Неотрицательная случайная величина имеет гамма-распределение , если ее плотность распределения выражается формулой

где и , – гамма-функция:

Таким образом, гамма-распределение является двухпараметрическим распределением, оно занимает важное место в математической статистике и теории надежности. Это распределение имеет ограничение с одной стороны .

Если параметр формы кривой распределения – целое число, то гамма-распределение описывает время, необходимое для появления событий (отказов), при условии, что они независимы и появляются с постоянной интенсивностью .

В большинстве случаев это распределение описывает наработку системы с резервированием отказов стареющих элементов, время восстановления системы с резервированием отказов стареющих элементов, время восстановления системы и т. д. При различных количественных значениях параметров гамма-распределение принимает самые разнообразные формы, что и объясняет его широкое применение.

Плотность вероятности гамма-распределения определяется равенством, если

Функция распределения . (9)

Заметим, что функция надежности выражается формулой:

Гамма-функция обладает свойствами: , , (11)

откуда следует, что если – целое неотрицательное число, то

Кроме того, нам в последующем потребуется еще одно свойство гамма-функции: ; . (13)

Пример. Восстановление радиоэлектронной аппаратуры подчиняется закону гамма-распределения с параметрами и . Определить вероятность восстановления аппаратуры за час.

Решение. Для определения вероятности восстановления воспользуемся формулой (9) .

Для целых положительных значений функции , а при .

Если перейти к новым переменным, значения которых будут выражены ; , то получим табличный интеграл:

В этом выражении решение интеграла в правой части можно определить по той же формуле:

а при будет

При и новые переменные будут равны и , а сам интеграл будет равен

Значение функции будет равно

Найдем числовые характеристики случайной величины , подчиненной гамма-распределению

В соответствии с равенством (13) получим . (14)

Второй начальный момент найдем по формуле

откуда . (15)

Заметим, что при интенсивность отказов монотонно убывает, что соответствует периоду приработки изделия. При интенсивность отказов возрастает, что характеризует период изнашивания и старения элементов.

При гамма-распределение совпадает с экспоненциальным распределением, при гамма-распределение приближается к нормальному закону. Если принимает значения произвольных целых положительных чисел, то такое гамма-распределение называют распределением Эрланга -го порядка :

Здесь достаточно лишь указать, что закону Эрланга -го порядка подчинена сумма независимых случайных величин , каждая из которых распределена по показательному закону с параметром . Закон Эрланга -го порядка тесно связан со стационарным пуассоновским (простейшим) потоком с интенсивностью .

Действительно, пусть имеется такой поток событий во времени (рис. 6).

Рис. 6. Графическое представление пуассоновского потока событий во времени

Рассмотрим интервал времени , состоящий из суммы интервалов между событиями в таком потоке. Можно доказать, что случайная величина будет подчинена закону Эрланга -го порядка.

Плотность распределения случайной величины , распределенной по закону Эрланга -го порядка, может быть выражена через табличную функцию распределения Пуассона:

Если значение кратно и , то гамма-распределение совпадает с распределением хи-квадрат .

Заметим, что функцию распределения случайной величины можно вычислить по следующей формуле:

где определяются выражениями (12) и (13).

Следовательно, имеют место равенства, которые нам в дальнейшем пригодятся:

Пример. Поток производимых на конвейере изделий является простейшим с параметром . Все производимые изделия контролируются, бракованные укладываются в специальный ящик, в котором помещается не более изделий, вероятность брака равна . Определить закон распределения времени заполнения ящика бракованными изделиями и величину , исходя из того, чтобы ящик с вероятностью не переполнялся в течение смены.

Решение. Интенсивность простейшего потока бракованных изделий будет . Очевидно, что время заполнения ящика бракованными изделиями распределено по закону Эрланга

с параметрами и :

следовательно (18) и (19): ; .

Число бракованных изделий за время будет распределено по закону Пуассона с параметром . Следовательно, искомое число нужно находить из условия . (20)

Например, при [изделие/ч]; ; [ч]

из уравнения при

Случайная величина, имеющая распределение Эрланга, обладает следующими числовыми характеристиками (табл. 6).

Таблица 6

Заметим, что случайная величина, имеющая нормированное распределение Эрланга -го порядка, обладает следующими числовыми характеристиками (табл. 7).

Таблица 7

В этой статье описаны синтаксис формулы и использование функции ГАММА.РАСПП в Microsoft Excel.

Возвращает гамма-распределение. Эту функцию можно использовать для изучения переменных, которые имеют асимметричное распределение. Гамма-распределение широко используется при анализе систем массового обслуживания.

Синтаксис

ГАММА.РАСП(x;альфа;бета;интегральная)

Аргументы функции ГАММА.РАСП описаны ниже.

x - обязательный аргумент. Значение, для которого требуется вычислить распределение.

Альфа - обязательный аргумент. Параметр распределения.

Бета - обязательный аргумент. Параметр распределения. Если аргумент "бета" = 1, функция ГАММА.РАСП возвращает стандартное гамма-распределение.

