10961

Нормальный (гауссов) закон распределения

Лекция

Математика и математический анализ

Нормальный гауссов закон распределения Нормальный закон распределения закон Гаусса играет исключительно важную роль в теории вероятностей. Это наиболее часто встречающийся на практике закон распределения СВ. Главная особенность выделяющая закон Гаусса состоит в

Русский

2013-04-03

209.39 KB

160 чел.

Нормальный (гауссов) закон распределения

Нормальный закон распределения (закон Гаусса) играет исключительно важную роль в теории вероятностей. Это наиболее часто встречающийся на практике закон распределения СВ. Главная особенность, выделяющая закон Гаусса, состоит в том, что он является предельным законом, к которому приближаются другие законы при весьма часто встречающихся типичных условиях.

Доказано, что сумма достаточно большого числа независимых (или слабо зависимых) случайных величин, подчиненных каким угодно законам распределения (при соблюдении некоторых весьма не жестких ограничениях) приближенно подчиняется нормальному закону. И это свойство выполняется тем точнее, чем большее количество СВ суммируется.

По нормальному закону распределены ошибки измерений, белый шум в электронике и т.п.

Непрерывная случайная величина имеет нормальный закон распределения (закон Гаусса) с параметрами и , если ее плотность вероятности определена на всей числовой оси и имеет вид:

.     (11.1)

Кривую нормального закона распределения называют нормальной или гауссовой кривой (см. рис. 11.1.). Гауссова кривая имеет симметричный холмообразный вид с максимумом в точке , причем сам максимум равен . Выясним смысл параметров и , входящих в (11.1).

Рис.11.1. Нормальное распределение

Для этого вычислим сначала математическое ожидание:

 (11.2)

Произведем замену переменных, определив , тогда , а . Подставив в (11.2) получим:

  


   (11.3)

В выражении (11.3) первый интеграл равен нулю, как интеграл от нечетной функции в симметричных относительно начала координат пределах; второй интеграл – это интеграл Пуассона – Эйлера, который равен . Тогда окончательно получим:

   (11.4)

Итак, параметр в плотности вероятности нормального распределения равен математическому ожиданию СВ .

Вычислим теперь дисперсию СВ :

 

Произведя ту же замену переменных, что и при вычислении математического ожидания, получим:

(11.5)

Поясним немного полученный результат. Действительно, первое слагаемое в выражении (11.5) равно нулю, т.к. стремится к нулю при быстрее, чем возрастает любая степень . А второе слагаемое это интеграл Пуассона – Эйлера.

Следовательно, параметр в формуле (11.1) есть не что иное, как среднее квадратическое отклонение СВ .

Выведем общую формулу для центрального момента любого порядка СВ ,распределенной по нормальному закону. По определению:

 

Здесь, как и в предыдущих интегралах применили подстановку, а полученный интеграл будем брать по частям:

 (11.6)

Здесь, при взятии интеграла по частям первое слагаемое равно нулю, т.к. стремится к нулю быстрее, чем возрастает любая степень . Теперь запишем центральный момент порядка:

  (11.7)

Сравнивая правые части выражений (11.6) и (11.7) получим:

    (11.8)

Рекуррентное соотношение (11.8) справедливо для центральных моментов любого порядка. Вспомним, что , а . Тогда все центральные моменты нечетных порядков для нормального распределения равны нулю.

Нормальное распределение симметрично:

   (11.9)

Коэффициент эксцесса нормального распределения, согласно (11.8) равен:

  (11.10)

Нормальный закон распределения СВ с параметрами , обозначается и называется стандартным или нормированным, а соответствующая нормальная кривая – стандартной или нормированной.

Вероятность попадания на интервал

Рассмотрим вероятность попадания на интервал СВ , подчиненной нормальному закону распределения с параметрами и . Для вычисления этой вероятности воспользуемся общей формулой:

  (11.11)

где интегральная функция распределения СВ . Найдем

 (11.12)

Сделаем замену переменных в (11.12)

   (11.13)

Отметим, что этим преобразованием (заменой переменных) нормальное распределение с произвольными значениями и приводится к стандартному нормальному закону с параметрами .

Интеграл (11.13) не выражается через элементарные функции, но его обычно выражают через специальную функцию, выражающую определенный интеграл от или  (так называемый интеграл вероятности, для которого составлены статистические таблицы).

Вообще существует множество разновидностей таких функций, например:

 (11.14)

Выберем в качестве такой функции так называемую нормальную функцию распределения . Выразим функцию распределения (11.13) через :

    (11.15)

Подставим теперь (11.15) в (11.11):

 (11.16)

Свойства нормальной функции распределения

1.

2.

3.  функция неубывающая.

4. Из-за симметричности стандартного нормального распределения относительно начала координат следует (см.рис.11.2):

На практике очень часто встречается задача вычисления вероятности попадания СВ на участок симметричный относительно центра рассеивания . Рассмотрим такой участок длиной . Вычислим эту вероятность:

Рис.11.2. Стандартное распределение

 (11.17)

Часто расстояние выражают в единицах . На рис. 11.3. для стандартного нормального распределения показаны вероятности (односторонние) отклониться от математического ожидания на .

