Jointly distributed Randomvariables
Multivariate distributions
Discrete Random Variables
The joint probability function;
p(x,y) = P[X = x, Y = y]
Continuous Random Variables
Definition: Two random variable are said to havejoint probability density function f(x,y) if
If
then
defines a surface over the – plane
Normal
Multiple Integration
A
surface
A
f(x,y)
If the region A = {(x,y)| ≤ ≤ b≤ ≤ d} is arectangular region with sides parallel to thecoordinate axes:
x
y
d
c
a
b
A
f(x,y)
Then
A
f(x,y)
To evaluate
Then evaluate the outer integral
First evaluate the inner integral
x
y
d
c
a
b
y
f(x,y)
= area under surface above theline where is constant
dy
Infinitesimal volume undersurface above the line whereis constant
A
f(x,y)
The same quantity can be calculated by integratingfirst with respect to y, than x.
Then evaluate the outer integral
First evaluate the inner integral
x
y
d
c
a
b
x
f(x,y)
= area under surface above theline where is constant
dx
Infinitesimal volume undersurface above the line whereis constant
f(x,y)
Example:  Compute
Now
f(x,y)
The same quantity can be computed by reversingthe order of integration
Integration over non rectangularregions
Suppose the region is defined as follows
 A = {(x,y)| a(y) ≤ ≤ b(y), ≤ ≤ d}
x
y
d
c
a(y)
b(y)
A
Then
If  the region is defined as follows
 A = {(x,y)| ≤ ≤ b, c(x) ≤ ≤ d(x) }
x
y
b
a
d(x)
c(x)
A
Then
In general  the region can be partitioned intoregions of either type
x
y
A1
A3
A4
A2
A
f(x,y)
Example:
Compute the volume under f(x,y) = x2xyover theregion A = {(x,y)| ≤ 1, 0   x,   y}
x
y
= 1
(1, 0)
(0, 1)
f(x,y)
Integrating first with respect to than y
x
y
= 1
(1, 0)
(0, 1)
(0, y)
(1 - yy)
A
and
Now integrating first with respect to than x
x
y
= 1
(1, 0)
(0, 1)
(x, 0)
(x, 1 – x )
A
Hence
Continuous Random Variables
Definition: Two random variable are said to havejoint probability density function f(x,y) if
Definition: Let and Y denote two randomvariables with joint probability density functionf(x,y) then
the marginal density of is
the marginal density of is
Definition: Let and Y denote two randomvariables with joint probability density functionf(x,y) and marginal densities fX(x), fY(y) then
the conditional density of given x
 conditional density of given y
The bivariate Normal distribution
Let
where
This distribution is called the bivariateNormal distribution.
The parameters are 112 and 
Surface Plots of the bivariateNormal distribution
Note:
is constant when
is constant.
This is true when x1x2 lie on an ellipsecentered at 12 .
Marginal and Conditionaldistributions
Marginal  distributions for the Bivariate Normaldistribution
Recall the definition of marginal distributionsfor continuous random variables:
and
It can be shown that in the case of the bivariatenormal distribution the marginal distribution of xiis Normal with mean and standard deviation i.
The marginal distributions of x2 is
where
Proof:
Now:
Hence
Also
and
Finally
and
Summarizing
where
and
Thus
Thus the marginal distribution of x2 is Normalwith mean 2 and standard deviation 2.
Similarly  the marginal distribution of x1 is Normalwith mean 1 and standard deviation 1.
Conditional  distributions for the Bivariate Normaldistribution
Recall the definition of conditional distributionsfor continuous random variables:
and
It can be shown that in the case of the bivariatenormal distribution the conditional distribution ofxi given xj is Normal with:
and
mean
standard deviation
Proof
where
and
Hence
Thus the conditional distribution of x2 given x1 is Normalwith:
and
mean
standard deviation
Bivariate Normal Distribution with marginaldistributions
Bivariate Normal Distribution withconditional distribution
(12)
x2
x1
Regression
Regression to themean
Major axis ofellipses