Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

МАРТ_Часть2_Главы1_3

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
21.03.2026
Размер:
1.86 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

pi F xi F xi 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где x0

x1

... xm – разбиение интервала , , о котором шла

речь выше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После этого вычисляется статистика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

2

 

 

 

n

np 2

 

 

 

i

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

m

 

n

i

 

 

 

 

 

2

i

i

n

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

npi

i 1

 

 

 

pi

 

что при n ni

называемая статистикой Пирсона, который доказал,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

записанная статистика имеет распределение 2

 

с m 1 степенью свободы и,

что очень важно, не зависит от вида теоретического распределения F x .

Пользуясь таблицами или соответствующими программными пакетами, можно проверить гипотезу о соответствии эмпирического и теоретического распределений [4].

 

Очевидно, что 2

m n

2

1

 

 

 

n

i

pi

 

есть евклидово

расстояние

 

 

 

 

 

n

 

p

 

 

 

 

i 1

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

a

x, y между вектором

x , компонентами которого являются эмпирические

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

частоты ni n попадания наблюдаемых величин в i и вектором y

, компонен-

ты которого – теоретические вероятности pi

попадания наблюдений в i .

 

Компонентами весового вектора

 

 

 

 

 

а являются величины обратные веро-

ятностям pi . При практическом использовании критерия согласия χ2 Пирсона для простой гипотезы – так называется рассмотренная задача, надо добиваться за счет n и выбора числа карманов m, чтобы для всех pi выполнялось

бы условие n pi 10 .

 

Распределение

Стьюдента (t-распределение). Рассмотрим СВ

 

 

 

 

 

 

 

n , где и

– независимые СВ, причем имеет стандартное нор-

мальное распределение M 0

D 1 , а – 2 -распределение с n степе-

нями свободы. Тогда ПВ случайной величины имеет вид

 

n 1 2

 

x2 n 1 2

, x ,

W (x)

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n n 2

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

иназывается распределением Стьюдента с n степенями свободы. При n = 1

-51 -

распределение Стьюдента переходит в уже знакомое нам распределение Коши. Распределение Стьюдента распространяется и на случай нецелых значений n = > 0.

Моменты

 

распределения

Стьюдента равны

M 2k 1 0 и

M 2k

k 2 k k 1 2

при

2k . Вспомним,

что распределение

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Коши моментов не имеет.

Распределение Стьюдента используется для решения вопроса: значимо ли отличие выборочного среднего х от математического ожидания M генеральной совокупности, из которой предположительно взята выборка или наблюдаемое различие является случайным?

 

 

F-распределение (распределение Фишера–Снедекора). Если 1

 

и

 

2

– независимые СВ, имеющие

2 -распределение соответственно с n и

n

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

степенями свободы,

то

случайная

величина

1

n1

 

имеет

F-распре-

2

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

деление с n1, n2 степенями свободы, ПВ которого имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

n n

2 nn1 2nn2

2

 

(n 2) 1

 

 

n

n

 

2

 

 

 

 

 

 

1

2

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

1

 

 

n2 n1х

1

 

2

 

, x 0;

 

 

 

 

n1 2 n2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, х 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Математическое ожидание M

 

n2

 

, n2

2 , а дисперсия

 

 

 

 

n2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

2n2

n

n

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

2

 

 

, n2 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n

2 2 n 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распределение Фишера используется при проверке гипотезы о равенстве дисперсий двух нормальных выборок объемом n1 и n2 .

Логарифмически нормальное (логнормальное) распределение. Слу-

чайная величина имеет логарифмически нормальное распределение с пара-

метрами а, 2 если её ПВ имеет вид

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

exp

ln x a

 

при x 0

 

 

 

 

 

W ( x) х 2

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при х 0.

 

 

 

0

 

 

 

Логнормальное распределение получается как ПВ случайной величины

- 52 -

e , где – нормальная СВ с математическим ожиданием а и дисперсией 2 . Решая задачу о функциональном преобразовании СВ с учетом того

что ln и

d

 

1

, получим для логнормальное распределение. Условие

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (х) 0

при

х 0

связано с положительностью функции е для всех .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

равны M k exp k 2 2 / 2 ka ,

Моменты

логнормального распределения

откуда можно найти

среднее

значение

m exp 2

2 a , дисперсию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

D e 2 2a e 2

1

, асимметрию

1

 

e 2

2 e 2

1 и коэффициент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эксцесса e4 2 2e3 2 3e2 2

6 . Заметим,

что СВ и её моменты явля-

ются безразмерными величинами e .

