Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Нормальный закон распределения

Нормальный закон распределения случайной величины

Значение для исследований в области физической культуры и спорта (ФКиС)

Нормальное распределение случайной величины (гауссово распределение, распределение Гаусса, распределение Гаусса-Лапласа) – одно из непрерывных распределений, имеющее основополагающую роль в математической статистике. Причинами это являются:

Однако в природе и в области ФКиС встречаются экспериментальные распределения, для описания которых модель нормального распределения малопригодна.

История изучения нормального распределения

Первые исследования по теории вероятностей проводили математик, механик, физик Блез Паскаль и математик Пьер Ферма в середине XVII века. Эти исследования выполнялись по просьбе Шевалье де Мере, азартного игрока в кости, который пытался понять природу выигрыша. В дальнейшем эти исследования заложили основы теории вероятностей (Дж. Гласс, Дж. Стэнли, 1976).

Дальнейшее развитие теория вероятностей получила в XVIII веке. В 1713 году была опубликована книга швейцарского математика Якоба Бернулли «Искусство предположений». В этой книге был рассмотрен ряд вопросов теории вероятностей. Якоб Бернулли ввёл значительную часть современных понятий теории вероятностей, а также изложил правила подсчёта вероятности для сложных событий и дал первый вариант «закона больших чисел», разъясняющего, почему частота события в серии испытаний не меняется хаотично, а в некотором смысле стремится к своему предельному теоретическому значению (то есть вероятности).

В последствии (в 1730 г.) шотландский математик Джеймс Стирлинг опубликовал формулу, аппроксимирующую произведение первых n чисел. Это позволило упростить решение ряда задач, которые встречаются в теории вероятностей. Однако все еще эти задачи оставались трудно разрешимыми.

Эту задачу решил английский математик Абрахам де Муавр. В работе «Доктрина случайностей», которая была издана в 1738 году он привел формулу, аппроксимирующую биномиальное распределение события, вероятность которого была равна 0,5 (рис.1). То есть он нашел уравнение кривой, проходящей через точки графика, изображенного на рис. 1. Эта была формула, которую впоследствии стали называть формулой нормального распределения вероятностей. Появление формулы нормального распределения значительно упростило расчеты вероятностей событий.

В начале XIX века (в 1812 г.) французский математик, механик, физик и астроном Пьер-Симон де Лаплас обобщил результаты А. Муавра для произвольного биномиального распределения.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределенияРис.1. Биномиальное распределение

Одновременно с П. Лапласом в 1809 году немецкий математик, механик, физик и астроном Карл Фридрих Гаусс в сочинении «Теория движения небесных тел» использовал формулу нормального распределения для описания случайных ошибок, возникающих в результате многократных измерений движений небесных тел. К.Ф. Гаусс внес настолько большой вклад в разработку теории нормального распределения, что впоследствии это распределение стали назвать гауссово распределение или распределение Гаусса-Лапласса.

В начале ХХ века бельгийский математик, астроном и социолог Адольф Кетле одним из первых применил нормальный закон распределения случайной величины к анализу биологических и социальных процессов. Изучая распределение солдат американской армии по росту, Адольф Кетле обратил внимание, что распределение роста подчиняется нормальному закону. Он писал: «…Человеческий рост, изменяющийся, по-видимому, самым случайным образом, тем не менее подчиняется самым точным законам, и эта особенность свойственна не только росту, она проявляется также в весе, силе, быстроте передвижений человека, во всех его физических … и нравственных способностях. Этот великий принцип… разнообразящий проявление человеческих способностей…кажется нам одним из самых удивительных законов мира» (А.Кетле, 1911).

В настоящее время нормальное распределение широко используется в биологии, медицине, экономике и других областях науки.

Более подробно о методах статистической обработки данных рассказано в книгах:

Формула нормального распределения

Формула, описывающая нормальный закон распределения случайной величины, имеет следующий вид:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

где: μ — генеральное среднее арифметическое; σ — генеральное стандартное отклонение, е — основание натуральных логарифмов, приблизительно равное 2,719, π — число, приблизительно равное 3,142; xi — конкретное значение признака.

Пусть Вас не пугает эта формула. Сейчас мы с ней разберемся. Для начала давайте посмотрим, как выглядит график, построенный на основе этой формулы. Зададим значения μ=0 и σ=1. Хочу заметить, что μ и σ — это просто числа. Их еще называют параметрами распределения. Поэтому критерии, в формулу расчета которых входят параметры распределения называют параметрическими. Например, параметрическим критерием является t-критерий Стьюдента. В формулу расчета критерия Стьюдента входят параметры μ и σ. Кривая нормального распределения вероятностей имеет вид (рис.2).

