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  <name>THE GAMMA AND CHI-SQUARE DISTRIBUTIONS</name>
  <metadata>
  <md:version>1.3</md:version>
  <md:created>2005/11/30 04:19:21 US/Central</md:created>
  <md:revised>2007/10/08 16:18:31.535 GMT-5</md:revised>
  <md:authorlist>
      <md:author id="zaba">
      <md:firstname>Ewa</md:firstname>
      <md:othername>Alina</md:othername>
      <md:surname>Paszek</md:surname>
      <md:email>epaszek@liv.ac.uk</md:email>
    </md:author>
  </md:authorlist>

  <md:maintainerlist>
    <md:maintainer id="zaba">
      <md:firstname>Ewa</md:firstname>
      <md:othername>Alina</md:othername>
      <md:surname>Paszek</md:surname>
      <md:email>epaszek@liv.ac.uk</md:email>
    </md:maintainer>
  </md:maintainerlist>
  
  <md:keywordlist>
    <md:keyword>Chi-Square Distribution</md:keyword>
    <md:keyword>Gamma Distribution</md:keyword>
  </md:keywordlist>

  <md:abstract>This course is a short series of lectures on Introductory Statistics. Topics
covered are listed in the Table of Contents. The notes were prepared by Ewa
Paszek and Marek Kimmel.
The development of this course has been supported by NSF 0203396 grant.</md:abstract>
</metadata>
  <content>
<section id="sec_1">
<name>GAMMA AND CHI-SQUARE DISTRIBUTIONS</name>

<para id="para_1">
In the (approximate) <cnxn document="m13125" target="def_1">Poisson process</cnxn> with mean <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>λ</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>, we have seen that the waiting time until the first change has an <cnxn document="m13128" target="sec_4">exponential distribution</cnxn>. Let now <emphasis>W</emphasis> denote the waiting time until the <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>th change occurs and let find the distribution of <emphasis>W</emphasis>. The distribution function of <emphasis>W</emphasis> ,when <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>w</m:mi><m:mo>≥</m:mo><m:mn>0</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> is given by
</para>
<para id="para_2">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mtable columnalign="left">
   <m:mtr>
    <m:mtd>
     <m:mi>F</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mi>w</m:mi>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mrow>
       <m:mi>W</m:mi><m:mo>≤</m:mo><m:mi>w</m:mi>
      </m:mrow>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mrow>
       <m:mi>W</m:mi><m:mo>&gt;</m:mo><m:mi>w</m:mi>
      </m:mrow>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mrow>
       <m:mi>f</m:mi><m:mi>e</m:mi><m:mi>w</m:mi><m:mi>e</m:mi><m:mi>r</m:mi><m:mo>_</m:mo><m:mi>t</m:mi><m:mi>h</m:mi><m:mi>a</m:mi><m:mi>n</m:mi><m:mo>_</m:mo><m:mi>α</m:mi><m:mo>_</m:mo><m:mi>c</m:mi><m:mi>h</m:mi><m:mi>a</m:mi><m:mi>n</m:mi><m:mi>g</m:mi><m:mi>e</m:mi><m:mi>s</m:mi><m:mo>_</m:mo><m:mi>o</m:mi><m:mi>c</m:mi><m:mi>c</m:mi><m:mi>u</m:mi><m:mi>r</m:mi><m:mo>_</m:mo><m:mi>i</m:mi><m:mi>n</m:mi><m:mo>_</m:mo><m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
        <m:mn>0,</m:mn><m:mi>w</m:mi>
       </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow>
      </m:mrow>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
    </m:mtd>
   </m:mtr>
   <m:mtr>
    <m:mtd>
     <m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
      <m:munderover>
       <m:mo>∑</m:mo>
       <m:mrow>
        <m:mi>k</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>0</m:mn>
       </m:mrow>
       <m:mrow>
        <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
       </m:mrow>
      </m:munderover>
      <m:mrow>
       <m:mfrac>
        <m:mrow>
         <m:msup>
          <m:mrow>
           <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
            <m:mrow>
             <m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
            </m:mrow>
           <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
          </m:mrow>
          <m:mi>k</m:mi>
         </m:msup>
         <m:msup>
          <m:mi>e</m:mi>
          <m:mrow>
           <m:mo>−</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
          </m:mrow>
         </m:msup>
         