 

 

 

 

 

 

Логнормальное распределение дает частный случай решения следующей задачи. Пусть f , где – нормальная СВ с математическим ожи-

данием а и дисперсией 2 , а

f

– монотонная дифференцируемая функция.

Решая задачу функционального преобразования СВ, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

(x) a 2

 

 

W (x)

1

 

 

e

2

2

 

d (x)

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где (х) – функция обратная f(x) (результат

решения уравнения f от-

носительно ). Это распределение называется распределением Кептейна.

Распределение Релея Райса. Рассмотрим задачу о распределении мо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, ПВ которого

дуля и аргумента нормального случайного вектора 1, 2

имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x a

2 x

2

a

2

2

 

 

1

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

W ( x1, x2 )

2 2

e

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т. е. компоненты вектора 1 и 2 независимы, имеют одинаковую дисперсию

2 и математическое ожидание а1 и а2 соответственно.

Модуль вектора 12 22 , а для аргумента справедливо выражение tg 2 1 . Решая задачу перехода от СВ 1 и 2 к и с учетом полученных выше результатов J , получим

- 53 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos a 2 sin a

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

W ( , )

 

e

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или после несложных преобразований

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А2 2 2 A cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W ( , )

 

e

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где A a2

a2 – модуль вектора, компонентами которого являются мате-

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

матические ожидания СВ 1

и 2 ,

 

arctg а2

а1 – аргумент этого векто-

ра. Для определения ПВ необходимо проинтегрировать W ( , ) по всем

значениям , т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

А2

2 2 A cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W ( ) 0

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 А2

 

 

 

 

 

2

A

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

2 2

 

 

 

 

e 2

d .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как подынтегральное выражение зависит только от

 

 

и интегри-

 

cos

 

рование ведется по периоду, то интеграл не зависит от и с учетом интегрального представления модифицированной функции Бесселя нулевого по-

 

 

(х)

1

2

ex cos d , получим окончательно

рядка I

 

 

0

 

 

 

2 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 А2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

2 2

 

 

, 0.

 

 

 

 

 

W ( )

2

 

 

I0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 ,

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это и есть распределение Рэлея–Райса. При а1 = а2 = 0 и, следовательно, А = 0, I0 (0) 1 и распределение Рэлея–Райса переходит в распределение Релея

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

e 2

, 0;

W ( )

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

0.

 

 

0 ,

 

 

 

- 54 -

 

 

 

Функция распределения

 

 

 

 

 

t 2

А2

 

 

 

 

 

 

t

 

2

2

 

 

At

 

 

 

 

 

 

F ( )

e

 

 

I

 

 

dt

 

 

 

0

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

после замены переменной t x и введения параметра h A выражается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

t 2

v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I0 vt dt сле-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

через табулированную Q-функцию Маркума Q(u, v) te

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

дующим образом F( ) Q , h .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотность вероятности Рэлея–Райса при переходе к безразмерной пе-

ременной х примет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

h

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hx , х 0,

 

 

 

 

W x хe

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

I

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 , х 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подумайте, куда делся множитель 1 ?

 

 

 

 

 

При h 1, воспользовавшись асимптотическим представлением мо-

дифицированной функции Бесселя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I0 t

 

 

 

 

et

 

 

 

 

, t 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 t

 

 

 

 

 

 

 

после несложных преобразований, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

x

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e x h

2 , x 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (x)

h

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, при h 1 распределение Релея–Райса с точностью до по-

 

 

 

 

 

 

правочного множителя

x h , который при h 1 мало отличается от едини-

цы в той области, где

располагается кривая нормального распределения

1

2

 

 

 

 

 

 

e x h

2 , может быть аппроксимировано указанным выше нормаль-

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

ным распределением. При возвращении к переменной гауссовское распре-

деление будет иметь среднее значение А и дисперсию 2 . В качестве упражнения предлагаем читателю убедиться в том, что множитель xh действи-

- 55 -

тельно мало отличается от единицы в области основных значений функции

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e x h

 

2 *.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моменты распределения Рэлея–Райса mk

выражаются через вырож-

денную гипергеометрическую функцию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

2 А2

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2 2

 

A

 

 

 

k

 

k

 

 

 

A

 

 

mk

 

 

 

 

2

2

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

e

 

 

I0

 

2

dt

 

 

 

1 , F1

 

2

, 1;

 

2

2

.