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Рис.2. График плотности вероятностей нормального распределения при μ=0 и σ=1.

Если мы поменяем параметры, то получим следующее. Изменение параметра μ будет сдвигать график вдоль оси Х. Например при μ=3 график сместится вправо вдоль оси Х (рис.3).

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Рис.3. График плотности вероятностей нормального распределения при μ=3 и σ=1.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Рис.4. График плотности вероятностей нормального распределения при μ=0 и σ=3.

Свойства нормального распределения

Нормированное отклонение

В области математической статистики важное место занимает нормированное отклонение (t) – показатель, представляющий отклонение той или иной варианты от средней величины, отнесенное к значению стандартного отклонения. Нормированное отклонение рассчитывает по формуле:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Нормированное отклонение позволяет установить, на сколько «сигм» отклоняются варианты от среднего значения. Например, необходимо определить насколько «сигм» отклоняется значение роста человека, равное 180 см от среднего, если среднее арифметическое равно 170 см, а «сигма», то есть стандартное отклонение равно 10 см. Подставив эти значения в формулу, получим: t= (180-170)/10 = 1.

Ответ: значение роста человека, равное 180 см отклоняется от среднего на одну «сигму».

Нормированное нормальное распределение

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Рис.5. Нормированное нормальное распределение роста мужчин с параметрами: µ=0; σ = 1.

Формула нормального распределения описывает целое семейство кривых, зависящих от двух параметров μ и σ, которые могут принимать любые значения. Поэтому возможно бесконечно много нормально распределенных совокупностей.

Чтобы избежать неудобств, связанных с расчетами для каждого конкретного случая в до компьютерную эпоху было предложено использовать нормированное (стандартное) нормальное распределение, для которого были составлены подробные таблицы. Нормированное нормальное распределение имеет параметры: µ=0; σ = 1 (рис.1, 5). Это распределение получается, если пронормировать нормально распределенную величину Х по формуле:

Для нормированного нормального распределения характерно, что в интервал µ± σ попадают 68 % всех результатов, в интервал µ± 2σ попадают 95% всех результатов, в интервал µ± 3σ попадают 99 % всех результатов.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Критерии согласия

Чтобы проверить, соответствует ли распределение нормальному закону, существует много методов.

Можно использовать свойства нормального распределения (равенство среднего, моды и медианы).

Однако более точные результаты дают критерии согласия. В зависимости от объема выборки (n) следует использовать различные критерии:

Источник

Нормальное распределение (Гаусса) в Excel

В статье подробно показано, что такое нормальный закон распределения случайной величины и как им пользоваться при решении практически задач.

Нормальное распределение в статистике

История закона насчитывает 300 лет. Первым открывателем стал Абрахам де Муавр, который придумал аппроксимацию биномиального распределения еще 1733 году. Через много лет Карл Фридрих Гаусс (1809 г.) и Пьер-Симон Лаплас (1812 г.) вывели математические функции.

Лаплас также обнаружил замечательную закономерность и сформулировал центральную предельную теорему (ЦПТ), согласно которой сумма большого количества малых и независимых величин имеет нормальное распределение.

Нормальный закон не является фиксированным уравнением зависимости одной переменной от другой. Фиксируется только характер этой зависимости. Конкретная форма распределения задается специальными параметрами. Например, у = аx + b – это уравнение прямой. Однако где конкретно она проходит и под каким наклоном, определяется параметрами а и b. Также и с нормальным распределением. Ясно, что это функция, которая описывает тенденцию высокой концентрации значений около центра, но ее точная форма задается специальными параметрами.

Кривая нормального распределения Гаусса имеет следующий вид.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

График нормального распределения напоминает колокол, поэтому можно встретить название колоколообразная кривая. У графика имеется «горб» в середине и резкое снижение плотности по краям. В этом заключается суть нормального распределения. Вероятность того, что случайная величина окажется около центра гораздо выше, чем то, что она сильно отклонится от середины.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

На рисунке выше изображены два участка под кривой Гаусса: синий и зеленый. Основания, т.е. интервалы, у обоих участков равны. Но заметно отличаются высоты. Синий участок удален от центра, и имеет существенно меньшую высоту, чем зеленый, который находится в самом центре распределения. Следовательно, отличаются и площади, то бишь вероятности попадания в обозначенные интервалы.