        </m:mrow>
        <m:mrow>
         <m:mi>k</m:mi><m:mo>!</m:mo>
        </m:mrow>
       </m:mfrac>
       
      </m:mrow>
     </m:mstyle><m:mo>,</m:mo>
    </m:mtd>
   </m:mtr>
  </m:mtable>
   </m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_3">
since the number of changes in the interval <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
    <m:mn>0,</m:mn><m:mi>w</m:mi>
   </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> has a Poisson distribution with mean <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>. Because <emphasis>W</emphasis> is a continuous-type random variable, <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>F</m:mi><m:mo>'</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>w</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> is equal to the p.d.f. of <emphasis>W</emphasis> whenever this derivative exists. We have, provided <emphasis>w</emphasis>&gt;0, that
</para>
<para id="para_4">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mtable columnalign="left">
   <m:mtr>
    <m:mtd>
     <m:mi>F</m:mi><m:mo>'</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mi>w</m:mi>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mo>−</m:mo><m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mstyle displaystyle="true">
      <m:munderover>
       <m:mo>∑</m:mo>
       <m:mrow>
        <m:mi>k</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn>
       </m:mrow>
       <m:mrow>
        <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
       </m:mrow>
      </m:munderover>
      <m:mrow>
       <m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
        <m:mfrac>
         <m:mrow>
          <m:mi>k</m:mi><m:msup>
           <m:mrow>
            <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
             <m:mrow>
              <m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
             </m:mrow>
            <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
           </m:mrow>
           <m:mrow>
            <m:mi>k</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
           </m:mrow>
          </m:msup>
          <m:mi>λ</m:mi>
         </m:mrow>
         <m:mrow>
          <m:mi>k</m:mi><m:mo>!</m:mo>
         </m:mrow>
        </m:mfrac>
        <m:mo>−</m:mo><m:mfrac>
         <m:mrow>
          <m:msup>
           <m:mrow>
            <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
             <m:mrow>
              <m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
             </m:mrow>
            <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
           </m:mrow>
           <m:mi>k</m:mi>
          </m:msup>
          <m:mi>λ</m:mi>
         </m:mrow>
         <m:mrow>
          <m:mi>k</m:mi><m:mo>!</m:mo>
         </m:mrow>
        </m:mfrac>
        
       </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow>
      </m:mrow>
     </m:mstyle><m:mo>=</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mo>−</m:mo><m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
      <m:mi>λ</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mfrac>
       <m:mrow>
        <m:mi>λ</m:mi><m:msup>
         <m:mrow>
          <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
           <m:mrow>
            <m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
           </m:mrow>
          <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
         </m:mrow>
         <m:mrow>
          <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
         </m:mrow>
        </m:msup>
        
       </m:mrow>
       <m:mrow>
        <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
         <m:mrow>
          <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
         </m:mrow>
        <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>!</m:mo>
       </m:mrow>
      </m:mfrac>
      
