Нормальный закон распределения. Реферат. Философия. 2009-01-12

Закон нормального распределения, так называемый закон Гаусса – один из самых распространенных законов. Это фундаментальный закон в теории вероятностей и в ее применении. Нормальное распределение чаще всего встречается в изучении природных и социально-экономических явлений. Иначе говоря, большинство статистических совокупностей в природе и обществе подчиняется закону нормального распределения. Соответственно можно сказать, что совокупности большого числа крупных по объему выборок подчиняются закону нормального распределения. Те из совокупностей, которые отклоняются от нормального распределения в результате специальных преобразований, могут быть приближены к нормальному. В связи с этим следует помнить, что принципиальная особенность этого закона применительно к другим законам распределения заключается в том, что он является законом границы, к которой приближаются другие законы распределения в определенных (типовых) условиях.

Следует отметить, что термин “нормальное распределение” имеет условный смысл, как общепринятый в математической и статистико-математической литературе термин. Утверждение, что тот или иной признак любого явления подчиняется закону нормального распределения, вовсе не означает незыблемость норм, будто присущих исследуемому явлению, а отнесения последнего ко второму виду закона не означает какую-то анормальнисть данного явления. В этом смысле термин “нормальное распределение” не совсем удачен.

Нормальное распределение (закон Гаусса-Лапласа) является типом непрерывного распределения. Где Муавр (одна тысяча семьсот семьдесят три, Франция) вывел нормальный закон распределения вероятностей. Основные идеи этого открытия были использованы в теории ошибок впервые К. Гауссом (1809, Германия) и А.Лапласом (1812, Франция), которые внесли витчутний теоретический вклад в разработку самого закона. В частности, К. Гаусс в своих разработках исходил из признания наиболее вероятным значением случайной величины-среднюю арифметическую. Общие условия возникновения нормального распределения установил А.М.Ляпунова. Им было доказано, что если исследуемая признак представляет собой результат суммарного воздействия многих факторов, каждый из которых мало связан с большинством остальных, и влияние каждого фактора на конечный результат гораздо перекрывается суммарным воздействием всех остальных факторов, то распределение становится близким к нормальному.

Нормальным называют распределение вероятностей непрерывной случайной величины, имеет плотность:

_ 1 1 (& #) ²

/ (х, х, <т) = – ^ е ^{2 ст2}

где ^х – математическое ожидание или средняя величина. Как видно, нормальное распределение определяется двумя параметрами: ^х и °. Чтобы задать нормальное распределение, достаточно знать математическое ожидание или среднее и среднее квадратическое отклонение. Эти две величины определяют центр группировки и форму

кривой на графике. График функции ^{и (хх, в)} называется нормальной кривой (кривая Гаусса) с параметрами ^х и ^в (рис. 12).

Кривая нормального распределения имеет точки перегиба при X ± 1. Если представить графически, то между X = l и 1 = -1 находится 0,683 части всей площади кривой (т.е. 68,3%). В границах X = 2 и X- 2. находятся 0,954 площади (95,4%), а между X = 3 и X = – 3 – 0,997 части всей площади распределения (99,7%). На рис. 13 проиллюстрирован характер нормального распределения с одно-, двух- и трисигмовою границами.

При нормальном распределении средняя арифметическая, мода и медиана будут равны между собой. Форма нормальной кривой имеет вид одновершинные симметричной кривой, ветки которой асимптотически приближаются к оси абсцисс. Наибольшая ордината кривой соответствует ^х = 0. В этой точке на оси абсцисс размещается численное значение признаков, равное средней арифметической, моде и медиане. По обе стороны от вершины кривой ее ветки приходят, изменяя в определенных точках форму выпуклости на вогнутость. Эти точки симметричные и соответствуют значениям ^{х = ± 1,} то есть величинам признаки, отклонения которых от средней численно равна среднему квадратичному отклонению. Ордината, что соответствует средней арифметической, делит всю площадь между кривой и осью абсцисс пополам. Итак, вероятности появления значений исследуемого признака больших и меньших средней

арифметической будут равны 0,50, то есть ^х, (~ ^ ^{х) = 0,50} В

Рис.12. Кривая нормального распределения (кривая Гаусса)

Форму и положение нормальной кривой обусловливают значение средней и среднего квадратичного отклонения. Математически доказано, что изменение величины среднего (математического ожидания) не изменяет формы нормальной кривой, а приводит лишь к ее смещение вдоль оси абсцисс. Кривая сдвигается вправо, если ~ растет, и влево, если ~ приходит.

Рис.14. Кривые нормального распределения с различными значениями параметра в

Об изменении формы графика нормальной кривой при изменении

среднего квадратичного отклонения можно судить по максимуму

дифференциальной функции нормального распределения, равный 1

. Как видно, при росте величины ° максимальная ордината кривой будет уменьшаться. Следовательно, кривая нормального распределения будет сжиматься к оси абсцисс и принимать более плосковершинных форму.

