Это не официальный сайт wikipedia.org 01.01.2023

Распределение вероятностей — Википедия

Распределение вероятностей

(перенаправлено с «Статистические распределения»)

Распределение вероятностей — это закон, описывающий область значений случайной величины и соответствующие вероятности появления этих значений.

ОпределениеПравить

Пусть задано вероятностное пространство ( Ω , F , P )  , и на нём определена случайная величина X : Ω R  . В частности, по определению, X   является измеримым отображением измеримого пространства ( Ω , F )   в измеримое пространство ( R , B ( R ) )  , где B ( R )   обозначает борелевскую сигма-алгебру на R  . Тогда случайная величина X   индуцирует вероятностную меру P X   на R   следующим образом:

P X ( B ) = P ( X 1 ( B ) ) , B B ( R ) .  

Мера P X   называется распределением случайной величины X  . Иными словами, P X ( B ) = P ( X B )  , таким образом P X ( B )   задаёт вероятность того, что случайная величина X   попадает во множество B B ( R )  .

Классификация распределенийПравить

Функция F X ( x ) = P X ( ( , x ] ) = P ( X x )   называется (кумулятивной) функцией распределения случайной величины X  . Из свойств вероятности вытекает теорема:

Функция распределения F X ( x )   любой случайной величины удовлетворяет следующим трем свойствам:

  1. F X   — функция неубывающая;
  2. lim x F X ( x ) = 0 , lim x F X ( x ) = 1  ;
  3. F X   непрерывна справа.

Из того факта, что борелевская сигма-алгебра на вещественной прямой порождается семейством интервалов вида { ( , x ] } x R  , вытекает теорема:

Любая функция F ( x )  , удовлетворяющая трём свойствам, перечисленным выше, является функцией распределения для какого-то распределения P X  .

Для вероятностных распределений, обладающих определенными свойствами, существуют более удобные способы их задания. В то же время распределения (и случайные величины) принято классифицировать по характеру функций распределения[1].

Дискретные распределенияПравить

Случайная величина X   называется простой или дискретной, если она принимает не более, чем счётное число значений. То есть X ( ω ) = a i , ω A i  , где { A i } i = 1   — разбиение Ω  .

Распределение простой случайной величины тогда по определению задаётся: P X ( B ) = i : a i B P ( A i )  . Введя обозначение p i = P ( A i )  , можно задать функцию p ( a i ) = p i  . В силу свойств вероятности i = 1 p i = 1  . Используя счётную аддитивность P  , легко показать, что эта функция однозначно определяет распределение X  .

Набор вероятностей p ( a i ) = p i  , где i = 1 p i = 1   называется распределением вероятностей дискретной случайной величины X  . Совокупность значений a i , i = 1 , 2...   и вероятностей p i , i 1 , 2...   называется дискретным законом распределения вероятностей[2].

Для иллюстрации сказанного выше, рассмотрим следующий пример.

Пусть функция p   задана таким образом, что p ( 1 ) = 1 2   и p ( 1 ) = 1 2  . Эта функция задаёт распределение случайной величины X  , для которой P ( X = ± 1 ) = 1 2   (см. распределение Бернулли, где случайная величина принимает значения 0 , 1  ). Случайная величина X   является моделью подбрасывания уравновешенной монеты.

Другими примерами дискретных случайных величин являются распределение Пуассона, биномиальное распределение, геометрическое распределение.

Дискретное распределение обладает следующими свойствами:

  1. p i 0  ,
  2. i = 1 n p i = 1  , если множество значений - конечное — из свойств вероятности,
  3. Функция распределения F X ( x )   имеет конечное или счётное множество точек разрыва первого рода,
  4. Если x 0   - точка непрерывности F X ( x )  , то существует d F X ( x 0 ) d x = 0  .

Решётчатые распределенияПравить

Решётчатым называется распределение с дискретной функцией распределения и точки разрыва функции распределения образуют подмножество точек вида a + n h  , где a   - вещественное, h > 0  , n   - целое[3].

Теорема. Для того, чтобы функция распределения F   была решётчатой с шагом h  , необходимо и достаточно, чтобы её характеристическая функция f   удовлетворяла соотношению | f ( 2 π / h ) | = 1  [3].

Абсолютно непрерывные распределенияПравить

Распределение случайной величины X   называется абсолютно непрерывным, если существует неотрицательная функция f X : R R +  , такая что P X ( B ) P ( X B ) = B f X ( x ) d x  . Функция f X   тогда называется плотностью распределения вероятностей случайной величины X  . Функция таких распределений абсолютно непрерывна в смысле Лебега.

Примерами абсолютно непрерывных распределений являются нормальное распределение, равномерное распределение, экспоненциальное распределение, распределение Коши.

