Симуляция одним распределением другого

2018-03-13T20:08:09Z

NastyaR: /* Распределение */

==Распределение==
{{Определение
|definition =
'''Распределение вероятностей''' (англ. ''probability distribution'') {{---}} закон, описывающий область значений случайной величины и вероятность их исхода. }}
[[Файл:РаспределениеUPD.jpeg‎|200px|thumb|right|Геометрическое распределение с <tex>p = \dfrac {3} {4}</tex>]]

Закон распределения дискретной случайной величины <tex>\xi</tex> задается таблицей:

<tex>\xi: \begin{pmatrix}
x_1 & x_2 & \ldots & x_n \\
p_1 & p_2 & \ldots & p_n\end{pmatrix}, </tex>

где <tex>x_1 < x_2 < \ldots < x_n</tex> {{---}} всевозможные значения величины <tex>\xi,</tex> а <tex>p_i(i = 1, \ldots,
n)</tex> {{---}} их вероятности, то есть <tex>p_i = P(\xi = x_i).</tex>

При этом должно выполняться равенство: <tex>p_1 + p_2 + \ldots + p_n = 1.</tex>

Это равенство означает, что при испытании одно из значений заведомо реализуется. Таблица показывает, как суммарная вероятность <tex>100\%</tex> распределяется по возможным значениям случайной величины.

Для непрерывных случайных величин задание закона распределения в виде такой таблицы невозможно, поэтому его задают двумя другими способами:

:#С помощью [[Дискретная_случайная_величина#.D0.A4.D1.83.D0.BD.D0.BA.D1.86.D0.B8.D1.8F_.D1.80.D0.B0.D1.81.D0.BF.D1.80.D0.B5.D0.B4.D0.B5.D0.BB.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F|функции распределения]] <tex>F (x);</tex>
:#С помощью [[Дискретная_случайная_величина#.D0.A4.D1.83.D0.BD.D0.BA.D1.86.D0.B8.D1.8F_.D0.BF.D0.BB.D0.BE.D1.82.D0.BD.D0.BE.D1.81.D1.82.D0.B8_.D1.80.D0.B0.D1.81.D0.BF.D1.80.D0.B5.D0.B4.D0.B5.D0.BB.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F_.D0.B2.D0.B5.D1.80.D0.BE.D1.8F.D1.82.D0.BD.D0.BE.D1.81.D1.82.D0.B5.D0.B9|плотности вероятности]] <tex>f (x).</tex>

==Примеры распределений==
===Биномиальное распределение (закон Бернулли)===
{{Определение
|definition=
Дискретная случайная величина <tex>\xi</tex> называется '''биномиальной''' (англ. ''binomial random variable'') с параметрами <tex>(n, p),</tex> если она принимает значения от <tex>0</tex> до <tex>n</tex> и вероятности вычисляются по формуле <tex>p_i = P(\xi = i) = \dbinom{n}{k} p^k q^{n - k},</tex> где <tex>i = 1, \ldots, n;</tex> <tex>q = 1 - p,</tex> <tex>p \in (0, 1).</tex>}}

===Нормальное распределение (распределение Гаусса)===
{{Определение
|definition=
Непрерывную случайную величину <tex>\xi</tex> называют '''нормальной''' (англ. ''normal deviate'') с параметрами <tex>(a, \sigma)</tex> и пишут <tex>\xi = N (a, \sigma),</tex> если ее плотность вероятности дается формулой
<tex>f(x) = \dfrac {1} {\sigma \sqrt{2\pi}} {\large e^{-\frac {(x - a)^2} {2\sigma^2}}}.</tex>}}

===Равномерное распределение===
{{Определение
|definition=
Непрерывная случайная величина <tex>\xi</tex> называется '''равномерно распределенной''' (англ. ''uniformly distributed random variable'') на <tex>[a, b],</tex> если ее плотность вероятности дается формулой

<tex>
f(x)=
\begin{cases}
\dfrac {1} {b - a}, & \mbox{if } x \in [a, b] \\
0, & \mbox{otherwise.}
\end{cases}</tex>}}

==Симуляция распределений==
Для того, чтобы создать необходимое распределение вероятностей, достаточно иметь последовательность независимых случайных величин типа "честной монеты".

Например, для создания схемы с двумя исходами $A_1$ и $A_2$:
$P(A_1)=\dfrac{3}{4}$ $,$ $P(A_2)=\dfrac{1}{4}$
можно из датчика случайных двоичных величин получить два результата "честной монеты" $\delta_1$ и $\delta_2$ и, например, при $\delta_1 = \delta_2 = 1$ выработать исход $A_2$, а в остальных случаях $A_1$.

Аналогично для схемы с четырьмя исходами
$P(A_1)=\dfrac{3}{16}$ $,$ $P(A_2)=\dfrac{1}{16}$ $,$ $P(A_3)=\dfrac{8}{16}$ $,$ $P(A_4)=\dfrac{4}{16}$
можно получить четыре результата "честной монеты" $\delta_1$ $,$ $\delta_2$ $,$ $\delta_3$ $,$ $\delta_4$ и любым способом сопоставить трём из 16 возможных наборов исход $A_1$, одному $-$ $A_2$, восьми $-$ $A_3$, четырём $-$ $A_4$.