И, наоборот, при уменьшении параметра ^в нормальная кривая вытягивается в положительном направлении оси ординат, а форма “колокола” становится более гостровершиною (рис. 14). Отметим, что независимо от величины параметров ~ и ^в площадь, ограниченная осью абсцисс и кривой, всегда равен единице (свойство плотности распределения). Это наглядно иллюстрирует график (рис. 13).

Названные выше особенности проявления “нормальности” распределения позволяют выделить ряд общих свойств, которые имеют кривые нормального распределения:

1) любой нормальный кривая достигает точки максимума (х = ^х) приходит непрерывно вправо и влево от него, постепенно приближаясь к оси абсцисс;

2) любой нормальный кривая симметрична по отношению к прямой,

параллельной оси ординат и проходит через точку максимума (х = ^х)

1

максимальная ордината равна ^^^ я;

3) любой нормальный кривая имеет форму “колокола”, имеет выпуклость, которая направлена вверх к точке максимума. В точках ^х ~ ° и ^{х в} она меняет выпуклость, и, чем меньше ^а, тем острее “колокол”, а чем больше ^{а, тем более похилишою становится вершина “колокола” (рис.14).} Изменение математического ожидания (при неизменной величине

^{в) не приводит к модификации формы кривой.}

При ^х = ⁰ и ° = ¹ нормальную кривую называют нормированной кривой или нормальным распределением в каноническом виде.

Нормированная кривая описывается следующей формуле:

Построение нормальной кривой по эмпирическим данным производится по формуле:

пи 1 – “” = — 7 = ^е

где ^и ™ – теоретическая частота каждого интервала (группы) распределения; “- Сумма частот, равную объему совокупности; ‘- шаг интервала;

^же – отношение длины окружности к ее диаметру, которое составляет

3,1416;

е – основание натуральных логарифмов, равна 2,71828;

х – X

Вторая и третья части формулы) _{является} функцией

нормированного отклонения ЦЧ), которую можно рассчитать для любых значений X. Таблицы значений ЦЧ) обычно называют “таблицы ординат нормальной кривой” (приложение 3). При использовании этих функций рабочая формула нормального распределения приобретает простого вида:

а

Пример. Рассмотрим случай построения нормальной кривой на примере данных о распределении 57 работников по уровню дневного заработка (табл. 42). По данным таблицы 42, находим среднюю арифметическую:

~ ₌ ^ ₌ И6 ⁵⁴ ₌

57

Рассчитываем среднее квадратическое отклонение:

Для каждой строки таблицы находим значение нормированного отклонения

^х и ~ ^х | 12 г => – = – ^ 2 = 1.92

а ^6.25 (дд _Я первого интервала и т.д.).

В графе 8 табл. 42 записываем табличное значение функции Ди) из приложения, например, для первого интервала X = 1.92 находим “1,9” против “2” (0.0632).

Для вычисления теоретических частот, то есть ординат кривой нормального распределения, вычисляется множитель:

* = ^ = 36,5 а 6,25

Все найденные табличные значения функции / (г) умножаем на 36,5. Так, для первого интервала получаем 0,0632×36,5 = 2,31 т. Принято немногочисленные

частоты (п ‘<5) объединять (в нашем примере – первые два и последние два интервала).

Если крайние теоретические частоты значительно отличаются от нуля, расхождение между суммами эмпирических и теоретических частот может оказаться значительной.

График распределения эмпирических и теоретических частот (нормальная кривая) по данным рассматриваемого примера показано на рисунке 15.

Рассмотрим пример определения частот нормального распределения для случая, когда в крайних интервалах отсутствует частота (табл. 43). Здесь эмпирическая

. 2

X – нормированное отклонение, ^{(в) а} – среднее квадратическое отклонение.

частота первого интервала равна нулю. Полученная сумма неуточненных частот не равна сумме их эмпирических значений (56 * 57). В этом случае рассчитывается теоретическая частота для умывания полученных значений центра интервала, нормированного отклонения и его функции.

В таблице 43 эти величины обведено прямоугольником. При построении графика нормальной кривой в таких случаях теоретическую кривую продолжают. В рассматриваемом случае нормальная кривая будет продолжена в сторону отрицательных отклонений от средней, поскольку первая не уточнена частота равна 5. Рассчитана теоретическая частота (уточненная) для первого интервала будет равен единице. По сумме уточнены частоты совпадают с эмпирическими

(57 = 57).