     </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow>
    </m:mtd>
   </m:mtr>
   <m:mtr>
    <m:mtd>
     <m:mo>=</m:mo><m:mfrac>
      <m:mrow>
       <m:mi>λ</m:mi><m:msup>
        <m:mrow>
         <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
          <m:mrow>
           <m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
          </m:mrow>
         <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
        </m:mrow>
        <m:mrow>
         <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
      <m:mrow>
       <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
        <m:mrow>
         <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
        </m:mrow>
       <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>!</m:mo>
      </m:mrow>
     </m:mfrac>
     <m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:mi>w</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mo>.</m:mo>
    </m:mtd>
   </m:mtr>
  </m:mtable>
   </m:semantics>
</m:math>
</para>
<section id="sec_2">
<name>Gamma Distribution</name>
<definition id="def_1">
<term/>
<meaning>
If <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>w</m:mi><m:mo>&lt;</m:mo><m:mn>0</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, then <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>F</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>w</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>0</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>F</m:mi><m:mo>'</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>w</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>0</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, a p.d.f. of this form is said to be one of the <term>gamma type</term>, and the random variable <emphasis>W</emphasis> is said to have <term>the gamma distribution</term>.
</meaning>
<meaning>
The <term>gamma function</term> is defined by <m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>t</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
    <m:mrow><m:munderover>
     <m:mo>∫</m:mo>
     <m:mn>0</m:mn>
     <m:mi>∞</m:mi>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:msup>
      <m:mi>y</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>y</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mi>d</m:mi><m:mi>y</m:mi>
    </m:mrow>
   </m:mrow>
     </m:mstyle><m:mn>,0</m:mn><m:mo>&lt;</m:mo><m:mi>t</m:mi><m:mo>.</m:mo>
 </m:mrow>
</m:semantics>
</m:math>
</meaning>
</definition>
<para id="para_5">
This integral is positive for <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mn>0</m:mn><m:mo>&lt;</m:mo><m:mi>t</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, because the integrand id positive. Values of it are often given in a table of integrals. If <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>t</m:mi><m:mo>&gt;</m:mo><m:mn>1</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, integration of gamma fnction of <emphasis>t</emphasis> by parts yields
</para>
<para id="para_6">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>t</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:msubsup>
    <m:mrow>
     <m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
      <m:mo>−</m:mo><m:msup>
       <m:mi>y</m:mi>
       <m:mrow>
        <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
       </m:mrow>
      </m:msup>
      <m:msup>
       <m:mi>e</m:mi>
       <m:mrow>
        <m:mo>−</m:mo><m:mi>y</m:mi>
       </m:mrow>
      </m:msup>
      
     </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow>
    </m:mrow>
    <m:mn>0</m:mn>
    <m:mi>∞</m:mi>
   </m:msubsup>
   <m:mo>+</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
    <m:mrow><m:munderover>
     <m:mo>∫</m:mo>
     <m:mn>0</m:mn>
     <m:mi>∞</m:mi>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mrow>
       <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
      </m:mrow>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
      <m:mi>y</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>2</m:mn>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>y</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mi>d</m:mi><m:mi>y</m:mi>
    </m:mrow>
   </m:mrow>
   
  </m:mstyle><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
   <m:mrow>
    <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
   </m:mrow>
  <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mstyle displaystyle="true">
   <m:mrow><m:munderover>
    <m:mo>∫</m:mo>
    <m:mn>0</m:mn>
    <m:mi>∞</m:mi>
   </m:munderover>
   <m:mrow>
    <m:msup>
     <m:mi>y</m:mi>
     <m:mrow>
      <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>2</m:mn>
     </m:mrow>
    </m:msup>
    <m:msup>
     <m:mi>e</m:mi>
     <m:mrow>
      <m:mo>−</m:mo><m:mi>y</m:mi>
     </m:mrow>
    </m:msup>
    <m:mi>d</m:mi><m:mi>y</m:mi><m:mo>=</m:mo>
   </m:mrow>
  </m:mrow>
  
 </m:mstyle><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
  <m:mrow>
   <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
  </m:mrow>
 <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
  <m:mrow>
   <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
  </m:mrow>
 <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>.</m:mo>
</m:mrow>
</m:semantics>
</m:math>
</para>
<example id="ex_1">
<para id="para_7">
Let <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>6</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>5</m:mn><m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>5</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>3</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>2</m:mn><m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>2</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>2</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>1</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>1</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>. Whenever <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>t</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mi>n</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, a positive integer, we have, be repeated application of <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>t</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>t</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, that <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>n</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>n</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>n</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>n</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>n</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>2</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mn>...</m:mn><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>2</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>1</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>1</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>.</m:mo>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_8">
However, <m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>1</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
    <m:mrow><m:munderover>
     <m:mo>∫</m:mo>
     <m:mn>0</m:mn>
     <m:mi>∞</m:mi>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>y</m:mi>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mi>d</m:mi><m:mi>y</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   </m:mrow>
   
  </m:mstyle><m:mo>.</m:mo>
 </m:mrow>
</m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_9">
Thus when <emphasis>n</emphasis> is a positive integer, we have that <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>n</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>n</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>!</m:mo>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>; and, for this reason, the gamma is called <term>the generalized factorial</term>.
</para>
</example>
<para id="para_10">
Incidentally, <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>1</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
 corresponds to 0!, and we have noted that <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>1</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, which is consistent with earlier discussions.
</para>
<section id="sec_3">
<name>SUMMARIZING </name>
<para id="para_11">
The random variable <emphasis>x</emphasis> has <term>a gamma distribution</term> if its p.d.f. is defined by
</para>
<equation id="eq_1"> 
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>f</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>x</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mfrac>
    <m:mn>1</m:mn>
    <m:mrow>
     <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mi>α</m:mi>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
      <m:mi>θ</m:mi>
      <m:mi>α</m:mi>
     </m:msup>
     