Формула нормального распределения (плотности) следующая.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Формула состоит из двух математических констант:

е – основание натурального логарифма 2,718;

двух изменяемых параметров, которые задают форму конкретной кривой:

m – математическое ожидание (в различных источниках могут использоваться другие обозначения, например, µ или a);

ну и сама переменная x, для которой высчитывается плотность вероятности.

Конкретная форма нормального распределения зависит от 2-х параметров: математического ожидания (m) и дисперсии ( σ 2 ). Кратко обозначается N(m, σ 2 ) или N(m, σ). Параметр m (матожидание) определяет центр распределения, которому соответствует максимальная высота графика. Дисперсия σ 2 характеризует размах вариации, то есть «размазанность» данных.

Параметр математического ожидания смещает центр распределения вправо или влево, не влияя на саму форму кривой плотности.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

А вот дисперсия определяет остроконечность кривой. Когда данные имеют малый разброс, то вся их масса концентрируется у центра. Если же у данных большой разброс, то они «размазываются» по широкому диапазону.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Плотность распределения не имеет прямого практического применения. Для расчета вероятностей нужно проинтегрировать функцию плотности.

Вероятность того, что случайная величина окажется меньше некоторого значения x, определяется функцией нормального распределения:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения
Используя математические свойства любого непрерывного распределения, несложно рассчитать и любые другие вероятности, так как

P(a ≤ X 0 =1 и остается рассчитать только соотношение 1 на корень из 2 пи.

Таким образом, по графику хорошо видно, что значения, имеющие маленькие отклонения от средней, выпадают чаще других, а те, которые сильно отдалены от центра, встречаются значительно реже. Шкала оси абсцисс измеряется в стандартных отклонениях, что позволяет отвязаться от единиц измерения и получить универсальную структуру нормального распределения. Кривая Гаусса для нормированных данных отлично демонстрирует и другие свойства нормального распределения. Например, что оно является симметричным относительно оси ординат. В пределах ±1σ от средней арифметической сконцентрирована большая часть всех значений (прикидываем пока на глазок). В пределах ±2σ находятся большинство данных. В пределах ±3σ находятся почти все данные. Последнее свойство широко известно под названием правило трех сигм для нормального распределения.

Функция стандартного нормального распределения позволяет рассчитывать вероятности.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Понятное дело, вручную никто не считает. Все подсчитано и размещено в специальных таблицах, которые есть в конце любого учебника по статистике.

Таблица нормального распределения

Таблицы нормального распределения встречаются двух типов:

— таблица плотности;

— таблица функции (интеграла от плотности).

Таблица плотности используется редко. Тем не менее, посмотрим, как она выглядит. Допустим, нужно получить плотность для z = 1, т.е. плотность значения, отстоящего от матожидания на 1 сигму. Ниже показан кусок таблицы.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

В зависимости от организации данных ищем нужное значение по названию столбца и строки. В нашем примере берем строку 1,0 и столбец 0, т.к. сотых долей нет. Искомое значение равно 0,2420 (0 перед 2420 опущен).

Функция Гаусса симметрична относительно оси ординат. Поэтому φ(z)= φ(-z), т.е. плотность для 1 тождественна плотности для -1, что отчетливо видно на рисунке.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Чтобы не тратить зря бумагу, таблицы печатают только для положительных значений.

На практике чаще используют значения функции стандартного нормального распределения, то есть вероятности для различных z.

В таких таблицах также содержатся только положительные значения. Поэтому для понимания и нахождения любых нужных вероятностей следует знать свойства стандартного нормального распределения.

Функция Ф(z) симметрична относительно своего значения 0,5 (а не оси ординат, как плотность). Отсюда справедливо равенство:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Это факт показан на картинке:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Значения функции Ф(-z) и Ф(z) делят график на 3 части. Причем верхняя и нижняя части равны (обозначены галочками). Для того, чтобы дополнить вероятность Ф(z) до 1, достаточно добавить недостающую величину Ф(-z). Получится равенство, указанное чуть выше.

Если нужно отыскать вероятность попадания в интервал (0; z), то есть вероятность отклонения от нуля в положительную сторону до некоторого количества стандартных отклонений, достаточно от значения функции стандартного нормального распределения отнять 0,5:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Для наглядности можно взглянуть на рисунок.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

На кривой Гаусса, эта же ситуация выглядит как площадь от центра вправо до z.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Довольно часто аналитика интересует вероятность отклонения в обе стороны от нуля. А так как функция симметрична относительно центра, предыдущую формулу нужно умножить на 2:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Под кривой Гаусса это центральная часть, ограниченная выбранным значением –z слева и z справа.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Указанные свойства следует принять во внимание, т.к. табличные значения редко соответствуют интересующему интервалу.

