Normális eloszlás | |
---|---|
A zöld vonal a normál normál eloszlásnak felel megValószínűségi sűrűség | |
A diagram színei megegyeznek a fenti diagrammal.elosztási függvény | |
Kijelölés | |
Lehetőségek |
μ - eltolási tényező ( valós ) σ > 0 - léptéktényező (valós, szigorúan pozitív) |
Hordozó | |
Valószínűségi sűrűség | |
elosztási függvény | |
Várható érték | |
Középső | |
Divat | |
Diszperzió | |
Aszimmetria együttható | |
Kurtosis együttható | |
Differenciál entrópia | |
Pillanatok generáló függvénye | |
jellemző funkció |
A normális eloszlás [1] [2] , más néven Gauss- vagy Gauss - Laplace - eloszlás [3] egy valószínűségi eloszlás , amelyet egydimenziós esetben a Gauss -függvénnyel egybeeső valószínűségi sűrűségfüggvény ad meg :
, ahol a paraméter a matematikai elvárás (átlagérték), a medián és az eloszlási mód, a paraméter pedig a szórás , az eloszlási variancia .Így az egydimenziós normális eloszlás egy kétparaméteres eloszláscsalád, amely az eloszlások exponenciális osztályába tartozik [4] . A többváltozós esetet a " Többváltozós normális eloszlás " című cikk írja le.
A standard normál eloszlás egy normális eloszlás átlaggal és szórással
Ha egy mennyiség sok véletlenszerű, egymással gyengén függő mennyiség összege, amelyek mindegyike kis mértékben járul hozzá a teljes összeghez, akkor egy ilyen mennyiség központosított és normalizált eloszlása normális eloszlásra hajlamos, kellően sok taggal .
Ez a valószínűségszámítás központi határérték-tételéből következik . A minket körülvevő világban gyakran vannak olyan mennyiségek, amelyek értékét számos független tényező együttes hatása határozza meg. Ez a tény, valamint az, hogy az eloszlást tipikusnak, közönségesnek tartották, oda vezetett, hogy a 19. század végén kezdték használni a „normál eloszlás” kifejezést. A normál eloszlás a tudomány számos területén kiemelkedő szerepet játszik, például a matematikai statisztikában és a statisztikai fizikában .
A normális eloszlású valószínűségi változót normál vagy Gauss-féle valószínűségi változónak nevezzük.
A normál eloszlás legegyszerűbb esete - a standard normális eloszlás - egy speciális eset, amikor és valószínűségi sűrűsége :
A kifejezésben szereplő faktor biztosítja az integrál normalizálásának feltételét [5] . Mivel a kitevőben szereplő tényező eggyel egyenlő diszperziót ad, ezért a szórása egyenlő 1-gyel. A függvény szimmetrikus a pontban , értéke benne maximális és egyenlő a függvény inflexiós pontjaival : és
Gauss a standard normális eloszlást így nevezte :
Minden normál eloszlás a standard normál eloszlás egy változata, amelynek tartományát egy tényező (szórás) megnyújtja, és átviszi (várakozás):
a normális eloszlás paraméterei. A valószínűségi sűrűséget úgy kell normalizálni , hogy az integrál egyenlő legyen 1-gyel.
Ha egy szabványos normális valószínűségi változó, akkor az érték normális eloszlású lesz matematikai elvárással és szórással , ellenkezőleg, ha egy normál változó paraméterekkel és akkor szabványos normális eloszlású lesz.
Ha kinyitjuk a zárójeleket a valószínűségi sűrűségkitevőben, és figyelembe vesszük, hogy , akkor:
Így minden normális eloszlás valószínűségi sűrűsége egy másodfokú függvény kitevője :
aholInnentől kezdve az átlagot a -val, a varanciát pedig mint A standard normális eloszlásra és -vel fejezhetjük ki
A standard normális eloszlás valószínűségi sűrűségét (nulla átlaggal és egységnyi szórással) gyakran a görög betűvel ( phi ) jelölik [6] . A görög phi betű egy alternatív formáját is gyakran használják .
