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

157 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

3041. Бухгалтерский учет, анализ и аудит 571 KB
  Настоящее учебно-методическое пособие разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования к уровню подготовки выпускника. Итоговым контролем процесса обучения в вузе и основанием для присвоения студенту высшей квалификации экономиста по специальности «Бухгалтерский учет, анализ и аудит» является междисциплинарный государственный экзамен...
3042. Будівельне матеріалознавство 2.45 MB
  Будівництво є частиною матеріальної культури суспільства, за ним можна судити про прогрес науки і техніки, особливості побуту, національні традиції. Людина почала будувати перші житла ще в епоху неоліту (3 тис. років до н.е.), використовуючи природні матеріали: камені, шматки дерева, глину.
3043. Расчет строительства многоквартирных домов города Новосибирск 144.5 KB
  Задачи, решаемые государством по ускорению социально-экономического развития страны всегда были неразрывно связаны с совершенствованием строительства и строительной техники. Создание первых отечественных государственных строительных организ...
3044. Правовая охрана программ для электронно-вычислительных машин и баз данных 115 KB
  В связи с переходом Российской Федерации к рыночным отношениям система законодательства претерпела кардинальные изменения. Это относится и к правовым нормам, регулирующим отношения, возникающие в связи с созданием и использованием продуктов...
3045. Процесс обучения и использование технических средств при получении знаний учащихся 382.5 KB
  Изменения, происходящие в России, приводят к тому, что у человека появляется больше «степеней свободы», его успешность в жизни менее детерминирована внешними обстоятельствами. В связи с этим все более востребованными становятся умения анали...
3046. Художественная обработка металлов на уроках технологии в 6 классе 588.93 KB
  Глубокие перемены, происходящие в современном образовании, выдвигают в качестве приоритетных проблемы  расширения содержания  и использования новых технологий обучения и воспитания. Совершенствование технологической среды, внедрен...
3047. ФИЗИОЛОГИЯ СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГЕМОДИНАМИКИ 70.05 KB
  Функциональная классификация кровеносных и лимфатических сосудов (структурно-функциональная характеристика сосудистой системы). Основные законы гемодинамики. Кровяное давление, его виды (систолическое, диастолическое, пульсовое, среднее, центральное и периферическое, артериальное и венозное). Факторы, определяющие кровяное давление.
3048. Проект управління земельними ресурсами м. Черкаси за розподілом земель житлової забудови 4.33 MB
  Вступ Розділ 1. Теоретичні засади щодо використання земель житлової та громадської забудови. 1.1. Обґрунтування поділу земель міста за функціональним призначенням. 1.2. Огляд спеціалізованої літератури. 1.3. Аналіз наявності законодавчої бази....
3049. Правове регулювання права власності на землю в Україні 615 KB
  Вступ Існування людини забезпечується головним чином завдяки суспільному виробництву, в процесі якого створюються необхідні для неї матеріальні блага (за винятком благ, безпосередньо створених природою). Звичайно ж функціонування такого виробництва ...