Для облегчения задачи в учебниках обычно публикуют таблицы для функции вида:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Если нужна вероятность отклонения в обе стороны от нуля, то, как мы только что убедились, табличное значение для данной функции просто умножается на 2.

Теперь посмотрим на конкретные примеры. Ниже показана таблица стандартного нормального распределения. Найдем табличные значения для трех z: 1,64, 1,96 и 3.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Как понять смысл этих чисел? Начнем с z=1,64, для которого табличное значение составляет 0,4495. Проще всего пояснить смысл на рисунке.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

То есть вероятность того, что стандартизованная нормально распределенная случайная величина попадет в интервал от 0 до 1,64, равна 0,4495. При решении задач обычно нужно рассчитать вероятность отклонения в обе стороны, поэтому умножим величину 0,4495 на 2 и получим примерно 0,9. Занимаемая площадь под кривой Гаусса показана ниже.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Таким образом, 90% всех нормально распределенных значений попадает в интервал ±1,64σ от средней арифметической. Я не случайно выбрал значение z=1,64, т.к. окрестность вокруг средней арифметической, занимающая 90% всей площади, иногда используется для проверки статистических гипотез и расчета доверительных интервалов. Если проверяемое значение не попадает в обозначенную область, то его наступление маловероятно (всего 10%).

Для проверки гипотез, однако, чаще используется интервал, накрывающий 95% всех значений. Половина вероятности от 0,95 – это 0,4750 (см. второе выделенное в таблице значение).

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Для этой вероятности z=1,96. Т.е. в пределах почти ±2σ от средней находится 95% значений. Только 5% выпадают за эти пределы.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Еще одно интересное и часто используемое табличное значение соответствует z=3, оно равно по нашей таблице 0,4986. Умножим на 2 и получим 0,997. Значит, в рамках ±3σ от средней арифметической заключены почти все значения.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Так выглядит правило 3 сигм для нормального распределения на диаграмме.

С помощью статистических таблиц можно получить любую вероятность. Однако этот метод очень медленный, неудобный и сильно устарел. Сегодня все делается на компьютере. Далее переходим к практике расчетов в Excel.

Нормальное распределение в Excel

В Excel есть несколько функций для подсчета вероятностей или обратных значений нормального распределения.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Функция НОРМ.СТ.РАСП

Функция НОРМ.СТ.РАСП предназначена для расчета плотности ϕ( z ) или вероятности Φ(z) по нормированным данным (z).

z – значение стандартизованной переменной

интегральная – если 0, то рассчитывается плотность ϕ( z ) , если 1 – значение функции Ф(z), т.е. вероятность P(Z

Источник

Почему с нормальным распределением не все нормально

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Нормальное распределение (распределение Гаусса) всегда играло центральную роль в теории вероятностей, так как возникает очень часто как результат воздействия множества факторов, вклад любого одного из которых ничтожен. Центральная предельная теорема (ЦПТ), находит применение фактически во всех прикладных науках, делая аппарат статистики универсальным. Однако, весьма часты случаи, когда ее применение невозможно, а исследователи пытаются всячески организовать подгонку результатов под гауссиану. Вот про альтернативный подход в случае влияния на распределение множества факторов я сейчас и расскажу.

Краткая история ЦПТ. Еще при живом Ньютоне Абрахам де Муавр доказал теорему о сходимости центрированного и нормированного числа наблюдений события в серии независимых испытаний к нормальному распределению. Весь 19 и начало 20 веков эта теорема послужила ученым образцом для обобщений. Лаплас доказал случай равномерного распределения, Пуассон – локальную теорему для случая с разными вероятностями. Пуанкаре, Лежандр и Гаусс разработали богатую теорию ошибок наблюдений и метод наименьших квадратов, опираясь на сходимость ошибок к нормальному распределению. Чебышев доказал еще более сильную теорему для суммы случайных величин, походу разработав метод моментов. Ляпунов в 1900 году, опираясь на Чебышева и Маркова, доказал ЦПТ в нынешнем виде, но только при существовании моментов третьего порядка. И только в 1934 году Феллер поставил точку, показав, что существование моментов второго порядка, является и необходимым и достаточным условием.

