Distributie normala | |
---|---|
Linia verde corespunde distribuției normale standard | |
Culorile din acest grafic se potrivesc cu graficul de mai sus. | |
Desemnare | |
Opțiuni |
μ - factor de deplasare ( real ) σ > 0 - factor de scară (real, strict pozitiv) |
Purtător | |
Probabilitate densitate | |
funcția de distribuție | |
Valorea estimata | |
Median | |
Modă | |
Dispersia | |
Coeficient de asimetrie | |
Coeficientul de kurtoză | |
Entropia diferenţială | |
Funcția generatoare a momentelor | |
functie caracteristica |
Distribuția normală [1] [2] , numită și distribuția Gauss sau Gauss - Laplace [3] este o distribuție de probabilitate , care în cazul unidimensional este dată de o funcție de densitate de probabilitate , care coincide cu funcția Gauss :
, unde parametrul este așteptarea matematică (valoarea medie), mediana și modul de distribuție, iar parametrul este abaterea standard , este varianța distribuției .Astfel, distribuția normală unidimensională este o familie de distribuții cu doi parametri care aparține clasei exponențiale de distribuții [4] . Cazul multivariat este descris în articolul „ Distribuție normală multivariată ”.
Distribuția normală standard este o distribuție normală cu medie și abatere standard
Dacă o mărime este suma mai multor cantități aleatoare slab interdependente, fiecare dintre acestea având o contribuție mică în raport cu suma totală, atunci distribuția centrată și normalizată a unei astfel de mărimi tinde către o distribuție normală cu un număr suficient de mare de termeni .
Aceasta rezultă din teorema limită centrală a teoriei probabilităților . În lumea din jurul nostru, există adesea cantități a căror valoare este determinată de o combinație de mulți factori independenți. Acest fapt, precum și faptul că distribuția era considerată tipică, obișnuită, a condus la faptul că la sfârșitul secolului al XIX-lea a început să fie folosit termenul de „distribuție normală”. Distribuția normală joacă un rol proeminent în multe domenii ale științei, cum ar fi statistica matematică și fizica statistică .
O variabilă aleatoare care are o distribuție normală se numește variabilă aleatoare normală sau gaussiană.
Cel mai simplu caz al unei distribuții normale - distribuția normală standard - este un caz special când și Densitatea sa de probabilitate este:
Factorul din expresie oferă condiția pentru normalizarea integralei [5] . Deoarece factorul din exponent oferă o dispersie egală cu unu, atunci abaterea standard este egală cu 1. Funcția este simetrică în punctul , valoarea sa în ea este maximă și egală cu punctele de inflexiune ale funcției: și
Gauss a numit distribuția normală standard cu care este:
Fiecare distribuție normală este o variantă a distribuției normale standard al cărei interval este extins cu un factor (abatere standard) și reportat la (așteptare):
sunt parametri ai distribuției normale. Densitatea de probabilitate trebuie normalizată astfel încât integrala să fie egală cu 1.
Dacă este o variabilă aleatorie normală standard, atunci valoarea va avea o distribuție normală cu așteptări matematice și abatere standard , Dimpotrivă, dacă este o variabilă normală cu parametri și atunci va avea o distribuție normală standard.
Dacă deschidem parantezele în exponentul densității probabilității și luăm în considerare faptul că , atunci:
Astfel, densitatea de probabilitate a fiecărei distribuții normale este exponentul unei funcții pătratice :
UndeDe aici, se poate exprima media ca a și varianța ca Pentru distribuția normală standard și
Densitatea de probabilitate a distribuției normale standard (cu medie zero și varianță unitară) este adesea notată cu litera greacă ( phi ) [6] . O formă alternativă a literei grecești phi este, de asemenea, destul de frecvent utilizată .
Distribuția normală este adesea notată cu sau [7] . Dacă variabila aleatoare este distribuită conform legii normale cu medie și variație, atunci scriem:
Funcția de distribuție a distribuției normale standard este de obicei notată cu o literă greacă mare ( phi ) și este o integrală:
Funcția de eroare (integrala de probabilitate) este asociată acesteia, dând probabilitatea ca o variabilă aleatoare normală cu media 0 și variația 1/2 să cadă în segment :
Aceste integrale nu sunt exprimate în funcții elementare și se numesc funcții speciale . Multe dintre aproximările lor numerice sunt cunoscute. Vezi mai jos .
Funcțiile sunt legate, în special, de relația:
.O distribuție normală cu media densității și varianță are următoarea funcție de distribuție:
Puteți utiliza funcția - va da probabilitatea ca valoarea variabilei aleatoare normale standard să depășească :
.Graficul funcției de distribuție normală standard are o simetrie de rotație de două ori în jurul punctului (0; 1/2), adică integrala sa nedefinită este:
Funcția de distribuție a unei variabile aleatoare normale standard poate fi extinsă folosind metoda integrării pe părți dintr-o serie:
unde semnul înseamnă factorial dublu .
Extinderea asimptotică a funcției de distribuție pentru valori mari se poate face și prin integrare pe părți.
Abatere standardAproximativ 68% din valorile din distribuția normală sunt la o distanță de cel mult o abatere standard σ de la medie; aproximativ 95% din valori se află la o distanță de cel mult două abateri standard; iar 99,7% nu mai mult de trei. Acest fapt este un caz special al regulii 3 sigma pentru un eșantion normal.