Пример. Пусть f ( x ) = 1  , когда 0 x 1  , и f ( x ) = 0   в противном случае. Тогда P ( a < X < b ) = a b 1 d x = b a  , если ( a , b ) [ 0 , 1 ]  .

Для любой плотности распределения f X   верны свойства:

  1. f X ( x ) 0  ;
  2. f X ( x ) d x = 1  .

Верно и обратное — если функция f : R R   такая, что:

  1. f ( x ) 0 , x R  ;
  2. f ( x ) d x = 1  ,

то существует распределение P X   такое, что f ( x )   является его плотностью.

Применение формулы Ньютона-Лейбница приводит к следующим соотношениям между функцией и плотностью абсолютно непрерывного распределения:

P ( a < X < b ) = F ( b ) F ( a ) = a b f ( t ) d t  .

Теорема. Если f ( x )   — непрерывная плотность распределения, а F ( x )   — его функция распределения, то

  1. F ( x ) = f ( x ) , x R ,  
  2. F ( x ) = x f ( t ) d t  .

При построении распределения по эмпирическим (опытным) данным следует избегать ошибок округления.

Сингулярные распределенияПравить

Кроме дискретных и непрерывных случайных величин существуют величины, не являющиеся ни на одном интервале ни дискретными, ни непрерывными. К таким случайным величинам относятся, например, те, функции распределения которых непрерывные, но возрастают только на множестве лебеговой меры нуль[4].

Сингулярными называют распределения, сосредоточенные на множестве нулевой меры (обычно меры Лебега).

