S. African Stat. J. 6, 135β149
22