A normál eloszlást gyakran vagy [7] jelöli . Ha a valószínűségi változó a normál törvény szerint eloszlik átlaggal és variációval, akkor ezt írjuk:
A standard normál eloszlás eloszlásfüggvényét általában nagy görög betűvel ( phi ) jelölik, és egy integrál:
A hibafüggvény (valószínűségi integrál) hozzá van rendelve, és megadja annak valószínűségét, hogy egy normál valószínűségi változó átlagosan 0 és variációja 1/2 a szegmensbe kerül :
Ezeket az integrálokat nem elemi függvényekben fejezzük ki, és speciális függvényeknek nevezzük . Számos numerikus közelítésük ismert. Lásd alább .
A funkciókat különösen a kapcsolat kapcsolja össze:
.A sűrűségközéppel és szórással rendelkező normál eloszlásnak a következő eloszlási függvénye van:
Használhatja a függvényt - ez megadja annak valószínűségét, hogy a standard normál valószínűségi változó értéke meghaladja :
.A standard normális eloszlásfüggvény grafikonja a (0; 1/2) pont körül 2-szeres forgásszimmetriával rendelkezik , azaz határozatlan integrálja:
Egy szabványos normál valószínűségi változó eloszlásfüggvénye a sorozat részeivel történő integrálás módszerével bővíthető :
ahol a jel kettős faktoriálist jelent .
Az eloszlásfüggvény aszimptotikus kiterjesztése nagy értékek esetén részenkénti integrálással is elvégezhető.
SzórásA normál eloszlásból származó értékek körülbelül 68% -a az átlagtól legfeljebb egy szórásnyi távolságra van σ ; az értékek körülbelül 95%-a legfeljebb két szórásnyi távolságban található; és 99,7% legfeljebb három. Ez a tény a 3 szigma szabály speciális esete normál mintára.
Pontosabban annak a valószínűsége, hogy normális számot kapunk és között :
12 jelentős számjegy pontossággal az értékeket a [8] táblázat tartalmazza :
OEIS | |||||
---|---|---|---|---|---|
egy | 0,682689492137 | 0,317310507863 |
|
A178647 | |
2 | 0,954499736104 | 0,045500263896 |
|
A110894 | |
3 | 0,997300203937 | 0,002699796063 |
|
A270712 | |
négy | 0,999936657516 | 0,000063342484 |
| ||
5 | 0,999999426697 | 0,000000573303 |
| ||
6 | 0,999999998027 | 0,000000001973 |
|
Egy valószínűségi változó pillanatait és abszolút pillanatait a valószínűségi változók matematikai elvárásainak , ill. Ha a matematikai elvárás egy valószínűségi változó, akkor ezeket a paramétereket központi momentumoknak nevezzük . A legtöbb esetben az egész számok pillanatai érdekesek.
Ha normális eloszlású, akkor minden -1-nél nagyobb valós része esetén (véges) momentumai vannak. A nem negatív egész számok esetében a központi momentumok a következők:
Itt van egy természetes szám, és a jelölés a szám dupla faktoriálisát jelenti , vagyis (mivel ez ebben az esetben páratlan) minden páratlan szám szorzatát 1 -től
A nem negatív egész számok központi abszolút momentumai a következők:
Az utolsó képlet tetszőlegesre is érvényes .
A normál valószínűségi sűrűség Fourier-transzformációja átlagos szórással : [9] :
hol van a képzeletbeli egység .Ha a várakozás , akkor az első tényező 1, és a Fourier -transzformáció egy konstansig a normál valószínűségi sűrűség frekvenciaintervallumokban, 0-val és szórással . átalakítani.
Valószínűségelméletben egy valós valószínűségi változó eloszlássűrűségének Fourier-transzformációja szorosan összefügg ennek a változónak a karakterisztikus függvényével , amelyet egy valós változó (a Fourier gyakorisági paramétere) matematikai elvárásaként definiálunk, és annak függvénye. átalakítani). A definíció kiterjeszthető egy komplex változóra [10] . Az arány így van írva:
A normális eloszlás végtelenül osztható .