Таблица основных распределенийПравить

Дискретные распределения
Название Обозначение Параметр Носитель Плотность (последовательность вероятностей) Матем. ожидание Дисперсия Характеристическая функция
Дискретное равномерное R { 1 , , N }   N N   { 1 , , N }   P ( { k } ) = 1 N , k { 1 , , N }   N + 1 2   N 2 1 12   e i t e i ( N + 1 ) t N ( 1 e i t )  
Бернулли Bern ( p )   p ( 0 , 1 )   { 0 , 1 }   P ( { 0 } ) = 1 p , P ( { 1 } ) = p   p   p ( 1 p )   p e i t + 1 p  
Биномиальное Bin ( n , p )   n N , p ( 0 , 1 )   { 0 , , n }   P ( { k } ) = C n k p k ( 1 p ) n k   n p   n p ( 1 p )   ( p e i t + 1 p ) n  
Пуассоновское Pois ( λ )   λ > 0   Z +   P ( { k } ) = λ k k ! e λ   λ   λ   e λ ( e i t 1 )  
Геометрическое Geom ( p )   p ( 0 , 1 ]   N   P ( { k } ) = ( 1 p ) k 1 p   1 p   1 p p 2   p e i t 1 ( 1 p ) e i t  
Абсолютно непрерывные распределения
Название Обозначение Параметр Носитель Плотность вероятности f ( x )   Функция распределения F(х) Характеристическая функция Математическое ожидание Медиана Мода Дисперсия Коэффициент асимметрии Коэффициент эксцесса Дифференциальная энтропия Производящая функция моментов
Равномерное непрерывное U ( a , b )   a , b R , a < b  , a  коэффициент сдвига, b a  коэффициент масштаба [ a , b ]   1 b a I { x [ a , b ] }   x a b a I { x [ a , b ] } + I { x > b }   e i t b e i t a i t ( b a )   a + b 2   a + b 2   любое число из отрезка [ a , b ]   ( b a ) 2 12   0   6 5   ln ( b a )   e t b e t a t ( b a )  
Нормальное (гауссовское) N ( μ , σ 2 )   μ R  коэффициент сдвига, σ > 0   коэффициент масштаба R   1 σ 2 π e ( x μ ) 2 2 σ 2   1 2 ( 1 + erf ( x μ 2 σ 2 ) )   e i μ t σ 2 t 2 2   μ   μ   μ   σ 2   0   0   ln ( σ 2 π e )   e μ t + σ 2 t 2 2  
Логнормальное L N ( μ , σ 2 )   μ R , σ > 0   ( 0 ; + )   1 x σ 2 π e 1 2 ( ln ( x ) μ σ ) 2   1 2 + 1 2 E r f [ ln ( x ) μ σ 2 ]   n = 0 ( i t ) n n ! e n μ + n 2 σ 2 / 2   e μ + σ 2 / 2   e μ   e μ σ 2   ( e σ 2 1 ) e 2 μ + σ 2   ( e σ 2 + 2 ) e σ 2 1   e 4 σ 2 + 2 e 3 σ 2 + 3 e 2 σ 2 6   1 2 + 1 2 ln ( 2 π σ 2 ) + μ   e s μ + 1 2 s 2 σ 2 .  
Гамма-распределение Γ ( α , β )   α > 0 , β > 0   R +   α β x β 1 Γ ( β ) e α x   1 Γ ( β ) γ ( β , α x )   ( 1 i t α ) β   β α   β 1 α   при β 1   β α 2   2 β   6 β   β ln α + ln Γ ( β ) + ( 1 β ) ψ ( β )   ( 1 t α ) β   при t < α  
Экспоненциальное Exp ( λ )   λ > 0   R +   λ e λ x I { x > 0 }   1 e λ x   λ λ i t   1 λ   ln ( 2 ) / λ   0   λ 2   2   6   1 ln ( λ )   ( 1 t λ ) 1  
Лапласа Laplace ( α , β )   α > 0  коэффициент масштаба, β R  коэффициент сдвига R   α 2 e α | x β |   { 1 2 e α ( x β ) , x β 1 1 2 e α ( x β ) , x > β   α 2 α 2 + t 2 e i t β   β   β   β   2 α 2   0   3   ln 2 e α   e β t 1 α 2 t 2  для  | t | < 1 / α  
Коши Cauchy ( x 0 , γ )   x 0  коэффициент сдвига, γ > 0  коэффициент масштаба R   1 π ( γ γ 2 + ( x x 0 ) 2 )   1 π a r c t g ( x x 0 γ ) + 1 2   e i x 0 t γ | t |   нет x 0   x 0   +   нет нет ln ( 4 π γ )   нет
Бета-распределение Beta ( α , β )   α > 0 , β > 0   [ 0 , 1 ]   x α 1 ( 1 x ) β 1 B ( α , β )   I x ( α , β )   1 F 1 ( α ; α + β ; i t )   α α + β   I 1 2 [ 1 ] ( α , β ) α 1 3 α + β 2 3   для α , β > 1   α 1 α + β 2   для α > 1 , β > 1   α β ( α + β ) 2 ( α + β + 1 )   2 ( β α ) α + β + 1 ( α + β + 2 ) α β   6 α 3 α 2 ( 2 β 1 ) + β 2 ( β + 1 ) 2 α β ( β + 2 ) α β ( α + β + 2 ) ( α + β + 3 )   1 + k = 1 ( r = 0 k 1 α + r α + β + r ) t k k !  
хи-квадрат χ 2 ( k )   k > 0  — число степеней свободы R +   ( 1 / 2 ) k / 2 Γ ( k / 2 ) x k / 2 1 e x / 2   γ ( k / 2 , x / 2 ) Γ ( k / 2 )   ( 1 2 i t ) k / 2   k   примерно k 2 / 3   k 2   если k 2   2 k   8 / k   12 / k   k 2 + ln [ 2 Γ ( k 2 ) ] + ( 1 k 2 ) ψ ( k 2 )   ( 1 2 t ) k / 2  , если 2 t < 1  
