การจัดจำหน่ายกัมเบล
ในทฤษฎีความน่าจะเป็นและสถิติการแจกแจงกัมเบล (หรือที่รู้จักกันในชื่อการแจกแจงค่าสุดขีดทั่วไปประเภทที่ 1 ) ใช้เพื่อจำลองการแจกแจงของค่าสูงสุด (หรือค่าต่ำสุด) ของตัวอย่างจำนวนหนึ่งจากการแจกแจงต่างๆ
การแจกแจงนี้อาจใช้เพื่อแสดงการแจกแจงของระดับน้ำสูงสุดของแม่น้ำในปีใดปีหนึ่ง หากมีรายการค่าสูงสุดในช่วงสิบปีที่ผ่านมา การแจกแจงนี้มีประโยชน์ในการคาดการณ์โอกาสที่จะเกิดแผ่นดินไหวรุนแรง น้ำท่วม หรือภัยพิบัติทางธรรมชาติอื่นๆ ความสามารถในการประยุกต์ใช้การแจกแจงแบบกัมเบลเพื่อแสดงการแจกแจงของค่าสูงสุดนั้นเกี่ยวข้องกับทฤษฎีค่าสุดขั้วซึ่งระบุว่าน่าจะเป็นประโยชน์หากการแจกแจงของข้อมูลตัวอย่างพื้นฐานเป็นแบบปกติหรือแบบเอกซ์โปเนนเชียล[ a ]
การแจกแจงกัมเบล (Gumbel distribution) เป็นกรณีพิเศษของการแจกแจงค่าสุดขีดทั่วไป (Generalized extreme value distribution ) (หรือที่รู้จักกันในชื่อการแจกแจงฟิชเชอร์-ทิปเพ็ตต์ (Fisher–Tippett distribution)) นอกจากนี้ยังรู้จักกันในชื่อการแจกแจง ล็อก-ไวบูล (log -Weibull distribution) และการแจกแจงเลขชี้กำลังสองเท่า (double exponential distribution ) (ซึ่งบางครั้งใช้เรียกการแจกแจงลาปลาส (Laplace distribution )) การแจกแจงนี้เกี่ยวข้องกับการแจกแจงกอมเพิร์ตซ์ (Gompertz distribution ) กล่าวคือ เมื่อสะท้อนความหนาแน่นของฟังก์ชันรอบจุดกำเนิดก่อน แล้วจึงจำกัดให้อยู่บนครึ่งเส้นบวก จะได้ฟังก์ชันกอมเพิร์ตซ์
ใน การกำหนด ตัวแปรแฝงของ แบบจำลอง โลจิตแบบหลายตัวเลือกซึ่งเป็นเรื่องปกติใน ทฤษฎี การเลือกแบบไม่ต่อเนื่อง ข้อผิดพลาดของตัวแปรแฝงจะมีการกระจายแบบกัมเบล ซึ่งมีประโยชน์เพราะผลต่างของ ตัวแปรสุ่มสองตัวที่มีการกระจายแบบกัมเบลจะมีการกระจายแบบโลจิสติก
การแจกแจงแบบกัมเบลตั้งชื่อตามเอมิล จูเลียส กัมเบล (1891 – 1966) โดยอิงจากเอกสารต้นฉบับของเขาที่อธิบายการแจกแจง[ 1 ] [ 2 ]
คำจำกัดความ
ฟังก์ชันการกระจายสะสมของการกระจายแบบกัมเบล (กรณีสูงสุด) คือ
การจัดจำหน่ายมาตรฐานของกัมเบล
การแจกแจงแบบ Gumbel มาตรฐานคือกรณีที่และด้วยฟังก์ชันการกระจายสะสม
และฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็น
ในกรณีนี้ ค่าฐานนิยมคือ 0 ค่ามัธยฐานคือค่าเฉลี่ยคือ( ค่าคงที่ออยเลอร์-มาสเชโรนี ) และค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานคือ
ค่าคุมูลันต์สำหรับn > 1 กำหนดโดย
คุณสมบัติ
ค่าฐานนิยมคือ μ ส่วนค่ามัธยฐานคือและค่าเฉลี่ยกำหนดโดย
- ,
ที่ไหนคือค่าคงที่ออยเลอร์-มาสเชโรนี
ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเป็นเพราะฉะนั้น[ 3 ]
ในโหมดที่ค่าของกลายเป็นโดยไม่คำนึงถึงค่าของ
ถ้าเป็นตัวแปรสุ่ม Gumbel แบบอิสระและมีแจกแจงเหมือนกัน (iid) โดยมีพารามิเตอร์แล้วนอกจากนี้ยังเป็นตัวแปรสุ่มกัมเบลที่มีพารามิเตอร์ด้วย.