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Четные моменты k 2n ,

с учетом свойств вырожденной гипергеомет-

рической функции (см. ч. I, гл. 6) являются полиномами от

A2

 

и имеют вид

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m 2 2 A2 ,

m 8 4

8 2 A2 A4

, m 48 6 72 4 A2 18 2 A2 A6 , … .

2

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для нечетных k вырожденная гипергеометрическая функция может быть представлена с помощью экспоненциальных и модифицированных бесселевых функций, и мы получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

h2

 

 

h2

 

 

h2

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

e

 

4

1

 

 

 

 

 

 

I

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

1

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

h2

 

 

 

 

h2

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

3

3 3

 

 

 

 

e

4

1

 

 

 

 

 

I

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

1

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

 

2

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А 0, a b 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При h 0

как

 

уже

 

отмечалось,

распределение Рэлея–

Райса переходит в распределение Рэлея, а приведенные формулы опреде-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 ,

 

 

 

3 3

 

 

ляют соответствующие

моменты:

 

m

 

2 ,

m

m

3

2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m 8 4

, и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пользуясь связью между центральными и начальными моментами,

можно определить дисперсию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

2

 

 

 

h2

 

 

h2

 

 

h2

 

h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

h2

 

e

2

 

1

 

 

 

I

0

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

4

 

 

2

1

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для распределения Рэлея–Райса и D 2 2 2 для распределения Рэлея.

* Воспользоваться правилом «трех сигма».

- 56 -

Вкачестве упражнения предлагаем исследовать зависимость асимметрии и коэффициента эксцесса распределения Рэлея–Райса от параметра h.

Втеории надежности для описания времени безотказной работы используется распределение Вейбулла–Гнеденко, ПВ которого имеет вид

 

1e x

 

0

x

, x

W ( x)

 

 

 

 

0, , 0.

 

0, х

 

Моменты mk M

k

 

 

 

 

 

 

 

k

k 1 . С их помощью мож-

 

равны mk

 

 

но найти дисперсию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

2

 

 

2

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

D m

2

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для описания модели замираний сигнала в канале часто используют

распределение Накагами (m – распределение) с ПВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

m

x2m 1e

 

 

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

x 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ

 

Γ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m σ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

при х 0, m 1 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моменты

распределения

 

 

Накагами

 

mk

 

m k 2

2

k 2

, а дис-

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

персия D 2

 

2

2 m 1 2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

2 m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заканчивая разговор об одномерных ПВ, отметим, что большинство из рассмотренных распределений является частным случаем распределения Пирсона, ПВ которого удовлетворяет дифференциальному уравнению вида

dW (x)

 

a1x a0

,

dx

b0 b1x b2 x2

где a0 , a1 и b0 , b1, b2 – параметры распределения.

В зависимости от значений этих параметров в качестве решения уравнения получаются 11 типов кривых, описывающих важнейшие ПВ (нормаль-

ное распределение, гамма-, бета-, 2 -распределения, распределение Стьюдента и др.) Более подробно с распределениями пирсоновского типа можно познакомиться с помощью [5].

- 57 -

3.6. Многомерные распределения

3.6.1. Полиномиальное распределение

Полиномиальное распределение является многомерным аналогом биномиального распределения, когда исходом случайного эксперимента могут быть не два (как в биномиальном законе), а k исходов с вероятностями

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p1, p2 , ...,

pk , pi 1.

При проведении N независимых испытаний нас

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

интересует

вероятность

того, что i-й исход имел

место ровно

ki

раз,

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ki N .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, полиномиальное распределение дает вероятность того,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что целочисленные компоненты вектора

1, 2, ... k

будут равны од-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ноименным компонентам вектора m m1, m2, ... mk , а именно

 

 

 

 

 

 

 

 

P 1 m1, 2

m2 , ... k mk

N! pm1 pm2 ...pmk

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

k

 

.

 

 

 

 

 

 

 

m1!m2!... mk !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При k = 2 это распределение естественно переходит в биномиальное.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pk .

 

 

Математическое ожидание вектора

равно Mm Np N p1, p2

, ...