Интегральная - обязательный аргумент. Логическое значение, определяющее форму функции. Если аргумент "интегральная" имеет значение ИСТИНА, функция ГАММА.РАСП возвращает интегральную функцию распределения; если этот аргумент имеет значение ЛОЖЬ, возвращается функция плотности распределения вероятности.

Замечания

Пример

Скопируйте образец данных из следующей таблицы и вставьте их в ячейку A1 нового листа Excel. Чтобы отобразить результаты формул, выделите их и нажмите клавишу F2, а затем - клавишу ВВОД. При необходимости измените ширину столбцов, чтобы видеть все данные.

Равномерное распределение. Непрерывная величина Х распределена равномерно на интервале (a , b ), если все ее возможные значения находятся на этом интервале и плотность распределения вероятностей постоянна:

Для случайной величины Х , равномерно распределенной в интервале (a , b ) (рис. 4), вероятность попадания в любой интервал (x 1 , x 2 ), лежащий внутри интервала (a , b ), равна:

(30)


Рис. 4. График плотности равномерного распределения

Примерами равномерно распределенных величин являются ошибки округления. Так, если все табличные значения некоторой функции округлены до одного и того же разряда , то выбирая наугад табличное значение, мы считаем, что ошибка округления выбранного числа есть случайная величина, равномерно распределенная в интервале

Показательное распределение. Непрерывная случайная величина Х имеет показательное распределение

(31)

График плотности распределения вероятностей (31) представлен на рис. 5.

Рис. 5. График плотности показательного распределения

Время Т безотказной работы компьютерной системы есть случайная величина, имеющая показательное распределение с параметром λ , физический смысл которого – среднее число отказов в единицу времени, не считая простоев системы для ремонта.

Нормальное (гауссово) распределение. Случайная величина Х имеет нормальное (гауссово) распределение , если плотность распределения ее вероятностей определяется зависимостью:

(32)

где m = M (X ) , .

При нормальное распределение называется стандартным .

График плотности нормального распределения (32) представлен на рис. 6.

Рис. 6. График плотности нормального распределения

Нормальное распределение является наиболее часто встречающимся в различных случайных явлениях природы. Так, ошибки выполнения команд автоматизированным устройством, ошибки вывода космического корабля в заданную точку пространства, ошибки параметров компьютерных систем и т.д. в большинстве случаев имеют нормальное или близкое к нормальному распределение. Более того, случайные величины, образованные суммированием большого количества случайных слагаемых, распределены практически по нормальному закону.

Гамма-распределение. Случайная величина Х имеет гамма-распределение , если плотность распределения ее вероятностей выражается формулой:

(33)

где – гамма-функция Эйлера.

Рассмотрим Гамма распределение, вычислим его математическое ожидание, дисперсию, моду. С помощью функции MS EXCEL ГАММА.РАСП() построим графики функции распределения и плотности вероятности. Сгенерируем массив случайных чисел и произведем оценку параметров распределения.

Гамма распределение (англ. Gamma distribution ) зависит от 2-х параметров: r (определяет форму распределения) и λ (определяет масштаб). этого распределения задается следующей формулой:

где Г(r) – гамма-функция:

если r – положительное целое, то Г(r)=(r-1)!

Вышеуказанная форма записи плотности распределения наглядно показывает его связь с . При r=1 Гамма распределение сводится к Экспоненциальному распределению с параметром λ.

Если параметр λ – целое число, то Гамма распределение является суммой r независимых и одинаково распределенных по экспоненциальному закону с параметром λ случайных величин x . Таким образом, случайная величина y = x 1 + x 2 +… x r имеет гамма распределение с параметрами r и λ.

, в свою очередь, тесно связано с дискретным . Если Распределение Пуассона описывает число случайных событий, произошедших за определенный интервал времени, то Экспоненциальное распределение, в этом случае,описывает длину временного интервала между двумя последовательными событиями.

Из этого следует, что, например, если время до наступления первого события описывается экспоненциальным распределением с параметром λ, то время до наступления второго события описывается гамма распределением с r = 2 и тем же параметром λ.

Гамма распределение в MS EXCEL

В MS EXCEL принята эквивалентная, но отличающаяся параметрами форма записи плотности гамма распределения .

Параметр α (альфа ) эквивалентен параметру r , а параметр b (бета ) – параметру 1/λ . Ниже будем придерживаться именно такой записи, т.к. это облегчит написание формул.

В MS EXCEL, начиная с версии 2010, для Гамма распределения имеется функция ГАММА.РАСП() , английское название - GAMMA.DIST(), которая позволяет вычислить плотность вероятности (см. формулу выше) и (вероятность, что случайная величина X, имеющая гамма распределение , примет значение меньше или равное x).

Примечание : До MS EXCEL 2010 в EXCEL была функция ГАММАРАСП() , которая позволяет вычислить интегральную функцию распределения и плотность вероятности . ГАММАРАСП() оставлена в MS EXCEL 2010 для совместимости.

