Симуляция одним распределением другого

<wikitex>

Распределение

Геометрическое распределение с p = 3/4

Распределение — одно из основных понятий теории вероятностей и математической статистике. Распределение вероятностей какой-либо случайной величины задается в простейшем случае указанием возможных значений этой величины и соответствующих им вероятностей, в более сложных — т. н. функцией распределения или плотностью вероятности.

Примеры распределений

• Биномиальное распределение
• Нормальное распределение
• Равномерное распределение

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 $A_2$:

$P(A_1)=\frac{3}{4}$ $,$ $P(A_2)=\frac{1}{4}$

можно из датчика случайных двоичных разрядов получить два двоичных разряда $\delta_1$ 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

$P(A_1)=\frac{3}{16}$ $,$ $P(A_2)=\frac{1}{16}$ $,$ $P(A_3)=\frac{8}{16}$ $,$ $P(A_4)=\frac{4}{16}$

можно получить четыре двоичных разряда $\delta_1$ $,$ $\delta_2$ $,$ $\delta_3$ $,$ $\delta_4$ 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.

1. Можно приблизить вероятности двоичными дробями (с любой точностью), далее работать с полученными приближёнными значениями
2. Пусть все вероятности $n_i$ $-$ дроби со знаменателем $r$. Найдём $k$, для которого $r < 2^k$. Предложим схему с $k$ двоичными разрядами, в которой $r$ наборов объявляются "неудачными" и требуют повторного эксперимента (пока не встретится удачный). Чем выше доля полезных исходов равная $r2^{-k}$, тем схема будет эффективнее.

Количество случайных двоичных разрядов $\lambda$, которые необходимы для формирования случайного исхода, $-$ это случайная величина. Её математическое ожидание:

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

Можно сделать схему более экономной, используя свойство датчиков случайных чисел формировать не отдельные двоичные разряды, 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 $s_{i-1} < \gamma \le s_i$. 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.

Самую эффективную схему предложил в 1977 г. А. Уолкер.

Схема Уолкера

Если бы все исходы имели одинаковые вероятности, моделировать такое распределение было бы очень просто. В такой ситуации достаточно разделить отрезок $[0, 1]$ на $k$ одинаковых частей, соответствующих этим исходам,одинаковых частей, соответствующих этим исходам, и определить, в какую часть отрезка попало значение случайного датчика $x$. А это выясняется очень просто: нужно взять целую часть произведения $k \cdot x$. Так что при исходах 0, 1, 2, 3 значению $x = 0.333$ соответствует исход 1, поскольку $4x = 1.332$. </wikitex>

См. также

• Условная вероятность
• Дискретная случайная величина
• Дисперсия случайной величины

Литература

• Боровков А.А. Математическая статистика: оценка параметров, проверка гипотез. - М., Физматлит, 1984.
• Т. Кормен, Ч. Лейзерсон, Р. Ривест, К. Штайн - Алгоритмы. Построение и анализ 1244c.
• Романовский И.В. Дискретный анализ