    </m:mrow>
   </m:mfrac>
   <m:msup>
    <m:mi>x</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   </m:msup>
   <m:msup>
    <m:mi>e</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mi>θ</m:mi>
    </m:mrow>
   </m:msup>
   <m:mn>,0</m:mn><m:mo>≤</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>&lt;</m:mo><m:mi>∞</m:mi><m:mo>.</m:mo>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
</equation> 
<para id="para_12">
Hence, <emphasis>w</emphasis>, the waiting time until the <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>
th change in a Poisson process, has a gamma distribution with parameters <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>θ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mi>λ</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>. 
</para>
<para id="para_13">
Function <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>f</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>x</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> actually has the properties of a p.d.f., because <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>f</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>x</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>≥</m:mo><m:mn>0</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
 and 
</para>
<para id="para_14">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mstyle displaystyle="true">
    <m:mrow><m:munderover>
     <m:mo>∫</m:mo>
     <m:mrow>
      <m:mo>−</m:mo><m:mi>∞</m:mi>
     </m:mrow>
     <m:mi>∞</m:mi>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:mi>f</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mi>x</m:mi>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mi>d</m:mi><m:mi>x</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
      <m:mrow><m:munderover>
       <m:mo>∫</m:mo>
       <m:mn>0</m:mn>
       <m:mi>∞</m:mi>
      </m:munderover>
      <m:mrow>
       <m:mfrac>
        <m:mrow>
         <m:msup>
          <m:mi>x</m:mi>
          <m:mrow>
           <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
          </m:mrow>
         </m:msup>
         <m:msup>
          <m:mi>e</m:mi>
          <m:mrow>
           <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mi>θ</m:mi>
          </m:mrow>
         </m:msup>
         
        </m:mrow>
        <m:mrow>
         <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
          <m:mi>α</m:mi>
         <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
          <m:mi>θ</m:mi>
          <m:mi>α</m:mi>
         </m:msup>
         
        </m:mrow>
       </m:mfrac>
       
      </m:mrow>
     </m:mrow>
     
    </m:mstyle>
   </m:mrow>
  </m:mrow>
   </m:mstyle><m:mi>d</m:mi><m:mi>x</m:mi><m:mo>,</m:mo>
</m:mrow>
</m:semantics>
</m:math> which, by the change of variables <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>y</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mi>θ</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> equals
</para>
<para id="para_15">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mstyle displaystyle="true">
    <m:mrow><m:munderover>
     <m:mo>∫</m:mo>
     <m:mn>0</m:mn>
     <m:mi>∞</m:mi>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:mfrac>
      <m:mrow>
       <m:msup>
        <m:mrow>
         <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
          <m:mrow>
           <m:mi>θ</m:mi><m:mi>y</m:mi>
          </m:mrow>
         <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
        </m:mrow>
        <m:mrow>
         <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       <m:msup>
        <m:mi>e</m:mi>
        <m:mrow>
         <m:mo>−</m:mo><m:mi>y</m:mi>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
      <m:mrow>
       <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
        <m:mi>α</m:mi>
       <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
        <m:mi>θ</m:mi>
        <m:mi>α</m:mi>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
     </m:mfrac>
     
    </m:mrow>
   </m:mrow>
   
  </m:mstyle><m:mi>θ</m:mi><m:mi>d</m:mi><m:mi>y</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mfrac>
   <m:mn>1</m:mn>
   <m:mrow>
    <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
     <m:mi>α</m:mi>
    <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
   </m:mrow>
  </m:mfrac>
  <m:mstyle displaystyle="true">
   <m:mrow><m:munderover>
    <m:mo>∫</m:mo>
    <m:mn>0</m:mn>
    <m:mi>∞</m:mi>
   </m:munderover>
   <m:mrow>
    <m:msup>
     <m:mi>y</m:mi>
     <m:mrow>
      <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
     </m:mrow>
    </m:msup>
    <m:msup>
     <m:mi>e</m:mi>
     <m:mrow>
      <m:mo>−</m:mo><m:mi>y</m:mi>
     </m:mrow>
    </m:msup>
    <m:mi>d</m:mi><m:mi>y</m:mi>
   </m:mrow>
  </m:mrow>
  