Графики функций

В файле примера приведены графики плотности распределения вероятности и интегральной функции распределения .

Гамма распределение имеет обозначение Gamma(альфа; бета).

Примечание : Для удобства написания формул в файле примера для параметров распределения альфа и бета созданы соответствующие .

Примечание : Зависимость от 2-х параметров позволяет построить распределения разнообразных форм, что расширяет применение этого распределения. Гамма распределение , как и Экспоненциальное распределение часто используется для расчета времени ожидания между случайными событиями. Кроме того, возможно использование применение этого распределения для моделирования уровня осадков и при проектировании дорог.

Как было показано выше, если параметр альфа = 1, то функция ГАММА.РАСП() возвращает с параметром 1/бета . Если параметр бета = 1, функция ГАММА.РАСП() возвращает стандартное гамма распределение .

Примечание : Т.к. является частным случаем гамма распределения , то формула =ГАММА.РАСП(x;n/2;2;ИСТИНА ) для целого положительного n возвращает тот же результат, что и формула =ХИ2.РАСП(x;n; ИСТИНА) или =1-ХИ2.РАСП.ПХ(x;n) . А формула =ГАММА.РАСП(x;n/2;2;ЛОЖЬ) возвращает тот же результат, что и формула =ХИ2.РАСП(x;n; ЛОЖЬ) , т.е. плотность вероятности ХИ2-распределения.

В файле примера на листе Графики приведен расчет гамма распределения равного альфа*бета и

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН

Н ормальный закон распределения и его значение в теории вероятностей. Логарифмически нормальный закон. Гамма-распределение. Экспоненциальный закон и его использование в теории надежности, теории очередей. Равномерный закон. Распределение . Распределение Стьюдента. Распределение Фишера.

1. Нормальный закон распределения (закон Гаусса).

Плотность вероятности нормально распределенной случайной величины выражается формулой:

. (8.1)

На рис. 16 представлена кривая распределения. Она симметрична относительно

Рис. 16 Рис. 17

точки (точка максимума). При уменьшении ордината точки максимума неограниченно возрастает. При этом кривая пропорционально сплющивается вдоль оси абсцисс, так что площадь ее под графиком остается равной единице (рис. 17).

Нормальный закон распределения очень широко распространен в задачах практики. Объяснить причины широкого распространения нормального закона распределения впервые удалось Ляпунову. Он показал, что если случайная величина может рассматриваться как сумма большого числа малых слагаемых, то при достаточно общих условиях закон распределения этой случайной величины близок к нормальному независимо от того, каковы законы распределения отдельных слагаемых. А так как практически случайные величины в большинстве случаев бывают результатом действия большого числа различных причин, то нормальный закон оказывается наиболее распространенным законом распределения (подробнее об этом см. главу 9). Укажем числовые характеристики нормально распределенной случайной величины:

Таким образом, параметры и в выражении (8.1) нормального закона распределения представляют собою математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение случайной величины. Принимая это во внимание, формулу (8.1) можно переписать следующим образом:

.

Эта формула показывает, что нормальный закон распределения полностью определяется математическим ожиданием и дисперсией случайной величины. Таким образом, математическое ожидание и дисперсия полностью характеризуют нормально распределенную случайную величину. Само собой разумеется, что в общем случае, когда характер закона распределения неизвестен, знания математического ожидания и дисперсии недостаточно для определения этого закона распределения.

Пример 1 . Вычислить вероятность того, что нормально распределенная случайная величина удовлетворяет неравенству .

Решение. Пользуясь свойством 3 плотности вероятности (глава 4, п. 4), получаем:

.

,

где - функция Лапласа (см. приложение 2).

Проделаем некоторые числовые расчеты. Если положить , в условиях примера 1, то

Последний результат означает, что с вероятностью, близкой к единице (), случайная величина, подчиняющаяся нормальному закону распределения, не выходит за пределы интервала . Это утверждение носит название правила трех сигм .

Наконец, если , , то случайная величина, распределенная по нормальному закону с такими параметрами, называется стандартизованной нормальной величиной. На рис. 18 изображен график плотности вероятности этой величины .

2. Логарифмически нормальное распределение.

Говорят, что случайная величина имеет логарифмически нормальное распределение (сокращенно логнормальное распределение ), если ее логарифм распределен нормально, т. е. если

где величина имеет нормальное распределение с параметрами , .

Плотность логнормального распределения задается следующей формулой:

, .

Математическое ожидание и дисперсию определяют по формулам

,

.

Кривая распределения приведена на рис. 19.

Логарифмически нормальное распределение встречается в ряде технических задач. Оно дает распределение размеров частиц при дроблении, распределение содержаний элементов и минералов в изверженных горных породах, распределение численности рыб в море и т.д. Оно встречается во всех

тех задачах, где логарифм рассматриваемой величины можно представить в виде суммы большого числа независимых равномерно малых величин:

,

т. е. , где независимы.