Если же вероятности исходов не кратны $2^{-k}$, можно применить два различных варианта действий.
:#Можно приблизить вероятности двоичными дробями (с любой точностью), далее работать с полученными приближёнными значениями
:#Пусть все вероятности $n_i$ $-$ дроби со знаменателем $r$. Найдём $k$, для которого $r < 2^k$. Предложим схему с $k$ результатами "честной монеты", в которой $r$ наборов используются для выработки случайного исхода, а остальные $2^{k}-r$ наборов объявляются "неудачными" и требуют повторного эксперимента (пока не встретится удачный). Чем выше доля полезных исходов равная $r2^{-k}$, тем схема будет эффективнее.

Количество результатов "честной монеты" $\lambda$, которые необходимы для формирования случайного исхода, $-$ это случайная величина. Её математическое ожидание:

$E\lambda = \dfrac{1}{2}\cdot1+\dfrac{1}{4}\cdot2+\dfrac{1}{8}\cdot3+\dfrac{1}{16}\cdot3+\dfrac{1}{16}\cdot4 = 1\dfrac{7}{8}$

Можно сделать схему более экономной, используя свойство датчика случайных чисел формировать не отдельные результаты "честной монеты", а целые наборы их, например в виде числа, равномерно распределённого в $[0, 1]$. Образуем по данному набору вероятностей $p_i$ накопленные суммы $s_i$: $s_0 = 0; s_i = s_{i-1} + p_i, i > 0$. Случайный исход будет вырабатываться так: по полученному из датчика случайному числу $\gamma$ определяется такой индекс $i$, для которого $s_{i-1} < \gamma \leqslant s_i$. Найденное значение индекса $i$ и определяет исход $A_i$.

Индекс $i$ можно определять непосредственно просмотром $s_i$ подряд. Если $k$ велико, можно применять специальные приёмы ускоренного поиска, например, деление множества индексов примерно пополам.

==Общий случай==
{|class = "wikitable" style="text-align:center;"
| рис. <tex>1</tex> || рис. <tex>2</tex> || рис. <tex>3</tex>
|-
|width = "280px"| [[Файл:Sim pic1.JPG|270px]] ||width = "280px"|[[Файл:Sim pic2.JPG‎|270px]] ||width = "280px"|[[Файл:Sim pic3.JPG‎|270px]]
|}

Допустим у нас есть распределение <tex>p.</tex> Нам нужно получить распределение <tex>q</tex>.

Для начала рассмотрим случай, когда все <tex>p_i = \dfrac{1}{k},</tex> а в распределении <tex>q </tex> количество элементарных исходов равно <tex>2</tex> <tex>(</tex>рис. <tex>1).</tex>

Проводим эксперимент: если попадаем в область пересекающуюся с <tex> q_1 </tex> и <tex> q_2,</tex> то увеличиваем ее и повторяем эксперимент. На рис. <tex>1</tex> красным обозначено распределение <tex> q. </tex> Вероятность того, что на этом шаге эксперимент не закончится {{---}} <tex>\dfrac{1}{k}.</tex> Математическое ожидание количества экспериментов {{---}} <tex> \dfrac{k}{k-1},
max(\dfrac{k}{k-1}) = 2</tex> <tex>(</tex>при <tex>k = 2).</tex>

Теперь рассмотрим случай, когда все элементарные исходы <tex>p_i</tex> по-прежнему равновероятны <tex>(p_i = \dfrac{1}{k}),</tex>а количество элементарных исходов распределения <tex>q</tex> равно <tex>n (\sum\limits_{j=1}^{n}q_j = 1)</tex> <tex>(</tex>рис. <tex>2).</tex> Повторим эксперимент <tex> t </tex> раз.

<tex> k^t \geqslant 2n, t \geqslant \log\limits_{k}2n </tex>

Отрезок разбился на <tex> k^t </tex> отрезков. Стык будет не более, чем в половине отрезков. Математическое ожидание количества экспериментов <tex> \approx 2t </tex>

<tex>p_i, \sum\limits_{i}p_i = 1,</tex> <tex>q_j, \sum\limits_{j}q_j = 1</tex>

Берем <tex>p_i</tex>, и пусть оно максимальной длины <tex>(</tex>рис. <tex>3).</tex> Проводим <tex>t</tex> экспериментов. <tex>{p_i}^t < \dfrac{1}{2n}, </tex> все остальные еще меньше. Суммарная длина отрезков не больше <tex>\dfrac{1}{2}.</tex> Нужно <tex> t \geqslant \log\limits_{p}\dfrac{1}{2n} .</tex>

Таким образом, из любого исходного распределения мы можем получить нужное нам распределение.

==См. также==
*[[Условная вероятность]]
*[[Дискретная случайная величина]]
*[[Дисперсия случайной величины]]

==Источники информации==
*Боровков А.А. Математическая статистика: оценка параметров, проверка гипотез. {{---}} М., Физматлит, 1984, {{---}} стр. 71.
*[http://sheen.me/books/spec/apia.djvu Т. Кормен, Ч. Лейзерсон, Р. Ривест, К. Штайн {{---}} Алгоритмы. Построение и анализ {{---}} М. : ООО "И. Д. Вильямс", 2013. {{---}} 1328 с. {{---}} стр. 1254.]
*Романовский И. В. {{---}} Элементы теории вероятностей и математической статистики (теория и задачи): учебное пособие. {{---}} Омск, издатель ИП Скорнякова Е.В., 2012. {{---}} 189 с. {{---}} стр. 34.

[[Категория:Дискретная математика и алгоритмы]]

[[Категория: Теория вероятности ]]

Файл:РаспределениеUPD.jpeg

2018-03-13T20:06:59Z

NastyaR:

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Симуляция одним распределением другого

Файл:РаспределениеUPD.jpeg