Mai precis, probabilitatea de a obține un număr normal între și este:
Cu o precizie de 12 cifre semnificative, valorile pentru sunt date în tabelul [8] :
OEIS | |||||
---|---|---|---|---|---|
unu | 0,682689492137 | 0,317310507863 |
|
A178647 | |
2 | 0,954499736104 | 0,045500263896 |
|
A110894 | |
3 | 0,997300203937 | 0,002699796063 |
|
A270712 | |
patru | 0,999936657516 | 0,000063342484 |
| ||
5 | 0,999999426697 | 0,000000573303 |
| ||
6 | 0,999999998027 | 0,000000001973 |
|
Momentele și momentele absolute ale unei variabile aleatoare se numesc așteptări matematice ale variabilelor aleatoare și, respectiv. Dacă așteptarea matematică este o variabilă aleatoare atunci acești parametri sunt numiți momente centrale . În cele mai multe cazuri, momentele pentru numere întregi prezintă interes.
Dacă are o distribuție normală, atunci are momente (finite) pentru toate cu partea reală mai mare decât −1. Pentru numerele întregi nenegative , momentele centrale sunt:
Iată un număr natural, iar notația înseamnă factorialul dublu al numărului, adică (deoarece este impar în acest caz) produsul tuturor numerelor impare de la 1 la
Momentele centrale absolute pentru numerele întregi nenegative sunt:
Ultima formulă este valabilă și pentru arbitrare .
Transformarea Fourier a densității normale de probabilitate cu deviația standard medie este [9] :
unde este unitatea imaginară .Dacă așteptarea , atunci primul factor este 1, iar transformata Fourier, până la o constantă, este densitatea normală de probabilitate pe intervale de frecvență, cu așteptarea egală cu 0 și abaterea standard . În special, distribuția normală standard este o funcție proprie a lui Fourier. transforma.
În teoria probabilității, transformata Fourier a densității de distribuție a unei variabile aleatoare reale este strâns legată de funcția caracteristică a acestei variabile, care este definită ca așteptarea matematică a și este o funcție a unei variabile reale (parametrul de frecvență al lui Fourier). transforma). Definiția poate fi extinsă la o variabilă complexă [10] . Raportul se scrie astfel:
Distribuția normală este divizibilă la infinit .
Dacă variabilele aleatoare și sunt independente și au o distribuție normală cu medie și și varianțe și respectiv, atunci are și o distribuție normală cu medie și varianță
Aceasta implică faptul că o variabilă aleatorie normală poate fi reprezentată ca suma unui număr arbitrar de variabile aleatoare normale independente.
Distribuția normală are entropia diferențială maximă între toate distribuțiile continue a căror varianță nu depășește o valoare dată [11] [12] .
Regula celor trei sigma ( ) - aproape toate valorile unei variabile aleatoare distribuite normal se află în intervalul:
unde sunt așteptările matematice și parametrul unei variabile aleatoare normale.Mai precis, cu aproximativ o probabilitate de 0,9973, valoarea unei variabile aleatoare distribuite normal se află în intervalul specificat.
În simulările pe calculator, în special atunci când se aplică metoda Monte Carlo , este de dorit să se utilizeze cantități distribuite conform legii normale. Mulți algoritmi dau valori normale standard, deoarece valoarea normală poate fi obținută ca:
unde Z este valoarea normală standard.Algoritmii folosesc, de asemenea, diverse transformări ale mărimilor uniforme. Cele mai simple metode de modelare aproximativă se bazează pe teorema centrală a limitei . Dacă adăugăm un număr suficient de mare de mărimi independente distribuite identic cu o varianță finită , atunci suma va avea o distribuție apropiată de normală. De exemplu, dacă adăugați 100 de variabile aleatoare standard independente distribuite uniform , atunci distribuția sumei va fi aproximativ normală .
Pentru generarea programatică de variabile pseudo-aleatoare distribuite normal, este de preferat să folosiți transformarea Box-Muller . Vă permite să generați o valoare distribuită normal pe baza uneia distribuite uniform.
Există și algoritmul Ziggurat , care este chiar mai rapid decât transformarea Box-Muller. Cu toate acestea, este mai dificil de implementat, dar utilizarea sa este justificată în cazurile în care este necesară generarea unui număr foarte mare de numere aleatoare distribuite neuniform.
Distribuția normală se găsește adesea în natură. De exemplu, următoarele variabile aleatoare sunt bine modelate de distribuția normală:
Această distribuție este atât de răspândită deoarece este o distribuție continuă infinit divizibilă cu varianță finită. Prin urmare, alții se apropie de el în limită, cum ar fi binom și Poisson . Această distribuție modelează multe procese fizice nedeterministe [13] .
Distribuția normală multivariată este utilizată în studiul variabilelor aleatoare multivariate (vectori aleatori). Unul dintre numeroasele exemple de astfel de aplicații este studiul parametrilor personalității umane în psihologie și psihiatrie .
Pentru prima dată, distribuția normală ca limită a distribuției binomiale la a apărut în 1738 în a doua ediție a lui De Moivre „Doctrina hazardului” [18] . Aceasta a fost prima dovadă a unui caz special al teoremei limitei centrale . În 1809, Gauss, în Teoria mișcării corpurilor cerești, a introdus această distribuție ca rezultând din măsurători repetate ale mișcării corpurilor cerești. Cu toate acestea, Gauss a derivat o formulă pentru variabile aleatoare reale din principiul maximizării densității comune a tuturor măsurătorilor într-un punct cu coordonatele egale cu media tuturor măsurătorilor. Acest principiu a fost ulterior criticat. În 1812, Laplace în teorema Moivre-Laplace a generalizat rezultatul lui Moivre pentru o distribuție binomială arbitrară, adică pentru sume de mărimi binare independente distribuite identic [3] .
Dicționare și enciclopedii | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|
Distribuții de probabilitate | |
---|---|
Discret | |
Absolut continuu |