Таблица 42

Расчет частот нормального распределения (выравнивание эмпирических частот по нормальному закону)

Таблица 43

Расчет частот нормального распределения (выравнивание эмпирических частот по нормальному закону)

Рис. 15. Эмпирический распределение (1) и нормальная кривая (2)

Кривую нормального распределения по исследуемой совокупности можно построить и другим способом (в отличие, от рассмотренного выше). Так, если необходимо иметь приближенную представление о соответствии фактического распределения нормальному, вычисления осуществляют следующим последовательности. Определяют максимальную ординату, которая соответствует среднему размеру признаки), затем, вычислив среднее квадратическое отклонение, рассчитывают координаты точек кривой нормального распределения по схеме, изложенной в таблицах 42 и 43. Так, по исходным и расчетным данным таблицы 43 должны среднюю ~ = ²⁶ Эта величина средней совпадает с центром четвертого интервала (25-27). Итак, частота этого интервала “20” может быть принята (при построении графика) максимальной ординату). Имея исчисленную дисперсию ^{(в = 2,41} см. Табл. 43), рассчитываем значения координат всех необходимых точек кривой нормального распределения (табл. 44, 45). По полученным координатам чертим нормальную кривую (рис. 16), приняв максимальной ординату частоту четвертого интервала.

Согласованность эмпирического распределения с нормальным может быть установлена также путем упрощенных расчетов. Так, если отношение показателя степени асимметрии (^) к своей середнеквадраты-ческой ошибки ^{ш а} “или отношение показателя эксцесса (Е ^{х) к своей среднеквадратического ошибки т &} превышает по абсолютной величине число« 3 », делается вывод о несоответствии эмпирического распределения характера нормального распределения (то есть,

А ц Е х

если ™^{А> 3 или ш е} ‘> 3).

Есть и другие, нетрудоемкие приемы установления “нормальности” распределения: а) сравнение средней арифметической с модой и медианой; б) использование цифр Вестергард; в) применение графического образа с помощью полулогарифмическая сетки Турбина; г) вычисление специальных критериев согласования и др.

Таблица 44

Координаты 7 точек кривой нормального распределения

Таблица 45

Вычисление координат точек кривой нормального распределения

Рис .16. Кривая нормального распределения, построенная по семи точках

На практике при исследовании совокупности на предмет согласования ее распределения с нормальным часто пользуются “правилом ^3сг”.

Математически доказано вероятность того, что отклонение от средней по абсолютной величине будет меньше тройного среднего квадратичного отклонения, равно 0,9973, то есть, вероятность того, что абсолютная величина отклонения превышает тройное среднее квадратическое отклонение, равна 0,0027 или очень мала. Исходя из принципа невозможности маловероятных событий, можно считать практически невозможным “случай превышения” ³ ст. Если случайная величина распределена нормально, то абсолютная величина ее отклонения от математического ожидания (средней) не превышает тройного среднего квадратичного отклонения.

В практических расчетах действуют таким образом. Если при неизвестном характере распределения исследуемой случайной величины рассчитанное значение отклонения от средней окажется меньше значения 3 ^{СТ, то есть основания полагать, что исследуемая признак распределена нормально.} Если же указанный параметр превысит числовое значение 3 ^{СТ, можно считать, что распределение исследуемой величины не согласуется с нормальным распределением.}

Вычисления теоретических частот для исследуемого эмпирического ряда распределения принято называть выравниванием эмпирических кривых по нормальному (или любом другом) закона распределения. Этот процесс имеет важное как теоретическое, так практическое значение. Выравнивание эмпирических данных раскрывает закономерность в их распределении, которая может быть завуалирована случайной формой своего проявления. Установленную таким образом закономерность можно использовать для решения ряда практических задач.

С распределением, близким к нормальному, исследователь встречается в различных сферах науки и областях практической деятельности человека. В экономике такого рода распределения встречаются реже, чем, скажем, в технике или биологии. Обусловлено это самой природой социально-экономических явлений, которые характеризуются большой сложностью взаимосвязанных и взаимосвязанных факторов, а также наличием ряда условий, ограничивающих свободную “игру” случаев. Но экономист должен обращаться к нормальному распределению, анализируя строение эмпирических распределений, как к некоторому эталону. Такое сравнение позволяет выяснить характер тех внутренних условий, которые определяют данную фигуру распределения.

Проникновение сферы статистических исследований в область социально-экономических явлений позволило раскрыть существование большого количества различного типа кривых распределения. Однако не надо считать, что теоретическая концепция кривой нормального распределения вообще мало пригодна в статистико-математическом анализе такого типа явлений. Она может быть не всегда приемлема в анализе конкретного статистического распределения, но в области теории и практики выборочного метода исследования имеет первостепенное значение.

Назовем основные аспекты применения нормального распределения в статистико-математическом анализе.

1. Для определения вероятности конкретного значения признака. Это необходимо при проверке гипотез о соответствии того или иного эмпирического распределения нормальному.

2. При оценке ряда параметров, например, средних, методом максимального правдоподобия. Суть его заключается в определении такого закона, которому подчиняется совокупность. Определяется и оценка, которая дает максимальные значения. Лучшее приближение к параметрам генеральной совокупности дает отношение:

₁

у = – ₂ = ^{е 2}

3. Для определения вероятности выборочных средних относительно генеральных средних.

4. При определении доверительного интервала, в котором находится приближенное значение характеристик генеральной совокупности.