Ha a és a valószínűségi változók függetlenek és normális eloszlásúak átlaggal és szórással , illetve szórással, akkor ennek is van normális eloszlása átlaggal és varianciával
Ez azt jelenti, hogy egy normális valószínűségi változó tetszőleges számú független normális valószínűségi változó összegeként ábrázolható.
A normál eloszlásnak van maximális differenciális entrópiája minden olyan folytonos eloszlás között, amelyek varianciája nem haladja meg az adott értéket [11] [12] .
A három szigma szabálya ( ) - egy normális eloszlású valószínűségi változó szinte minden értéke az intervallumban található:
hol van egy normál valószínűségi változó matematikai elvárása és paramétere.Pontosabban, körülbelül 0,9973 valószínűséggel egy normális eloszlású valószínűségi változó értéke a megadott intervallumban található.
Számítógépes szimulációkban, különösen a Monte Carlo módszer alkalmazásakor , kívánatos a normál törvény szerint elosztott mennyiségek alkalmazása. Sok algoritmus szabványos normál értékeket ad, mivel a normál érték a következőképpen kapható meg:
ahol Z a normál normál érték.Az algoritmusok egységes mennyiségek különféle transzformációit is alkalmazzák. A legegyszerűbb közelítő modellezési módszerek a centrális határérték tételen alapulnak . Ha kellően sok független azonos eloszlású mennyiséget adunk hozzá véges varianciával , akkor az összeg normálishoz közeli eloszlású lesz. Például, ha 100 független szabványos egyenletes eloszlású valószínűségi változót ad hozzá, akkor az összeg eloszlása megközelítőleg normális lesz .
Normális eloszlású pszeudo-véletlen változók programozott generálásához célszerű a Box-Muller transzformációt használni . Lehetővé teszi egy normál eloszlású érték létrehozását egy egyenletesen elosztott érték alapján.
Létezik még a Ziggurat algoritmus , amely még a Box-Muller transzformációnál is gyorsabb. Megvalósítása azonban nehezebb, de alkalmazása indokolt olyan esetekben, amikor nagyon nagy számú, egyenlőtlen eloszlású véletlenszám generálása szükséges.
A normál eloszlás gyakran megtalálható a természetben. Például a következő valószínűségi változókat jól modellezi a normál eloszlás:
Ez az eloszlás annyira elterjedt, mert ez egy korlátlanul osztható folytonos eloszlás véges varianciával. Ezért néhányan a határértéken belül közelítik meg, például a binomiális és a Poisson . Ez az eloszlás számos nem determinisztikus fizikai folyamatot modellez [13] .
A többváltozós normális eloszlást a többváltozós valószínűségi változók (véletlenszerű vektorok) vizsgálatánál alkalmazzák. Az ilyen alkalmazások számos példája közül az egyik az emberi személyiség paramétereinek tanulmányozása a pszichológiában és a pszichiátriában .
Először 1738-ban jelent meg a normális eloszlás, mint a binomiális eloszlás határa De Moivre "The Doctrine of Chance" [18] második kiadásában . Ez volt az első bizonyítéka a központi határtétel egy speciális esetére . Gauss 1809-ben Az égitestek mozgásának elméletében ezt az eloszlást az égitestek mozgásának ismételt méréseiből eredőként vezette be. Gauss azonban abból az elvből származtatta a valós valószínűségi változók képletét, hogy maximalizálja az összes mérés együttes sűrűségét egy olyan ponton, amelynek koordinátái megegyeznek az összes mérés átlagával. Ezt az elvet később bírálták. 1812-ben Laplace a Moivre-Laplace tételben általánosította Moivre eredményét tetszőleges binomiális eloszlásra, azaz azonos eloszlású független bináris mennyiségek összegeire [3] .
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|
Valószínűségi eloszlások | |
---|---|
Diszkrét | |
Abszolút folyamatos |