Стьюдента t ( n )   n > 0   — число степеней свободы R   Γ ( n + 1 2 ) n π Γ ( n 2 ) ( 1 + x 2 n ) n + 1 2   1 2 + x Γ ( n + 1 2 ) 2 F 1 ( 1 2 , n + 1 2 ; 3 2 ; x 2 n ) π n Γ ( n 2 )   K n / 2 ( n | t | ) ( n | t | ) n / 2 Γ ( n / 2 ) 2 n / 2 1   для n > 0   0  , если n > 1   0   0   n n 2  , если n > 2   0  , если n > 3   6 n 4  , если n > 4   n + 1 2 [ ψ ( 1 + n 2 ) ψ ( n 2 ) ] + log [ n B ( n 2 , 1 2 ) ]   Нет
Фишера F ( d 1 , d 2 )   d 1 > 0 ,   d 2 > 0   - числа степеней свободы R +   ( d 1 x ) d 1 d 2 d 2 ( d 1 x + d 2 ) d 1 + d 2 x B ( d 1 2 , d 2 2 )   I d 1 x d 1 x + d 2 ( d 1 / 2 , d 2 / 2 )   Γ ( d 1 + d 2 2 ) Γ ( d 2 2 ) U ( d 1 2 , 1 d 2 2 , d 2 d 1 ı s )   d 2 d 2 2  , если d 2 > 2   d 1 2 d 1 d 2 d 2 + 2  , если d 1 > 2   2 d 2 2 ( d 1 + d 2 2 ) d 1 ( d 2 2 ) 2 ( d 2 4 ) ,   если d 2 > 4   ( 2 d 1 + d 2 2 ) 8 ( d 2 4 ) ( d 2 6 ) d 1 ( d 1 + d 2 2 ) ,  
если d 2 > 6  
12 d 1 ( 5 d 2 22 ) ( d 1 + d 2 2 ) + ( d 2 4 ) ( d 2 2 ) 2 d 1 ( d 2 6 ) ( d 2 8 ) ( d 1 + d 2 2 )   ln Γ ( d 1 2 ) + ln Γ ( d 2 2 ) ln Γ ( d 1 + d 2 2 ) +  
( 1 d 1 2 ) ψ ( 1 + d 1 2 ) ( 1 + d 2 2 ) ψ ( 1 + d 2 2 )  
+ ( d 1 + d 2 2 ) ψ ( d 1 + d 2 2 ) + ln d 1 d 2  
Рэлея R a y l e i g h ( σ )   σ   R +   x σ 2 e x 2 2 σ 2   1 e x 2 2 σ 2   1 σ t e σ 2 t 2 / 2 π 2 ( erfi ( σ t 2 ) i )   π 2 σ   σ ln ( 4 )   σ   ( 2 π / 2 ) σ 2   2 π ( π 3 ) ( 4 π ) 3 / 2   6 π 2 24 π + 16 ( 4 π ) 2   1 + ln ( σ 2 ) + γ 2   1 + σ t e σ 2 t 2 / 2 π 2 ( erf ( σ t 2 ) + 1 )  
Вейбулла W ( k , λ )   λ > 0   - коэффициент масштаба, k > 0   - коэффициент формы R +   k λ ( x λ ) k 1 e ( x λ ) k   1 e ( x λ ) k   n = 0 ( i t ) n λ n n ! Γ ( 1 + n / k )   λ Γ ( 1 + 1 k )   λ ln ( 2 ) 1 / k   λ ( k 1 ) 1 k k 1 k ,   для k > 1   λ 2 Γ ( 1 + 2 k ) μ 2   Γ ( 1 + 3 k ) λ 3 3 μ Γ ( 1 + 2 k ) λ 2 + 2 μ 3 σ 3   λ 4 Γ ( 1 + 4 k ) 4 λ 3 μ Γ ( 1 + 3 k ) + 6 λ 2 μ 2 Γ ( 1 + 2 k ) 3 μ 4 σ 4   γ ( 1 1 k ) + ( λ k ) k + ln ( λ k )   n = 0 t n λ n n ! Γ ( 1 + n / k ) ,   k 1  
Логистическое L ( μ , s )   μ  , s > 0   R   e ( x μ ) / s s ( 1 + e ( x μ ) / s ) 2   1 1 + e ( x μ ) / s   e i μ t B ( 1 i s t , 1 + i s t )   для | i s t | < 1   μ   μ   μ   π 2 3 s 2   0   6 / 5   ln ( s ) + 2   e μ t B ( 1 s t , 1 + s t )  
для | s t | < 1  
Вигнера ρ ( R )   R > 0   - радиус [ R ; + R ]   2 π R 2 R 2 x 2   1 2 + x R 2 x 2 π R 2 + arcsin ( x R ) π   для R x R   2 J 1 ( R t ) R t   0   0   0   R 2 4   0   1   ln ( π R ) 1 2   2 I 1 ( R t ) R t  
Парето Pareto ( k , x m )   x m > 0  коэффициент масштаба, k > 0   [ x m ; + )   k x m k x k + 1   1 ( x m x ) k   k ( Γ ( k ) [ x m k ( i t ) k ( i x m t ) k ] + E k+1 ( i x m t ) )   k x m k 1  , если k > 1   x m 2 k   x m   ( x m k 1 ) 2 k k 2   при k > 2   2 ( 1 + k ) k 3 k 2 k   при k > 3   6 ( k 3 + k 2 6 k 2 ) k ( k 3 ) ( k 4 )   при k > 4   ln ( k x m ) 1 k 1   нет

где Γ   - гамма-функция, γ   - неполная гамма-функция, ψ = Γ / Γ   - дигамма-функция, B   - бета-функция, I x   - регуляризованная неполная бета-функция, 1 F 1  , 2 F 1   — гипергеометрическая функция, J α   - функция Бесселя, I ν   - модифицированная функция Бесселя первого рода, K ν   - модифицированная функция Бесселя второго рода, U ( a , b , z )   - функция Трикоми.


Многомерные распределения
Название Обозначение Параметр Носитель Плотность (последовательность вероятностей) Матем. ожидание Дисперсия Характеристическая функция
Гауссовское N ( a , Σ )   a R n , Σ R n × n   - симм. и неотр. опр. R n   p ( x ) = 1 ( 2 π ) n det Σ e 1 2 ( x a ) T Σ 1 ( x a )   a   Σ   e i a T t 1 2 t T Σ t  

ПримечанияПравить

  1. Маталыцкий, Хацкевич. Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы, 2012. - С.69
  2. Маталыцкий, Хацкевич. Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы, 2012. - С.68
  3. 1 2 Рамачандран, 1975, с. 38.
  4. Маталыцкий, Хацкевич. Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы, 2012. — С.76

ЛитератураПравить

См. такжеПравить