Рис.11.3. Свойства нормального закона

ПРИМЕР 1.  Полагая, что рост студентов – нормально распределенная случайная величина с параметрами и . Необходимо найти:

  1.  выражение плотности вероятности и функции распределения СВ ;
  2.  доли костюмов 4-го роста (176 – 182 см) и 3-го роста(170 – 176 см), которые нужно предусмотреть в общем объеме производства;
  3.  квантиль и 10%-ную точку СВ ;
  4.  сформулировать "правило трех сигм" для СВ ;

РЕШЕНИЕ  а) По формулам (11.1), (11.12) и (11.15) запишем

б) Доля костюмов 4-го роста (176 – 182 см) в общем объеме производства определим по формуле (11.16):

Долю костюмов 3-го роста (170 – 176 см) можно определить аналогичным образом, но, если учесть, что данный интервал симметричен относительно , то по формуле (11.17) оценим:

в) Квантиль СВ найдем из уравнения (11.15):

Это значит, что 70% студентов имеют рост до 176 см. 10%-ная точка СВ - это квантиль , который вычислив аналогично получим .

г) "Правило трех сигм" для нормального распределения:

.

Тогда с вероятностью равной 0.9974 рост студентов находится в интервале:

ПРИМЕР 2.  Средняя стоимость ценной бумаги составляет 2000 руб., а среднее квадратичное отклонение равно 100 руб. Предполагается, что цена имеет нормальное распределение. Определить вероятность того, что в день покупки цена будет заключена в пределах от 1800 руб. до 2300 руб. Найти с надежностью 0.9 интервал Δ изменения цены бумаги, симметричный относительно математического ожидания.

РЕШЕНИЕ   a)

б)

Значит стоимость ценной бумаги заключена в интервале (1835.5; 2164.5).

Распределение ("хи–квадрат")

Так называется распределение вероятностей СВ вида:

  (11.18)

где независимые случайные величины, имеющие одно и то же нормальное распределение с параметрами . Число называется числом степеней свободы распределения . Соответствующая плотность (см. рис.11.4.) описывается формулой:

 (11.19)

Рис. 11.4. Распределение "хи-квадрат"

Распределение представляет собой частный случай так называемого гамма – распределения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22796. Звільнення України від німецько-фашистських загарбників. Політичні наслідки Другої світової війни та українське питання 25.5 KB
  Гітлерівське командування втратило 73 тис. солдатів і офіцерів у тому числі 182 тис. Фашисти втратили 100 тис. солдатів і офіцерів; 615 тис.
22797. Курс на перебудову: плани та реальності його здійснення в Україні 37 KB
  Перш ніж горбачовські реформи дійшли до України тут сталася катастрофа глобального значення: 26 квітня 1986 р. Величезна радіоактивна хмара покрила багато районів України Росії Білорусії а згодом поширилася на землі Польщі та Скандинавії. Постали Українська республіканська партія Демократична партія України партія зелених та ін. На діаметрально протилежних позиціях стояла Комуністична партія України.
22798. Разработка заказной спецификации на аппаратные средства ЭВМ 30.85 KB
  Наличие хорошего сетевого адаптера, встроенного или внешнего; Наличие мощного процессора и видеоадаптера, необходимого для обработки трехмерной графической информации, а так же достаточная емкость ОЗУ.
22799. Визнання Української держави світовим співтовариством. Міжнародне співробітництво незалежної України 31 KB
  Міжнародне співробітництво незалежної України. Важливим кроком в цьому відношенні став робочий візит міністра закордонних справ України Б. Визначною подією в двосторонніх відносинах України з Канадою став офіційний візит до Києва прем’єрміністра Канади Ж. Важливим кроком на шляху підтвердження вірності України європейському вибору поглиблення її відносин з Францією стало проведення 1 березня 1999р.
22800. Походження назви «Україна» та «українці» 41.5 KB
  Походження назви Україна та українці Назва Україна щодо українських земель вперше зустрічається в Київському літописі 1187 р. За тих часів назва Україна поширювалася на Київщину Переяславщину Чернігівщину. Про походження назви Україна існує кілька припущень. Надєждін пояснив значення слова Україна.
22801. Ранній залізний вік на території України 63 KB
  Протягом тисячолітнього існування в Північному Причорномор'ї античні містадержави справили значний вплив на розвиток місцевих племен: скіфів сарматів слов'ян. Етногенез слов’ян. Перші писемні згадки про слов’ян. Існує кілька концепцій походження слов’ян з яких найпоширеніша така: витоки слов'янської історії сягають щонайменше II тис.
22802. Походження Русі 28 KB
  Основними ознаками будьякої середньовічної держави в тому числі Київської Русі були: розміщення населення не за національним у той період за племінним принципом а за територіальним поява влади не пов'язаної з волевиявленням народу збирання данини для утримання цієї влади династичний спадковий характер влади вождя.
22803. Основні етапи розвитку Києворуської держави 29 KB
  До часів правління Аскольда вчені відносять і першу спробу введення християнства як офіційної релігії у Київській Русі. Володимир починає своє правління посадовивши синів і старших дружинників у містах Русі. У період правління Ярослава Мудрого розширюються кордони Київської Русі: від Чорного моря і пониззя Дунаю на півдні аж до Фінської затоки на півночі від Закарпаття на заході до верхів'їв Волги та Дону на сході. в Київській Русі встановлюється форма правління яку називають тріумвіратом Ярославичів Ізяслава Святослава та Всеволода.
22804. Київська Русь періоду розквіту. Володимир Великий. Ярослав Мудрий 34.5 KB
  Володимир Великий. Ставши Великим князем київським Володимир багато зробив аби зміцнити державу встановити лад і порядок. За часів Володимира в загальних рисах завершилося формування держави. Видатний політик і адміністратор Володимир здійснив серію реформ.