ЦПТ можно сформулировать так: если случайные величины независимы, одинаково распределены и имеют конечную дисперсию отличную от нуля, то суммы (центрированные и нормированные) этих величин сходятся к нормальному закону. Именно в таком виде эту теорему и преподают в вузах и ее так часто используют наблюдатели и исследователи, которые не профессиональны в математике. Что в ней не так? В самом деле, теорема отлично применяется в областях, над которыми работали Гаусс, Пуанкаре, Чебышев и прочие гении 19 века, а именно: теория ошибок наблюдений, статистическая физика, МНК, демографические исследования и может что-то еще. Но ученые, которым не достает оригинальности для открытий, занимаются обобщениями и хотят применить эту теорему ко всему, или просто притащить за уши нормальное распределение, где его просто быть не может. Хотите примеры, они есть у меня.

Коэффициент интеллекта IQ. Изначально подразумевает, что интеллект людей распределен нормально. Проводят тест, который заранее составлен таким образом, при котором не учитываются незаурядные способности, а учитываются по-отдельности с одинаковыми долевыми факторами: логическое мышление, мысленное проектирование, вычислительные способности, абстрактное мышление и что-то еще. Способность решать задачи, недоступные большинству, или прохождение теста за сверхбыстрое время никак не учитывается, а прохождение теста ранее, увеличивает результат (но не интеллект) в дальнейшем. А потом филистеры и полагают, что «никто в два раза умнее их быть не может», «давайте у умников отнимем и поделим».

Второй пример: изменения финансовых показателей. Исследования изменения курса акций, котировок валют, товарных опционов требует применения аппарата математической статистики, а особенно тут важно не ошибиться с видом распределения. Показательный пример: в 1997 году нобелевская премия по экономике была выплачена за предложение модели Блэка — Шоулза, основанной на предположении нормальности распределения прироста фондовых показателей (так называемый белый шум). При этом авторы явно заявили, что данная модель нуждается в уточнении, но всё, на что решилось большинство дальнейших исследователей – просто добавить к нормальному распределению распределение Пуассона. Здесь, очевидно, будут неточности при исследовании длинных временных рядов, так как распределение Пуассона слишком хорошо удовлетворяет ЦПТ, и уже при 20 слагаемых неотличимо от нормального распределения. Гляньте на картинку снизу (а она из очень серьезного экономического журнала), на ней видно, что, несмотря на достаточно большое количество наблюдений и очевидные перекосы, делается предположение о нормальности распределения.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Весьма очевидно, что нормальными не будет распределения заработной платы среди населения города, размеров файлов на диске, населения городов и стран.

Общее у распределений из этих примеров – наличие так называемого «тяжелого хвоста», то есть значений, далеко лежащих от среднего, и заметной асимметрии, как правило, правой. Рассмотрим, какими еще, кроме нормального могли бы быть такие распределения. Начнем с упоминаемого ранее Пуассона: у него есть хвост, но мы же хотим, чтобы закон повторялся для совокупности групп, в каждой из которых он наблюдается (считать размер файлов по предприятию, зарплату по нескольким городам) или масштабировался (произвольно увеличивать или уменьшать интервал модели Блэка — Шоулза), как показывают наблюдения, хвосты и асимметрия не исчезают, а вот распределение Пуассона, по ЦПТ, должно стать нормальным. По этим же соображениям не подойдут распределения Эрланга, бета, логонормальное, и все другие, имеющие дисперсию. Осталось только отсечь распределение Парето, а вот оно не подходит в связи с совпадением моды с минимальным значением, что почти не встречается при анализе выборочных данных.

Распределения, обладающее необходимыми свойствами, существуют и носят название устойчивых распределений. Их история также весьма интересна, а основная теорема была доказана через год после работы Феллера, в 1935 году, совместными усилиями французского математика Поля Леви и советского математика А.Я. Хинчина. ЦПТ была обобщена, из нее было убрано условие существования дисперсии. В отличие от нормального, ни плотность ни функция распределения у устойчивых случайных величин не выражаются (за редким исключением, о котором ниже), все что о них известно, это характеристическая функция (обратное преобразование Фурье плотности распределения, но для понимания сути это можно и не знать).
Итак, теорема: если случайные величины независимы, одинаково распределены, то суммы этих величин сходятся к устойчивому закону.

Теперь определение. Случайная величина X будет устойчивой тогда и только тогда, когда логарифм ее характеристической функции Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределенияпредставим в виде:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

где Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения.