ถ้าเป็นตัวแปรสุ่มอิสระและมีแจกแจงเหมือนกัน โดยที่มีการกระจายตัวแบบเดียวกันกับสำหรับจำนวนธรรมชาติทั้งหมด, แล้วจำเป็นต้องมีการแจกแจงแบบกัมเบลด้วยพารามิเตอร์มาตราส่วน(อันที่จริงแล้ว พิจารณาเพียงค่า k>1 สองค่าที่แตกต่างกันและเป็นจำนวนเฉพาะสัมพัทธ์ก็เพียงพอแล้ว)
การแจกแจงอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง
การแจกแจงกัมเบลแบบไม่ต่อเนื่อง
ปัญหามากมายในคณิตศาสตร์เชิงดิสครีตเกี่ยวข้องกับการศึกษาพารามิเตอร์สุดขั้วที่ตามเวอร์ชันดิสครีตของการแจกแจงกัมเบล[ 4 ] [ 5 ] เวอร์ชัน ดิสครีตนี้คือกฎของ, ที่ไหนเป็นไปตามการแจกจ่ายกัมเบลอย่างต่อเนื่องดังนั้น จึงทำให้ได้ผลลัพธ์ดังนี้สำหรับใดๆ.
บ่งบอกในฐานะเวอร์ชันแยกส่วน หนึ่งมีและ.
ไม่มีสูตรสำเร็จรูปที่ทราบสำหรับค่าเฉลี่ย ความแปรปรวน (หรือโมเมนต์ลำดับสูงกว่า) ของการแจกแจงกัมเบลแบบไม่ต่อเนื่อง แต่สามารถคำนวณค่าเชิงตัวเลขที่มีความแม่นยำสูงได้ง่ายๆ โดยใช้ผลรวมอนันต์ที่ลู่เข้าอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น จะได้ผลลัพธ์ดังนี้แต่การหาคำตอบในรูปแบบปิดสำหรับค่าคงที่นี้ยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่มีคำตอบ (เป็นไปได้ว่าอาจไม่มีคำตอบในรูปแบบปิดเลย)
Aguech, Althagafi และ Banderier [ 4 ]ให้ขอบเขตต่างๆ ที่เชื่อมโยงเวอร์ชันแบบไม่ต่อเนื่องและแบบต่อเนื่องของการแจกแจง Gumbel และให้รายละเอียดอย่างชัดเจน (โดยใช้วิธีการจากการแปลง Mellin ) เกี่ยวกับปรากฏการณ์การแกว่งที่ปรากฏขึ้นเมื่อมีลำดับของตัวแปรสุ่มลู่เข้าสู่การแจกแจงแบบกัมเบลแบบไม่ต่อเนื่อง
การแจกแจงแบบต่อเนื่อง
- ถ้ามีการแจกแจงแบบกัมเบล ดังนั้นการแจกแจงแบบมีเงื่อนไขของเนื่องจากเป็นค่าบวก หรือเทียบเท่ากับว่ากำหนดให้มีค่าเป็นลบ และมีการกระจายแบบ Gompertz ฟังก์ชันการกระจายสะสม (cdf)ของเกี่ยวข้องกับฟังก์ชันการกระจายสะสมของโดยใช้สูตรสำหรับดังนั้น ความหนาแน่นจึงมีความสัมพันธ์กันโดย: ความหนาแน่นของ Gompertzเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นของ Gumbel ที่สะท้อนกลับ ซึ่งจำกัดอยู่ที่ครึ่งเส้นบวก[ 6 ]
- ถ้าเป็น ตัวแปรที่ มีการแจกแจงแบบเอกซ์โปเนนเชียลโดยมีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 1 ดังนั้น.
- ถ้าถ้าตัวแปร นั้นมีการกระจายแบบสม่ำเสมอในช่วงหน่วยแล้ว.
