Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ f (x) = √ 1 2πσ 2 2 1 (x−µ) σ2 ·e− 2 ( ) Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Gauß Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 91 / 169 Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Satz: f aus (1) ist Dichte. Beweis: 1. f (x) ≥ 0 ∀x ∈ R und σ > 0. 2. bleibt z.z. Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung lim F(x) = x→∞ Z∞ f (t) dt = −∞ Z∞ √ 1 t−µ 2 1 e− 2 ( σ ) dt = 1. 2πσ −∞ DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Wir bezeichnen Z∞ √ 1 x−µ 2 1 e− 2 ( σ ) dx =: I. 2πσ −∞ Varianz Normalverteilung (2) 92 / 169 Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen ¨ Wir betrachten zunachst: 2 +∞ Z 2 1 x−µ 1 e− 2 ( σ ) dx I2 = √ 2πσ −∞ +∞ +∞ Z Z 2 2 1 x−µ 1 y−µ 1 = e− 2 ( σ ) dx e− 2 ( σ ) dy 2 2πσ −∞ −∞ +∞ +∞ Z Z 2 2 1 − 12 ( x−µ − 1 y−µ σ ) dx e 2 ( σ ) dy e = 2πσ 2 −∞ Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) = 1 2πσ 2 −∞ Z+∞ Z+∞ e− 2 ( −∞ −∞ 1 x−µ 2 σ 2 ) e− 12 ( y−µ σ ) dx dy 93 / 169 Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung Substitution: s := ¨ W. Kossler Einleitung Syntax Transformationen Externes File t := dx = σ ds Datenbehandlung Tastatur x−µ σ y−µ . σ dy = σ dt. Wir erhalten damit: Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung I 2 1 = 2πσ 2 Z∞ Z∞ 1 2 1 2 e− 2 s e− 2 t σ 2 ds dt −∞ −∞ Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert = 1 2π Z∞ Z∞ 1 2 2 e− 2 (s +t ) ds dt −∞ −∞ Varianz Normalverteilung (2) 94 / 169 Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung Weitere Substitution (Polarkoordinaten): s = r cos ϕ ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) t = r sin ϕ. Dann gilt allgemein nach der Substitutionsregel: Z Z Z Z g(s, t) ds dt = g(r, ϕ) det J dr dϕ, wobei hier: ∂s ∂s ∂ϕ det J = |J| = ∂r ∂t ∂t ∂r ∂ϕ cos ϕ −r sin ϕ = sin ϕ r cos ϕ = r cos2 ϕ + r sin2 ϕ = r(cos2 ϕ + sin2 ϕ) = r 95 / 169 Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung I 2 1 = 2π Z2π Z∞ 1 2π Z2π Z∞ 0 Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung = SAS-Files 0 Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) cos2 ϕ+r 2 sin2 ϕ) r dr dϕ 0 1 2 e− 2 r r dr dϕ 0 0 Diskrete Zufallsvariablen Normalverteilung (1) 2 Z2π h 2 i∞ 1 − r2 −e dϕ = 2π 0 Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen 1 e− 2 (r 1 = 2π Z2π 0 dϕ = 1 2π = 1 2π 96 / 169 Normalverteilung Standard-Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler µ = 0, σ2 = 1 Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen 1 2 ϕ(x) = √ · e−x /2 Dichte 2π Z x 1 2 e−t /2 dt Verteilungsfunktion Φ(x) = √ 2π −∞ ϕ(x), Φ(x) sind tabelliert. Es geht auch einfacher mit CDF und PDF. Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 97 / 169 Dichte der Standardnormalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung ϕ(x) = ϕ(−x) Φ(x) = 1 − Φ(−x) Programm: Descr_normal.sas DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 99 / 169 Dichte der Standardnormalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax ϕ(x) = ϕ(−x) Φ(x) = 1 − Φ(−x) Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung Programm: Descr_normal.sas DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Frage: Fur ¨ welches x gilt: Φ(x) = α? x = Φ−1 (α) α-Quantil. Φ−1 (α) als Funktion: Quantilfunktion Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) SAS: QUANTILE(’normal’,α,0,1) 99 / 169 Normalverteilung Beziehung zur Standard-Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Sei X ∼ N(0, 1). Dann P(a < X < b) = Φ(b) − Φ(a). Satz. Es gilt: Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen X ∼ N(0, 1) ⇐⇒ σX + µ ∼ N(µ, σ 2 ) X ∼ N(µ, σ 2 ) ⇐⇒ αX + β ∼ N(αµ + β, α2 σ 2 ) X−µ X ∼ N(µ, σ 2 ) ⇐⇒ ∼ N(0, 1) σ Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 100 / 169 Normalverteilung Beziehung zur Standard-Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Sei X ∼ N(0, 1). Dann P(a < X < b) = Φ(b) − Φ(a). Satz. Es gilt: Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) X ∼ N(0, 1) ⇐⇒ σX + µ ∼ N(µ, σ 2 ) X ∼ N(µ, σ 2 ) ⇐⇒ αX + β ∼ N(αµ + β, α2 σ 2 ) X−µ X ∼ N(µ, σ 2 ) ⇐⇒ ∼ N(0, 1) σ Beweis: Wir zeigen nur 1. (→). Sei X ∼ N(0, 1). x−µ x−µ P(σX + µ ≤ x) = P(X ≤ ) = Φ( )= σ σ Z x Z x−µ σ 1 1 2 2 2 √ e−t /2 dt = √ e−(u−µ) /(2σ ) du = 2π 2πσ 2 −∞ −∞ 100 / 169 Normalverteilung Unterschiedliche Parameter (1) Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Vergleichen Sie Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen a) σ 2 fest, µ verschieden b) µ fest, σ 2 verschieden Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Descr_Normal_1.sas Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 102 / 169 Normalverteilung Unterschiedliche Parameter (1) Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) Satz: Seien X1 ∼ N(µ, σ12 ), X2 ∼ N(µ, σ22 ), σ12 < σ22 und a > 0. Dann gilt: P(µ − a < X1 < µ + a) > P(µ − a < X2 < µ + a). Beweis: −a X1 − µ a < < ) σ1 σ1 σ1 a a = Φ( ) − Φ(− ) σ1 σ1 a a > Φ( ) − Φ(− ) σ2 σ2 = P(µ − a < X2 < µ + a). P(µ − a < X1 < µ + a) = P( 103 / 169 Normalverteilung Beispiel: X1 ∼ N(10, 4), X2 ∼ N(10, 9), a = 1. Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 11 − 10 9 − 10 ) − Φ( ) 2 2 1 1 = Φ( ) − Φ(− ) 2 2 1 = 2 · Φ( ) − 1 2 = 2 · 0.6915 − 1 = 0.383. P(9 < X1 < 11) = Φ( 11 − 10 9 − 10 ) − Φ( ) 3 3 1 1 = Φ( ) − Φ(− ) 3 3 1 = 2 · Φ( ) − 1 3 = 2 · 0.6306 − 1 = 0.26112. P(9 < X2 < 11) = Φ( 105 / 169 Wahrscheinlichkeitsverteilungen Zusammenfassung (1) Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Diskrete Verteilungen Binomial X ∼ B(n, p) X : Anzahl von “Erfolgen”, n Versuche, Erfolgswkt. p. Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Poisson X ∼ Poi(λ) X : Anzahl von “Erfolgen”, n Versuche, Erfolgswkt. p, n groß und p klein, n · p = λ. X : # Ankunfte ¨ in einem Zeitintervall. Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Geometrisch, X ∼ Geo(p) X :: Zahl der Versuche bis zum ersten “Erfolg”. Varianz Normalverteilung (2) 106 / 169 Wahrscheinlichkeitsverteilungen Zusammenfassung (2) Werkzeuge der empirischen Forschung Stetige Verteilungen ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Gleichverteilung X ∼ R(a, b) Zufallszahlen Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Exponential X ∼ Exp(λ) ¨ “gedachtnislose” stetige Verteilung. Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normal X ∼ N(µ, σ 2 ) Zentraler Grenzwertsatz Fehlergesetz (viele kleine unabh. Fehler) Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 107 / 169 Erwartungswert Einleitende Motivation Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Eine Munze ¨ wird 3 mal geworfen. ¨ Wie oft konnen wir erwarten, daß Blatt oben liegt? Wie oft wird im Mittel Blatt oben liegen? 0 1 2 3 X: 1/8 3/8 3/8 1/8 Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Erwartungswert: 0 · 18 + 1 · 38 + 2 · 38 + 3 · 18 = 128 = 1.5 D.h. bei 10maliger Durchfuhrung ¨ des Experiments ¨ konnen wir im Mittel mit 15mal Blatt rechnen! Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 108 / 169 Erwartungswert Diskrete Zufallsvariable Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Sei X diskrete Zufallsvariable x1 ... xn ... X: p1 ... pn ... Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population EX = ∞ X pi xi i=1 heißt Erwartungswert von X. Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 109 / 169 Erwartungswert X ∼ Poisson(λ) Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler X: 0 1 2 3 ... p0 p1 p2 p3 ... pi = λi −λ e i! Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur EX = Externes File Input-Anweisung Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) pi i i=0 Transformationen SAS-Files ∞ X = ∞ X λi i! i=0 ∞ X = λ |i=1 e−λ · i λi−1 −λ e = λ. (i − 1)! {z } eλ z.B. mittlere Ankunftsrate. 110 / 169 Erwartungswert X ∼ Bi(n, p) Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) n X n k p · (1 − p)n−k k EX = k k=0 n X n! pk−1 (1 − p)n−k (k − 1)!(n − k)! k=1 n X n − 1 k−1 p (1 − p)n−k = p·n k − 1 k=1 n−1 X n−1 i p (1 − p)n−1−i , = p·n k =i+1 i i=0 = n · p. = p 111 / 169 Erwartungswert Stetige Verteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung Syntax ¨ Sei X stetig mit Dichte f . Die Große Z∞ EX = x · f (x)dx −∞ Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung heißt Erwartungswert von X. SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) X ∼ Exp(λ), λ>0 Z∞ x 1 EX = x · · e− λ dx = λ λ 0 Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 112 / 169 Erwartungswert Normalverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung X ∼ N(µ, σ 2 ) ¨ W. Kossler Einleitung Datenbehandlung EX = Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung Z∞ = −∞ Z∞ x√ x−µ 2 1 e−( σ ) /2 dx 2π · σ 1 −t2 (σt + µ) √ e 2 dt 2π −∞ DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen 1 = µ+ √ 2π Z∞ σ·t·e −t2 2 dt −∞ = µ. Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) x−µ σ = t, dx = σdt 113 / 169 Erwartungswert Gleichverteilung Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler Einleitung X ∼ R(a, b), gleichverteilt auf dem Intervall (a,b) Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ 1 EX = b−a Output-Anweisung 2 DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen = Zb a 2 b 1 x2 xdx = b−a 2 a b −a a+b = . 2(b − a) 2 Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 114 / 169 Erwartungswert Eigenschaften des Erwartungswertes Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler E ist Linearer Operator E(aX + bY) = aEX + bEY. Einleitung Datenbehandlung Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 115 / 169 Erwartungswert Eigenschaften des Erwartungswertes Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler E ist Linearer Operator E(aX + bY) = aEX + bEY. Einleitung Datenbehandlung ¨ Seien X und Y stochastisch unabhangig. Dann Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung E(X · Y) = EX · EY. SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) 115 / 169 Erwartungswert Eigenschaften des Erwartungswertes Werkzeuge der empirischen Forschung ¨ W. Kossler E ist Linearer Operator E(aX + bY) = aEX + bEY. Einleitung Datenbehandlung ¨ Seien X und Y stochastisch unabhangig. Dann Syntax Tastatur Transformationen Externes File Input-Anweisung SAS-Files Zusamenfugen ¨ Output-Anweisung DO-Schleifen Wkt.rechnung Population Wahrscheinlichkeit Zufallsvariablen Diskrete Zufallsvariablen Stetige Zufallsvariablen Normalverteilung (1) Erwartungswert Varianz Normalverteilung (2) E(X · Y) = EX · EY. Regel des Faulen Statistikers Sei X Zufallsvariable, g: R −→ R (rechtsseitig) stetig ⇒ P ∞ , falls X diskret i=0 g(xi )pi R∞ E(g(X)) = g(x)f (x)dx , falls X stetig, −∞ vorausgesetzt die Erwartungswerte existieren. 115 / 169
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