 

 

Ковариация СВ i и j , i j равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cov i , j M i - M i j - M j Npi p j ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D i Npi (1 pi ) . Следовательно,

а дисперсия i компоненты вектора

 

 

 

COV i , j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

=

 

 

pi p j

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 pi 1 p j

 

 

 

 

 

 

 

i

j

 

 

D i D i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.6.2. Многомерное нормальное распределение

Случайный вектор 1, 2 ,... k т имеет нормальное распределение, т. е. является нормальным случайным вектором, если его ХФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

V

 

v , v

2

,...v

n

 

имеет вид

 

V

exp jV

тa

 

 

V

т KV

, где

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a , a

 

,... a

 

 

т – вектор средних значений, K – неотрицательно опреде-

a

2

n

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 58 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ленная симметрическая ( n n)-матрица, т – как и раньше, знак транспонирования. Если det K 0 , то распределение называется невырожденным. Для

невырожденного распределения матрицу K 1 называют матрицей точности.

Элементами матрицы K, называемой ковариационной или, чаще, корреляци-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

онной, являются ковариации соответствующих компонент вектора

, т. е.

K Kij , где Kij M i M i j M j .

 

 

 

 

 

 

 

 

Многомерное нормальное распределение, отвечающее введенной ХФ

имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

W x

W

x , x

, , x

 

 

 

 

exp

 

 

 

x

a т K

1 x a .

 

 

 

 

 

 

1 2

n

 

 

2 n det K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Отметим важнейшие свойства многомерного нормального распределения.

1. Если компоненты вектора 1, 2 ,... k т не коррелированы, т. е. Kij COV i , j 0 , i j , то корреляционная матрица К будет диагональ-

 

 

 

2

 

0

 

 

... 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ной

 

0

 

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и det K i . Также диагональной будет и об-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ратная матрица, и многомерное нормальное распределение примет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

(x ...x

 

)

 

 

exp

xi

ai

 

W

 

 

(x ) .

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

i 1

 

2 2

 

 

2

 

 

 

 

i

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 i

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, некоррелированность нормальных СВ влечет их неза-

висимость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Если

нас

 

интересует

совместное распределение

части компонент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 , ...,

n , например вектора

нормального

случайного

вектора

1,

 

 

,

 

 

, ...,

 

 

,

k n ,

 

 

 

 

 

 

 

W

x ,

 

 

, , x

 

 

по исключае-

 

k

 

2

k

то,

интегрируя

x

2

n

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

мым компонентам xk 1, ..., xn ,

получим снова многомерное нормальное рас-

пределение с вектором средних значений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak a1, a2, ..., ak и корреляцион-

ной матрицей Kk

 

Kij ,

i, j 1, 2, ..., k .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Линейное преобразование нормального случайного вектора. Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вектор связан с вектором

линейным преобразованием (получен с помо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 59 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

щью линейного оператора). В ч. I, гл. 5 было показано, что в Rn или C n дей-

ствие любого линейного оператора сводится к умножению исходного векто-

 

 

 

 

ра на матрицу оператора, т. е. С .

 

В результате этой операции мы получим нормальный случайный вектор

с

корреляционной

матрицей

K СK С т и вектором средних значений

 

 

 

 

b

Сa , где K и

a – корреляционная матрица и вектор средних значений

 

 

 

 

исходного случайного нормального вектора .

 

Важным и очень полезным свойством нормального n-мерного вектора

является возможность выразить смешанный корреляционный момент вида

n

 

 

 

 

 

 

 

 

M

i M i

через ковариацию компонент вектора:

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

 

 

m

2m 1

 

 

 

 

 

 

 

cov j , k ; M i M i 0 .

M

i M i

 

 

 

 

 

 

все пары j k

i 1

 

 

i 1

 

 

 

Число пар равно числу различных способов выбора пар из 2m различных

элементов и, как известно из комбинаторики, равно 2m!

2m m! .

 

 

Например, для m = 2 имеется 4 !

222

3 три способа разделения про-

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

изведения

M i

m i 0 на произведение ковариаций, т. е.

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

m

 

cov ,

 

cov

 

,

 

cov

 

,

 

cov ,

 

 

 

i

 

2

3

4

2

3

4

 

 

 

i

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cov 1, 3 cov 2, 4 .

Спомощью этой формулы можно найти ковариацию для квадратов нормаль-

ных СВ, положив 1 2 и 3 4 .

Тогда cov 2 , 2 D D 2 cov2 , .

В ряде задач теории вероятностей и математической статистики приходится встречаться с многомерными аналогами рассмотренных выше одномерных распределений. Это распределение Дирихле, обобщающее бета-рас- пределение, многомерное распределение Стьюдента и многомерный аналог

2 -распределения – распределение Уишарта. С указанными распределениями можно познакомиться с помощью [5].

- 60 -

Соседние файлы в предмете Математический аппарат радиотехники