Перейти к содержанию

Распределение вероятностей

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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

Определение

[править | править код]

Пусть задано вероятностное пространство , и на нём определена случайная величина . В частности, по определению, является измеримым отображением измеримого пространства в измеримое пространство , где обозначает борелевскую сигма-алгебру на .

Тогда случайная величина индуцирует вероятностную меру на следующим образом:

Мера называется распределением случайной величины . Иными словами, , таким образом задаёт вероятность того, что случайная величина попадает во множество .

Классификация распределений

[править | править код]

Функция называется функцией распределения случайной величины . Из свойств вероятности вытекает теорема:

Функция распределения любой случайной величины удовлетворяет следующим трем свойствам[1]:

  1.  — функция неубывающая;
  2. ;
  3. непрерывна слева.

Теорема:

Если функция удовлетворяет перечисленным выше свойствам, то существует вероятностное пространство и определённая на нём случайная величина, такая что является её функцией распределения[1].

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[2].

Дискретные распределения

[править | править код]

Случайная величина называется простой или дискретной, если она принимает не более чем счётное, конечное число значений. То есть , где  — разбиение .

Распределение простой случайной величины тогда по определению задаётся: . Введя обозначение , можно задать функцию . В силу свойств вероятности . Используя счётную аддитивность , легко показать, что эта функция однозначно определяет распределение .

Набор вероятностей , где называется распределением вероятностей дискретной случайной величины . Совокупность значений и вероятностей называется дискретным законом распределения вероятностей[3].

Для иллюстрации сказанного выше, рассмотрим следующий пример.

Пусть функция задана таким образом, что и . Эта функция задаёт распределение случайной величины , для которой (см. распределение Бернулли, где случайная величина принимает значения ). Случайная величина является моделью подбрасывания уравновешенной монеты.

Другими примерами дискретных случайных величин являются распределения

Дискретное распределение обладает следующими свойствами:

  1. ,
  2. , если множество значений является конечным — из свойств вероятности,
  3. Функция распределения имеет конечное или счётное множество точек разрыва первого рода,
  4. Если  — точка непрерывности , то .

Решётчатые распределения

[править | править код]

Решётчатым называется распределение с дискретной функцией распределения и точки разрыва функции распределения образуют подмножество точек вида , где  — вещественное, ,  — целое[4].

Теорема. Для того, чтобы функция распределения была решётчатой с шагом , необходимо и достаточно, чтобы её характеристическая функция удовлетворяла соотношению [4].

Абсолютно непрерывные распределения

[править | править код]

Распределение случайной величины называется абсолютно непрерывным, если существует неотрицательная функция, такая что

.

Тогда функция называется плотностью распределения вероятностей случайной величины .

Функция таких распределений абсолютно непрерывна в смысле Лебега.

Примерами абсолютно непрерывных распределений являются

Пример. Пусть , когда , и в противном случае. Тогда , если .

Для любой плотности распределения верны свойства:

  1. ;
  2. .

Верно и обратное. Если

  1. ;
  2. ,

то существует распределение такое, что является его плотностью.

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

.

Теорема. Если  — непрерывная плотность распределения, а  — его функция распределения, то

  1. .

При построении распределения на основе эмпирических данных следует избегать ошибок округления.

Сингулярные распределения

[править | править код]

Кроме дискретных и непрерывных случайных величин существуют величины, не являющиеся ни дискретными, ни непрерывными ни на одном интервале. К таким случайным величинам относятся величины функции распределения которых непрерывны, но возрастают только на множестве лебеговой меры нуль[5].

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

Таблица основных распределений

[править | править код]
Дискретные распределения
НазваниеОбозначениеПараметрНосительПлотность (последовательность вероятностей)Матем. ожиданиеДисперсияХарактеристическая функция
Дискретное равномерное
Бернулли
Биноминальное
Пуассоновское
Геометрическое
Абсолютно непрерывные распределения
НазваниеОбозначениеПараметрНосительПлотность вероятности Функция распределения F(х)Характеристическая функцияМатематическое ожиданиеМедианаМодаДисперсияКоэффициент асимметрииКоэффициент эксцессаДифференциальная энтропияПроизводящая функция моментов
Равномерное непрерывное,  — коэффициент сдвига,  — коэффициент масштабалюбое число из отрезка
Нормальное (гауссовское)— коэффициент сдвига,  — коэффициент масштаба
Логнормальное
Гамма-распределение при при
Экспоненциальное
Лапласа — коэффициент масштаба,  — коэффициент сдвига
Коши — коэффициент сдвига,  — коэффициент масштабанетнетнетнет
Бета-распределение для для
хи-квадрат — число степеней свободыпримерно если , если
Стьюдента — число степеней свободы для , если , если , если , если Нет
Фишера — числа степеней свободы, если , если если
если


Рэлея
Вейбулла — коэффициент масштаба,  — коэффициент формы для
Логистическое, для
для
Вигнера — радиус для
Парето — коэффициент масштаба, , если при при при нет

где  — гамма-функция,  — неполная гамма-функция,  — дигамма-функция,  — бета-функция,  — регуляризованная неполная бета-функция, ,  — гипергеометрическая функция,  — функция Бесселя,  — модифицированная функция Бесселя первого рода,  — модифицированная функция Бесселя второго рода,  — функция Трикоми.

Многомерные распределения
НазваниеОбозначениеПараметрНосительПлотность (последовательность вероятностей)Матем. ожиданиеДисперсияХарактеристическая функция
Гауссовское — симм. и неотр. опр.

Примечания

[править | править код]
  1. 1 2 Боровков А. А. Теория вероятностей, 1999. — С. 39.
  2. ↑ Маталыцкий, Хацкевич. Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы, 2012. — С. 69.
  3. ↑ Маталыцкий, Хацкевич. Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы, 2012. — С. 68
  4. 1 2 Рамачандран, 1975, с. 38.
  5. ↑ Маталыцкий, Хацкевич. Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы, 2012. — С.76

Литература

[править | править код]
  • Распределение вероятностей : [арх. 27 ноября 2022] // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
  • Лагутин М. Б. Наглядная математическая статистика. — М.: Бином, 2009. — 472 с.
  • Жуковский М. Е., Родионов И. В. Основы теории вероятностей. — М.: МФТИ, 2015. — 82 с.
  • Жуковский М. Е., Родионов И. В., Шабанов Д. А. Введение в математическую статистику. — М.: МФТИ, 2017. — 109 с.
  • Рамачандран Б. Теория характеристических функций. — М.: Наука, 1975. — 224 с.
  • Королюк В. С., Портенко Н. И., Скороход А. В., Турбин А. Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. — М.: Наука, 1985. — 640 с.
  • Губарев В. В. Вероятностные модели: Справочник в 2-х частях. — Новосибирск.: Новосибир. электротехн. ин-т, 1992. — 422 с.