Normális eloszlás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. október 20-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .
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

Általános információk

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.

Definíciók

Szabványos normál eloszlás

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 :

Normál eloszlás paraméterekkel

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 :

ahol

Innentől kezdve az átlagot a -val, a varanciát pedig mint A standard normális eloszlásra és -vel fejezhetjük ki

Megnevezés

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:

Elosztási függvény

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.

Szórás

A 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
3,15148718753
A178647
2 0,954499736104 0,045500263896
21.9778945080
A110894
3 0,997300203937 0,002699796063
370.398347345
A270712
négy 0,999936657516 0,000063342484
15787.1927673
5 0,999999426697 0,000000573303
1744277.89362
6 0,999999998027 0,000000001973
506797345.897

Tulajdonságok

Pillanatok

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 .

Fourier transzformáció és karakterisztikus függvény

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:

Végtelen oszthatóság

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.

Maximális entrópia

A normál eloszlásnak van maximális differenciális entrópiája minden olyan folytonos eloszlás között, amelyek varianciája nem haladja meg az adott értéket [11] [12] .

A Gauss-féle valószínűségi változó három szigma szabálya

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.

Normál pszeudo-véletlen változók szimulációja

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.

Normál eloszlás a természetben és alkalmazásokban

A normál eloszlás gyakran megtalálható a természetben. Például a következő valószínűségi változókat jól modellezi a normál eloszlás:

  • eltérés a felvétel során;
  • mérési hibák (egyes mérőműszerek hibái azonban eltérő eloszlásúak);
  • a populáció élő szervezeteinek néhány jellemzője.

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 .

Kapcsolat más disztribúciókkal

  • A normál eloszlás egy XI típusú Pearson-eloszlás [14] .
  • Egy független standard normális eloszlású valószínűségi változó párjának aránya Cauchy-eloszlású [15] . Ez azt jelenti, hogy ha egy valószínűségi változó egy arány (ahol és  a független standard normál valószínűségi változók), akkor Cauchy-eloszlású lesz.
  • Ha  együttesen független standard normál valószínűségi változók, akkor a valószínűségi változó k  szabadságfokú khi - négyzet eloszlású .
  • Ha egy valószínűségi változó lognormális eloszlású , akkor a természetes logaritmusa normális eloszlású. Vagyis ha akkor És fordítva, ha akkor
  • Ha független normális eloszlású valószínűségi változók matematikai elvárásokkal és szórással, akkor a minta átlaga független a minta szórásától [16] , és a következő két változó aránya t-eloszlású lesz, szabadságfokkal:
  • Ha függetlenek a standard normál valószínűségi változók, akkor a normalizált négyzetösszegek aránya Fisher-eloszlású ( ) szabadságfokkal [17] :

Történelem

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] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. Wentzel E. S. Valószínűségelmélet. - 10. kiadás, sztereotip .. - M . : Academia , 2005. - 576 p. — ISBN 5-7695-2311-5 .
  2. Shiryaev A.N. Valószínűség. - M .: Nauka, 1980.
  3. 1 2 Matematikai enciklopédikus szótár . - M .: Szovjet Enciklopédia , 1988. - S.  139 -140.
  4. Wasserman L. Összes statisztika . - New York, NY: Springer, 2004. -  142. o . — 433 p. — ISBN 978-1-4419-2322-6 .
  5. Bizonyítás, lásd Gauss integrál
  6. Halperin, Hartley & Hoel, 1965 , 7. tétel.
  7. McPherson (1990 )
  8. Wolfram|Alpha: Computational Knowledge Engine . Wolframalpha.com . Letöltve: 2017. március 3.
  9. Bryc (1995 , 23. o.)
  10. Bryc (1995 , 24. o.)
  11. Borító, Thomas M.; Thomas, Joy A. Az információelmélet elemei. - John Wiley and Sons , 2006. - 254. o.
  12. Park, Sung Y.; Bera, Anil K. Maximum Entropy Autoregresszív feltételes heteroszkedaszticitási modell  //  Journal of Econometrics : folyóirat. - Elsevier, 2009. - P. 219-230 . Archiválva az eredetiből 2016. március 7-én.
  13. Taleb N. N. Fekete hattyú. A kiszámíthatatlanság jele alatt = The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable. - Kolibri, 2012. - 525 p. - ISBN 978-5-389-00573-0 .
  14. Korolyuk, 1985 , p. 135.
  15. Galkin V. M., Erofeeva L. N., Leshcheva S. V. A Cauchy eloszlási paraméter becslései // Proceedings of the Nizhny Novgorod State Technical University. R. E. Alekszejeva . - 2014. - 2. szám (104). - S. 314-319. - UDC  513.015.2 .
  16. Lukács, Eugene. A normális eloszlás jellemzése  //  The Annals of Mathematical Statistics : folyóirat. - 1942. - 1. évf. 13 , sz. 1 . - P. 91-3 . — ISSN 0003-4851 . - doi : 10.1214/aoms/1177731647 . — .
  17. Lehmann, E. L. Statisztikai hipotézisek tesztelése . — 2. — Springer, 1997. - S.  199 . — ISBN 978-0-387-94919-2 .
  18. Az esélyek tana; vagy a játékban lévő események valószínűségének kiszámítására szolgáló módszer, L., 1718, 1738, 1756; L., 1967 (reprodukálva); Miscellanea analytica de scriebus et quadraturis, L., 1730.

Irodalom

  • Korolyuk V. S. , Portenko N. I. , Skorokhod A. V. , Turbin A. F. A valószínűségszámítás és a matematikai statisztika kézikönyve. - M. : Nauka, 1985. - 640 p.
  • Halperin, Max; Hartley, Herman O.; Hoel, Paul G. A statisztikai szimbólumok és jelölések javasolt szabványai. COPSS Szimbólumok és Jelölések Bizottsága  //  The American Statistician : folyóirat. - 1965. - 1. évf. 19 , sz. 3 . - 12-14 . o . - doi : 10.2307/2681417 . — .
  • McPherson, Glen. Statisztika a tudományos kutatásban : alapja, alkalmazása és értelmezése  . - Springer-Verlag , 1990. - ISBN 978-0-387-97137-7 .
  • Bryc, Wlodzimierz. A normál eloszlás: Jellemzők  alkalmazásokkal . - Springer-Verlag , 1995. - ISBN 978-0-387-97990-8 .

Linkek