 </m:mstyle><m:mo>=</m:mo><m:mfrac>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>α</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
  <m:mrow>
   <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>α</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:mfrac>
 <m:mo>=</m:mo><m:mn>1.</m:mn>
</m:mrow>
</m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_16">
The mean and variance are: <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>μ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mi>α</m:mi><m:mi>θ</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msup>
    <m:mi>σ</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msup>
   <m:mo>=</m:mo><m:mi>α</m:mi><m:msup>
    <m:mi>θ</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msup>
     </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>.
</para>

	  <figure orient="horizontal" id="fig_1"><subfigure id="subfig1">
		<name>Gamma Distribution</name>
		<media type="image/gif" src="Gamma_pdf_1.gif"/>
		<caption>The c.d.f. graph.</caption>
	</subfigure>
	<subfigure id="subfig2">
		<media type="image/gif" src="Gamma_cdf_1.gif"/>
		<caption>The p.d.f. graph.</caption>
	</subfigure>
	<caption>The p.d.f. and c.d.f. graphs of the Gamma Distribution.</caption>
</figure>
	    

</section>
<section id="sec_4">
<example id="ex_2">
<para id="para_17">
Suppose that an average of 30 customers per hour arrive at a shop in accordance with Poisson process. That is, if a minute is our unit, then <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>λ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>. What is the probability that the shopkeeper will wait more than 5 minutes before both of the first two customers arrive? If <emphasis>X</emphasis>  denotes the waiting  time in minutes until the second customer arrives, then <emphasis>X</emphasis> has a gamma distribution with <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>α</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>2,</m:mn><m:mi>θ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mi>λ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>2.</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
 Hence,
</para>
<para id="para_18">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>p</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>X</m:mi><m:mo>&gt;</m:mo><m:mn>5</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
    <m:mrow><m:munderover>
     <m:mo>∫</m:mo>
     <m:mn>5</m:mn>
     <m:mi>∞</m:mi>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:mfrac>
      <m:mrow>
       <m:msup>
        <m:mi>x</m:mi>
        <m:mrow>
         <m:mn>2</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       <m:msup>
        <m:mi>e</m:mi>
        <m:mrow>
         <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
      <m:mrow>
       <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
        <m:mn>2</m:mn>
       <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
        <m:mn>2</m:mn>
        <m:mn>2</m:mn>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
     </m:mfrac>
     <m:mi>d</m:mi><m:mi>x</m:mi><m:mo>=</m:mo>
    </m:mrow>
   </m:mrow>
   
  </m:mstyle><m:mstyle displaystyle="true">
   <m:mrow><m:munderover>
    <m:mo>∫</m:mo>
    <m:mn>5</m:mn>
    <m:mi>∞</m:mi>
   </m:munderover>
   <m:mrow>
    <m:mfrac>
     <m:mrow>
      <m:mi>x</m:mi><m:msup>
       <m:mi>e</m:mi>
       <m:mrow>
        <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
       </m:mrow>
      </m:msup>
      
     </m:mrow>
     <m:mn>4</m:mn>
    </m:mfrac>
    <m:mi>d</m:mi><m:mi>x</m:mi><m:mo>=</m:mo>
   </m:mrow>
  </m:mrow>
  
 </m:mstyle><m:mfrac>
  <m:mn>1</m:mn>
  <m:mn>4</m:mn>
 </m:mfrac>
 <m:msubsup>
  <m:mrow>
   <m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
    <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
     <m:mrow>
      <m:mo>−</m:mo><m:mn>2</m:mn>
     </m:mrow>
    <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mi>x</m:mi><m:msup>
     <m:mi>e</m:mi>
     <m:mrow>
      <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
     </m:mrow>
    </m:msup>
    <m:mo>−</m:mo><m:mn>4</m:mn><m:msup>
     <m:mi>e</m:mi>
     <m:mrow>
      <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
     </m:mrow>
    </m:msup>
    