В самом деле, ничего сильно сложного здесь нет, просто надо объяснить смысл четырех параметров. Параметры сигма и мю – обычные масштаб и смещение, как и в нормальном распределении, мю будет равно математическому ожиданию, если оно есть, а оно есть, когда альфа больше одного. Параметр бета – асимметрия, при его равенстве нулю, распределение симметрично. А вот альфа это характеристический параметр, обозначает какого порядка моменты у величины существуют, чем он ближе к двум, тем больше распределение похоже на нормальное, при равенстве двум распределение становиться нормальным, и только в этом случае у него существуют моменты больших порядков, также в случае нормального распределения, асимметрия вырождается. В случае, когда альфа равна единице, а бета нулю, получается распределение Коши, а в случае, когда альфа равна половине, а бета единице – распределение Леви, в других случаях не существует представления в квадратурах для плотности распределения таких величин.
В 20 веке была разработана богатая теория устойчивых величин и процессов (получивших название процессов Леви), показана их связь с дробными интегралами, введены различные способы параметризации и моделирования, несколькими способами были оценены параметры и показана состоятельность и устойчивость оценок. Посмотрите на картинку, на ней смоделированная траектория процесса Леви с увеличенным в 15 раз фрагментом.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Именно занимаясь такими процессами и их приложением в финансах, Бенуа Мандельброт придумал фракталы. Однако не везде было так хорошо. Вторая половина 20 века прошла под повальным трендом прикладных и кибернетических наук, а это означало кризис чистой математики, все хотели производить, но не хотели думать, гуманитарии со своей публицистикой оккупировали математические сферы. Пример: книга «Пятьдесят занимательных вероятностных задач с решениями» американца Мостеллера, задача №11:

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Авторское решение этой задачи, это просто поражение здравого смысла:
Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Такая же ситуация и с 25 задачей, где даются ТРИ противоречащих ответа.

Но вернемся к устойчивым распределениям. В оставшейся части статьи я попытаюсь показать, что не должно возникать дополнительных сложностей при работе с ними. А именно, существуют численные и статистические методы, позволяющие оценивать параметры, вычислять функцию распределения и моделировать оные, то есть работать так же, как и с любым другим распределением.

Моделирование устойчивых случайных величин. Так как все познается в сравнении, то напомню сначала наиболее удобный, с точки зрения вычислений, метод генерирования нормальной величины (метод Бокса – Мюллера): если Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения– базовые случайные величины (равномерно распределены на [0, 1) и независимы), то по соотношению
Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения
получится стандартная нормальная величина.

Теперь зададим заранее альфу и бету, пусть V и W, независимые случайные величины: V равномерно распределена на Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения, W экспоненциально распределена с параметром 1, определим Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределенияи Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения, тогда по соотношению:
Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения
получим устойчивую случайную величину, для которой мю равна нулю, а сигма единице. Это так называемая стандартная устойчивая величина, которую для общего случая (при альфа не равном единице), просто достаточно помножить на масштаб и прибавить смещение. Да, соотношение сложнее, но оно все равно достаточно простое, чтобы его использовать даже в электронных таблицах (Ссылка). На рисунках снизу показаны траектории моделирования модели Блэка — Шоулза сперва для нормального, а затем для устойчивого процесса.

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Смотреть картинку Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Картинка про Нормальное распределение смысл параметров закона распределения. Фото Нормальное распределение смысл параметров закона распределения

Можете поверить, график изменения цен на биржах больше похож на второй.

Оценка параметров устойчивого распределения. Так как вставлять формулы на хабре достаточно сложно, я просто оставлю ссылку на статью, где подробно разбираются всевозможные методы для оценки параметров, или на мою статью на русском языке, где приводятся только два метода. Также можно найти замечательную книгу, в которой собрана вся теория по устойчивым случайным величинам и их приложениям (Zolotarev V., Uchaikin V. Stable Distributions and their Applications. VSP. M.: 1999.), или ее чисто научный русский вариант (Золотарев В.М. Устойчивые одномерные распределения. – М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983. – 304 с.). В этих книгах также присутствуют методы для вычисления плотности и функции распределения.

В качестве заключения могу лишь порекомендовать, при анализе статистических данных, когда наблюдается асимметрия или значения, сильно превосходящие ожидаемые, спрашивать самих себя: «правильно ли выбран закон распределения?» и «а все ли с нормальным распределением нормально?».

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *