Normaalijakauma | |
---|---|
Vihreä viiva vastaa normaalia normaalijakaumaaTodennäköisyystiheys | |
Tämän kaavion värit vastaavat yllä olevaa taulukkoa.jakelutoiminto | |
Nimitys | |
Vaihtoehdot |
μ - siirtokerroin ( todellinen ) σ > 0 - skaalauskerroin (todellinen, ehdottomasti positiivinen) |
Kuljettaja | |
Todennäköisyystiheys | |
jakelutoiminto | |
Odotettu arvo | |
Mediaani | |
Muoti | |
Dispersio | |
Epäsymmetriakerroin | |
Kurtoosikerroin | |
Differentiaalinen entropia | |
Hetkien funktion luominen | |
ominaista toimintoa |
Normaalijakauma [1] [2] , jota kutsutaan myös Gaussin tai Gauss - Laplacen jakaumaksi [3] , on todennäköisyysjakauma , joka yksiulotteisessa tapauksessa annetaan todennäköisyystiheysfunktiolla , joka on sama kuin Gaussin funktio :
, jossa parametri on matemaattinen odotus (keskiarvo), mediaani ja jakautumismoodi ja parametri on keskihajonta , on jakauman varianssi .Näin ollen yksiulotteinen normaalijakauma on kaksiparametrinen jakaumien perhe, joka kuuluu jakaumien eksponentiaaliseen luokkaan [4] . Monimuuttujatapaus on kuvattu artikkelissa " Monimuuttuja normaalijakauma ".
Normaali normaalijakauma on normaalijakauma, jossa on keskiarvo ja keskihajonta
Jos määrä on summa useista satunnaisista heikosti toisistaan riippuvaisista suureista, joista jokainen antaa pienen panoksen suhteessa kokonaissummaan, niin tällaisen suuren keskitetty ja normalisoitu jakauma pyrkii normaalijakaumaan , jossa on riittävän suuri määrä termejä .
Tämä seuraa todennäköisyysteorian keskeisestä rajalauseesta . Ympäröivässä maailmassa on usein määriä, joiden arvo määräytyy monien riippumattomien tekijöiden yhdistelmästä. Tämä tosiasia, samoin kuin se, että jakaumaa pidettiin tyypillisenä, tavallisena, johti siihen, että 1800-luvun lopulla alettiin käyttää termiä "normaalijakauma". Normaalijakaumalla on merkittävä rooli monilla tieteenaloilla, kuten matemaattisessa tilastotiedossa ja tilastollisessa fysiikassa .
Satunnaismuuttujaa, jolla on normaalijakauma, kutsutaan normaaliksi eli Gaussin satunnaismuuttujaksi.
Normaalijakauman yksinkertaisin tapaus - standardi normaalijakauma - on erikoistapaus, kun ja Sen todennäköisyystiheys on:
Lausekkeen tekijä tarjoaa ehdon integraalin normalisoinnille [5] . Koska eksponentin tekijä antaa dispersion, joka on yhtä suuri kuin yksi, niin keskihajonta on yhtä suuri kuin 1. Funktio on symmetrinen pisteessä , sen arvo siinä on maksimi ja yhtä suuri kuin funktion käännepisteet : ja
Gauss kutsui normaalia normaalijakaumaa, jossa tämä on:
Jokainen normaalijakauma on muunnelma normaalista normaalijakaumasta, jonka aluetta venytetään kertoimella (keskihajonta) ja siirretään (odotus):
ovat normaalijakauman parametreja. Todennäköisyystiheys on normalisoitava siten, että integraali on yhtä suuri kuin 1.
Jos on tavallinen normaali satunnaismuuttuja, niin arvolla on normaalijakauma matemaattisella odotuksella ja keskihajonnan kanssa.Päinvastoin, jos on normaalimuuttuja parametreineen ja sitten sillä on standardi normaalijakauma.
Jos avaamme hakasulkeet todennäköisyystiheyseksponentissa ja otamme huomioon sen , niin:
Siten kunkin normaalijakauman todennäköisyystiheys on neliöfunktion eksponentti :
missäTästä eteenpäin voidaan ilmaista keskiarvo muodossa a ja varianssi muodossa Standardin normaalijakauman ja
Normaalin normaalijakauman (nollakeskiarvolla ja yksikkövarianssilla) todennäköisyystiheyttä merkitään usein kreikkalaisella kirjaimella ( phi ) [6] . Vaihtoehtoinen muoto kreikkalaisesta kirjaimesta phi on myös melko yleisesti käytössä .
Normaalijakaumaa merkitään usein tai [7] . Jos satunnaismuuttuja jakautuu normaalin lain mukaan keskiarvon ja vaihtelun kanssa, kirjoitetaan:
Normaalin normaalijakauman jakaumafunktio merkitään yleensä isolla kreikkalaisella kirjaimella ( phi ) ja se on integraali:
Virhefunktio (todennäköisyysintegraali) liittyy siihen, mikä antaa todennäköisyyden, että normaali satunnaismuuttuja, jonka keskiarvo on 0 ja vaihtelu 1/2, putoaa segmenttiin :
Näitä integraaleja ei ilmaista alkeisfunktioina ja niitä kutsutaan erikoisfunktioiksi . Monet niiden numeerisista likiarvoista ovat tiedossa. Katso alla .
Toiminnot liittyvät erityisesti suhteeseen:
.Normaalijakaumalla, jossa on tiheyskeskiarvo ja varianssi , on seuraava jakautumisfunktio:
Voit käyttää funktiota - se antaa todennäköisyyden, että normaalin normaalin satunnaismuuttujan arvo ylittää :
.Standardin normaalijakaumafunktion kuvaajalla on 2-kertainen rotaatiosymmetria pisteen (0; 1/2) suhteen, eli sen määrittelemätön integraali on:
Normaalin normaalin satunnaismuuttujan jakaumafunktiota voidaan laajentaa käyttämällä integrointimenetelmää osilla sarjassa:
jossa merkki tarkoittaa kaksoistekijää .
Jakaumafunktion asymptoottinen laajentaminen suurille arvoille voidaan tehdä myös integroimalla osittain.
KeskihajontaNoin 68 % normaalijakauman arvoista on enintään yhden keskihajonnan σ etäisyydellä keskiarvosta; noin 95% arvoista on enintään kahden standardipoikkeaman etäisyydellä; ja 99,7 % enintään kolme. Tämä tosiasia on 3 sigman säännön erikoistapaus normaalille näytteelle.
Tarkemmin sanottuna todennäköisyys saada normaali luku välillä ja on:
12 merkitsevän numeron tarkkuudella arvot on annettu taulukossa [8] :
OEIS | |||||
---|---|---|---|---|---|
yksi | 0,682689492137 | 0,317310507863 |
|
A178647 | |
2 | 0,954499736104 | 0,045500263896 |
|
A110894 | |
3 | 0,997300203937 | 0,002699796063 |
|
A270712 | |
neljä | 0,999936657516 | 0,000063342484 |
| ||
5 | 0,999999426697 | 0,000000573303 |
| ||
6 | 0,999999998027 | 0,000000001973 |
|
Satunnaismuuttujan hetkiä ja absoluuttisia hetkiä kutsutaan satunnaismuuttujien matemaattisiksi odotuksiksi ja vastaavasti . Jos matemaattinen odotus on satunnaismuuttuja, näitä parametreja kutsutaan keskusmomenteiksi . Useimmissa tapauksissa kokonaislukujen momentit ovat kiinnostavia.
Jos sillä on normaalijakauma, niin sillä on (äärelliset) momentit kaikille , joiden reaaliosa on suurempi kuin −1. Ei-negatiivisten kokonaislukujen keskeiset momentit ovat:
Tässä on luonnollinen luku, ja merkintä tarkoittaa luvun kaksoistekijää , eli (koska se on tässä tapauksessa pariton) kaikkien parittomien lukujen tuloa 1 :stä
Ei-negatiivisten kokonaislukujen keskeiset absoluuttiset momentit ovat:
Viimeinen kaava pätee myös mielivaltaiselle .
Normaalin todennäköisyystiheyden Fourier-muunnos keskihajonnan kanssa on [9] :
missä on kuvitteellinen yksikkö .Jos odotus , niin ensimmäinen tekijä on 1 ja Fourier-muunnos vakioon asti on normaali todennäköisyystiheys taajuusväleillä, odotuksen ollessa 0 ja keskihajonnan ollessa . Erityisesti standardi normaalijakauma on Fourierin ominaisfunktio muuttaa.
Todennäköisyysteoriassa todellisen satunnaismuuttujan jakautumistiheyden Fourier-muunnos liittyy läheisesti tämän muuttujan ominaisfunktioon, joka määritellään reaalimuuttujan ( Fourierin taajuusparametrin ) matemaattisena odotuksena ja on sen funktio. muuttaa). Määritelmä voidaan laajentaa monimutkaiseksi muuttujaksi [10] . Suhde on kirjoitettu näin:
Normaalijakauma on äärettömästi jaollinen .
Jos satunnaismuuttujat ja ovat riippumattomia ja niillä on normaalijakauma keskiarvolla ja varianssilla ja vastaavasti, niin sillä on myös normaalijakauma keskiarvon ja varianssin kanssa
Tämä tarkoittaa, että normaali satunnaismuuttuja voidaan esittää mielivaltaisen määrän riippumattomien normaalien satunnaismuuttujien summana.
Normaalijakaumalla on suurin differentiaalinen entropia kaikkien jatkuvien jakaumien joukossa, joiden varianssi ei ylitä tiettyä arvoa [11] [12] .
Kolmen sigman sääntö ( ) - melkein kaikki normaalijakauman satunnaismuuttujan arvot ovat välissä:
missä ovat normaalin satunnaismuuttujan matemaattinen odotus ja parametri.Tarkemmin sanottuna, suunnilleen todennäköisyydellä 0,9973, normaalijakauman satunnaismuuttujan arvo on määritetyllä välillä.
Tietokonesimulaatioissa, erityisesti Monte Carlo -menetelmää sovellettaessa , on toivottavaa käyttää normaalin lain mukaan jakautuneita suureita. Monet algoritmit antavat normaaleja normaaliarvoja, koska normaaliarvo voidaan saada seuraavasti:
jossa Z on normaali normaaliarvo.Algoritmit käyttävät myös erilaisia yhtenäisten suureiden muunnoksia. Yksinkertaisimmat likimääräiset mallinnusmenetelmät perustuvat keskirajalauseeseen . Jos lisäämme riittävän suuren määrän riippumattomia identtisesti jakautuneita suureita, joilla on äärellinen varianssi , niin summan jakauma on lähellä normaalia. Jos esimerkiksi lisäät 100 riippumatonta vakiotasaisesti jakautunutta satunnaismuuttujaa, summan jakauma on suunnilleen normaali .
Normaalisti jakautuneiden näennäissatunnaisten muuttujien ohjelmoituun luomiseen on suositeltavaa käyttää Box-Muller-muunnosta . Sen avulla voit luoda yhden normaalijakauman arvon yhden tasaisesti jakautuneen arvon perusteella.
On myös Ziggurat-algoritmi , joka on jopa nopeampi kuin Box-Muller-muunnos. Se on kuitenkin vaikeampi toteuttaa, mutta sen käyttö on perusteltua tapauksissa, joissa vaaditaan erittäin suuren määrän epätasaisesti jakautuneita satunnaislukuja.
Normaalijakauma löytyy usein luonnosta. Esimerkiksi seuraavat satunnaismuuttujat mallinnetaan hyvin normaalijakauman avulla:
Tämä jakauma on niin laajalle levinnyt, koska se on äärettömästi jaollinen jatkuva jakauma, jolla on äärellinen varianssi. Siksi jotkut muut lähestyvät sitä rajassa, kuten binomial ja Poisson . Tämä jakauma mallintaa monia epädeterministisiä fysikaalisia prosesseja [13] .
Monimuuttujien normaalijakaumaa käytetään monimuuttujien satunnaismuuttujien (satunnaisvektorien) tutkimuksessa. Yksi monista esimerkeistä tällaisista sovelluksista on ihmisen persoonallisuuden parametrien tutkimus psykologiassa ja psykiatriassa .
Ensimmäistä kertaa normaalijakauma binomijakauman rajana ilmestyi vuonna 1738 De Moivren "The Doctrine of Chance" toisessa painoksessa [18] . Tämä oli ensimmäinen todiste keskusrajalauseen erikoistapauksesta . Vuonna 1809 Gauss esitteli taivaankappaleiden liikkeen teoriassa tämän jakauman, joka johtuu taivaankappaleiden liikkeen toistuvista mittauksista. Gauss kuitenkin johti todellisten satunnaismuuttujien kaavan periaatteesta maksimoida kaikkien mittausten yhteistiheys pisteessä, jonka koordinaatit ovat yhtä suuret kuin kaikkien mittausten keskiarvo. Tätä periaatetta on sittemmin kritisoitu. Vuonna 1812 Laplace Moivre-Laplace-lauseessa yleisti Moivren tuloksen mielivaltaiselle binomijakaumille, eli identtisesti jakautuneiden riippumattomien binäärisuureiden summille [3] .
![]() | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|