   </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
  <m:mn>5</m:mn>
  <m:mi>∞</m:mi>
 </m:msubsup>
 <m:mo>=</m:mo><m:mfrac>
  <m:mn>7</m:mn>
  <m:mn>2</m:mn>
 </m:mfrac>
 <m:msup>
  <m:mi>e</m:mi>
  <m:mrow>
   <m:mo>−</m:mo><m:mn>5</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:msup>
 <m:mo>=</m:mo><m:mn>0.287.</m:mn>
</m:mrow>
</m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_19">
We could also have used equation with <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>λ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mi>θ</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, because <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math> is an integer <m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>X</m:mi><m:mo>&gt;</m:mo><m:mi>x</m:mi>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
    <m:munderover>
     <m:mo>∑</m:mo>
     <m:mrow>
      <m:mi>k</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>0</m:mn>
     </m:mrow>
     <m:mrow>
      <m:mi>α</m:mi><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
     </m:mrow>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:mfrac>
      <m:mrow>
       <m:msup>
        <m:mrow>
         <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
          <m:mrow>
           <m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mi>θ</m:mi>
          </m:mrow>
         <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
        </m:mrow>
        <m:mi>k</m:mi>
       </m:msup>
       <m:msup>
        <m:mi>e</m:mi>
        <m:mrow>
         <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mi>θ</m:mi>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
      <m:mrow>
       <m:mi>k</m:mi><m:mo>!</m:mo>
      </m:mrow>
     </m:mfrac>
     
    </m:mrow>
   </m:mstyle><m:mo>.</m:mo>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>  Thus, with <emphasis>x</emphasis>=5, <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>=2, and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>θ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>2</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, this is equal to
</para>
<para id="para_20">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>X</m:mi><m:mo>&gt;</m:mo><m:mi>x</m:mi>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
    <m:munderover>
     <m:mo>∑</m:mo>
     <m:mrow>
      <m:mi>k</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>0</m:mn>
     </m:mrow>
     <m:mrow>
      <m:mn>2</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
     </m:mrow>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:mfrac>
      <m:mrow>
       <m:msup>
        <m:mrow>
         <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
          <m:mrow>
           <m:mn>5</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
          </m:mrow>
         <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
        </m:mrow>
        <m:mi>k</m:mi>
       </m:msup>
       <m:msup>
        <m:mi>e</m:mi>
        <m:mrow>
         <m:mo>−</m:mo><m:mn>5</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
      <m:mrow>
       <m:mi>k</m:mi><m:mo>!</m:mo>
      </m:mrow>
     </m:mfrac>
     <m:mo>=</m:mo><m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mn>5</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mrow>
       <m:mn>1</m:mn><m:mo>+</m:mo><m:mfrac>
        <m:mn>5</m:mn>
        <m:mn>2</m:mn>
       </m:mfrac>
       
      </m:mrow>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mrow>
       <m:mfrac>
        <m:mn>7</m:mn>
        <m:mn>2</m:mn>
       </m:mfrac>
       
      </m:mrow>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mn>5</m:mn><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
      </m:mrow>
     </m:msup>
         </m:mrow>
   </m:mstyle><m:mo>.</m:mo>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
</para>
</example>
</section>
</section>
<section id="sec_5">
<name>Chi-Square Distribution</name>
<para id="para_21">
Let now consider the special case of the gamma distribution that plays an important role in statistics. 
</para>

<definition id="def_2">
<term/>
<meaning>
Let <emphasis>X</emphasis> have a gamma distribution with <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>θ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mn>2</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>α</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mi>r</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, where <emphasis>r</emphasis> is a positive integer. If the p.d.f. of <emphasis>X</emphasis> is 
<equation id="eq_2"> 
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>f</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>x</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mfrac>
    <m:mn>1</m:mn>
    <m:mrow>
     <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
      <m:mrow>
       <m:mi>r</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
      </m:mrow>
     <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
      <m:mn>2</m:mn>
      <m:mrow>
       <m:mi>r</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     
    </m:mrow>
   </m:mfrac>
   <m:msup>
    <m:mi>x</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mi>r</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
    </m:mrow>
   </m:msup>
   <m:msup>
    <m:mi>e</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mo>−</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
    </m:mrow>
   </m:msup>
   <m:mn>,0</m:mn><m:mo>≤</m:mo><m:mi>x</m:mi><m:mo>&lt;</m:mo><m:mi>∞</m:mi><m:mo>.</m:mo>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
</equation> 
We say that <emphasis>X</emphasis> has <term>chi-square distribution</term> with <emphasis>r</emphasis> degrees of freedom, which we abbreviate by saying  is <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>r</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>.
</meaning>
</definition>
<para id="para_22">
The <term>mean</term> and the <term>variance</term> of this chi-square distributions are
</para>
<para id="para_23">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>μ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mi>α</m:mi><m:mi>θ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mfrac>
      <m:mi>r</m:mi>
      <m:mn>2</m:mn>
     </m:mfrac>
     
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mn>2</m:mn><m:mo>=</m:mo><m:mi>r</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msup>
    <m:mi>σ</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msup>
   <m:mo>=</m:mo><m:mi>α</m:mi><m:msup>
    <m:mi>θ</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msup>
   <m:mo>=</m:mo><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mfrac>
      <m:mi>r</m:mi>
      <m:mn>2</m:mn>
     </m:mfrac>
     
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
    <m:mn>2</m:mn>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msup>
   <m:mo>=</m:mo><m:mn>2</m:mn><m:mi>r</m:mi><m:mo>.</m:mo>
  </m:mrow>

 </m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_24">
That is, the mean equals the number of degrees of freedom and the variance equals twice the number of degrees of freedom. 
</para>
<para id="para_224">
In the <cnxn target="fig_2">fugure 2</cnxn> the graphs of chi-square p.d.f. for <emphasis>r</emphasis>=2,3,5, and 8 are given. 
</para>
	  <figure id="fig_2">
	    <name/>
	    <media type="image/gif" src="chi_sq.gif"/>
	    <caption>The p.d.f. of chi-square distribution for degrees of freedom <emphasis>r</emphasis>=2,3,5,8.</caption>
	  </figure>

<note type="Note">
the relationship between the mean <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>μ</m:mi><m:mo>=</m:mo><m:mi>r</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, and the point at which the p.d.f. obtains its maximum.
</note>
<para id="para_25">
Because the chi-square distribution is so important in applications, tables have been prepared giving the values of the distribution function for selected value of <emphasis>r</emphasis> and <emphasis>x</emphasis>,
</para>
<equation id="eq_3">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>F</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>x</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mstyle displaystyle="true">
    <m:mrow><m:munderover>
     <m:mo>∫</m:mo>
     <m:mn>0</m:mn>
     <m:mi>x</m:mi>
    </m:munderover>
    <m:mrow>
     <m:mfrac>
      <m:mn>1</m:mn>
      <m:mrow>
       <m:mi>Γ</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
        <m:mrow>
         <m:mi>r</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
        </m:mrow>
       <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:msup>
        <m:mn>2</m:mn>
        <m:mrow>
         <m:mi>r</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
        </m:mrow>
       </m:msup>
       
      </m:mrow>
     </m:mfrac>
     <m:msup>
      <m:mi>w</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mi>r</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mn>1</m:mn>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:msup>
      <m:mi>e</m:mi>
      <m:mrow>
       <m:mo>−</m:mo><m:mi>w</m:mi><m:mo>/</m:mo><m:mn>2</m:mn>
      </m:mrow>
     </m:msup>
     <m:mi>d</m:mi><m:mi>w</m:mi>
    </m:mrow>
   </m:mrow>
   
  </m:mstyle><m:mo>.</m:mo>
 </m:mrow>
</m:semantics>
</m:math>

</equation> 
<example id="ex_3"> 
<para id="para_26">
Let <emphasis>X</emphasis> have a chi-square distribution with <emphasis>r</emphasis> =5 degrees of freedom. Then, using tabularized values,
</para>
<para id="para_27">
<m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mn>1.145</m:mn><m:mo>≤</m:mo><m:mi>X</m:mi><m:mo>≤</m:mo><m:mn>12.83</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mi>F</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mn>12.83</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>−</m:mo><m:mi>F</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mn>1.145</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>0.975</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mn>0.050</m:mn><m:mo>=</m:mo><m:mn>0.925</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_28">
and <m:math display="block">
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>X</m:mi><m:mo>&gt;</m:mo><m:mn>15.09</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mi>F</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mn>15.09</m:mn>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mn>0.99</m:mn><m:mo>=</m:mo><m:mn>0.01.</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
</para>
</example>
<example id="ex_4"> 
<para id="para_29">
If <emphasis>X</emphasis> is <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>7</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, two constants, <emphasis>a</emphasis> and <emphasis>b</emphasis>, such that
<m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mrow>
     <m:mi>a</m:mi><m:mo>&lt;</m:mo><m:mi>X</m:mi><m:mo>&lt;</m:mo><m:mi>b</m:mi>
    </m:mrow>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>0.95</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>, are <emphasis>a</emphasis>=1.690 and <emphasis>b</emphasis>=16.01.
</para>
<para id="para_30">
Other constants <emphasis>a</emphasis> and <emphasis>b</emphasis> can be found, this above are only restricted in choices by the limited table. 
</para>
</example>
<para id="para_31">
Probabilities like that in <cnxn target="ex_4">Example 4</cnxn> are so important in statistical applications that one uses special symbols for <emphasis>a</emphasis> and <emphasis>b</emphasis>. Let <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>
 be a positive probability (that is usually less than 0.5) and let <emphasis>X</emphasis> have a chi-square distribution with <emphasis>r</emphasis> degrees of freedom. Then <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mi>α</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>r</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> is a number such that <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
    <m:mi>X</m:mi><m:mo>≥</m:mo><m:msubsup>
     <m:mi>χ</m:mi>
     <m:mi>α</m:mi>
     <m:mn>2</m:mn>
    </m:msubsup>
    <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
     <m:mi>r</m:mi>
    <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
   </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mi>α</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
</para>
<para id="para_32">
That is, <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mi>α</m:mi>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>r</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> is the 100(1-<m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>) percentile (or upper 100a percent point) of the chi-square distribution with <emphasis>r</emphasis> degrees of freedom. Then the 100<m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>
 percentile is the number <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mi>α</m:mi>
    </m:mrow>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>r</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> such that <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:mi>P</m:mi><m:mrow><m:mo>[</m:mo> <m:mrow>
    <m:mi>X</m:mi><m:mo>≤</m:mo><m:msubsup>
     <m:mi>χ</m:mi>
     <m:mrow>
      <m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mi>α</m:mi>
     </m:mrow>
     <m:mn>2</m:mn>
    </m:msubsup>
    <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
     <m:mi>r</m:mi>
    <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
   </m:mrow> <m:mo>]</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mi>α</m:mi>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>.
This is, the probability to the right of <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mn>1</m:mn><m:mo>−</m:mo><m:mi>α</m:mi>
    </m:mrow>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mi>r</m:mi>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math>
 is 1-<m:math>
 <m:semantics>
  <m:mi>α</m:mi>
 </m:semantics>
</m:math>.
SEE <cnxn target="fig_3">fugure 3</cnxn>.

</para>
<example id="ex_5"> 
<para id="para_33">
Let <emphasis>X</emphasis> have a chi-square distribution with seven degrees of freedom. Then, using tabularized values, <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mn>0.05</m:mn>
    </m:mrow>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>7</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>14.07</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mn>0.95</m:mn>
    </m:mrow>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>7</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>2.167.</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> These are the points that are indicated on Figure 3.

 
</para>

	  <figure id="fig_3">
	    <name/>
	    <media type="image/gif" src="chi_2_2.gif"/>
	    <caption><m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mn>0.05</m:mn>
    </m:mrow>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>7</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>14.07</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math> and <m:math>
 <m:semantics>
  <m:mrow>
   <m:msubsup>
    <m:mi>χ</m:mi>
    <m:mrow>
     <m:mn>0.95</m:mn>
    </m:mrow>
    <m:mn>2</m:mn>
   </m:msubsup>
   <m:mrow><m:mo>(</m:mo>
    <m:mn>7</m:mn>
   <m:mo>)</m:mo></m:mrow><m:mo>=</m:mo><m:mn>2.167.</m:mn>
  </m:mrow>
 </m:semantics>
</m:math></caption>
	  </figure>
</example> 
</section>
</section>
<section id="sec_11">
<para id="para_34">

</para>
<para id="para_35">

</para>
<para id="para_36">

</para>
</section>
    <para id="delete_me">
       <!-- Insert module text here -->
    </para>   
  </content>
  
</document>