- ถ้าและถ้าเป็นอิสระต่อกัน ก็แสดงว่า...(ดูการแจกแจงแบบโลจิสติก )
- ถึงกระนั้นก็ตาม หากถ้าเป็นอิสระต่อกัน ก็แสดงว่า...สิ่งนี้สามารถเห็นได้ง่ายๆ โดยสังเกตว่า(ที่ไหนคือค่าคงที่ออยเลอร์-มาสเชโรนี) ในทางกลับกัน การกระจายของผลรวมเชิงเส้นของตัวแปรสุ่มกัมเบลอิสระสามารถประมาณได้ด้วยการกระจาย GNIG และ GIG [ 7 ]
ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการแจกแจงล็อกแกมมาแบบหลายตัวแปรทั่วไปนั้น เป็นการแจกแจงแบบหลายตัวแปรที่คล้ายกับการแจกแจงกัมเบล
การเกิดขึ้นและการประยุกต์ใช้
การประยุกต์ใช้การกระจายแบบกัมเบลอย่างต่อเนื่อง

กัมเบลได้แสดงให้เห็นว่าค่าสูงสุด (หรือสถิติลำดับ สุดท้าย ) ในตัวอย่างของตัวแปรสุ่มตามการแจกแจงแบบเอกซ์โพเนนเชียลลบด้วยลอการิทึมธรรมชาติของขนาดตัวอย่าง[ 8 ] เข้าใกล้การแจกแจงแบบกัมเบลเมื่อขนาดตัวอย่างเพิ่มขึ้น[ 9 ]
กล่าวโดยสรุปคือ ให้เป็นการกระจายความน่าจะเป็นของและการกระจายสะสม จากนั้นค่าสูงสุดจากการตระหนักรู้ของเล็กกว่าก็ต่อเมื่อการรับรู้ทั้งหมดมีขนาดเล็กกว่าเท่านั้นดังนั้น การกระจายสะสมของค่าสูงสุดพอใจ
และสำหรับขนาดใหญ่ด้านขวามือจะลู่เข้าสู่
ดังนั้น ในด้านอุทกวิทยาการกระจายแบบกัมเบลจึงถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ตัวแปรต่างๆ เช่น ค่าสูงสุดรายเดือนและรายปีของปริมาณน้ำฝนรายวันและปริมาณการไหลของแม่น้ำ[ 3 ]และยังใช้เพื่ออธิบายภาวะภัยแล้งอีกด้วย[ 10 ]
กัมเบลยังแสดงให้เห็นอีกว่าตัวประมาณค่าr ⁄ ( n +1)สำหรับความน่าจะเป็นของเหตุการณ์—โดยที่rคือลำดับที่ของค่าที่สังเกตได้ในอนุกรมข้อมูล และnคือจำนวนการสังเกตทั้งหมด—เป็นตัวประมาณค่าที่ไม่เอนเอียงของความน่าจะเป็นสะสมรอบค่า ฐานนิยม ของการแจกแจง ดังนั้น ตัวประมาณค่านี้จึงมักถูกใช้เป็นตำแหน่งในการพล็อต
การทำนาย
- โดยทั่วไปแล้ว การทำนายความน่าจะเป็นของข้อมูลนอกกลุ่มตัวอย่างภายใต้สมมติฐานที่ว่าทั้งข้อมูลฝึกฝนและข้อมูลนอกกลุ่มตัวอย่างเป็นไปตามการแจกแจงแบบกัมเบล มักเป็นที่น่าสนใจ
- การคาดการณ์ความน่าจะเป็นที่สร้างขึ้นโดยการแทนที่ ค่าประมาณ ความน่าจะเป็นสูงสุดของพารามิเตอร์ Gumbel ลงในฟังก์ชันการกระจายสะสมนั้นละเลยความไม่แน่นอนของพารามิเตอร์ ส่งผลให้ความน่าจะเป็นไม่ได้รับการปรับเทียบ อย่างดี ไม่สะท้อนความถี่ของเหตุการณ์นอกตัวอย่าง และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ประเมินความน่าจะเป็นของเหตุการณ์หางนอกตัวอย่างต่ำเกินไป[ 11 ]
- การคาดการณ์ที่สร้างขึ้นโดยใช้ แนวทาง Bayesian เชิงวัตถุประสงค์ ของการปรับเทียบการคาดการณ์ก่อนหน้าจะขจัดการประเมินค่าต่ำเกินไปนี้ออกไปอย่างสมบูรณ์ การแจกแจง Gumbel เป็นหนึ่งในการแจกแจงทางสถิติจำนวนหนึ่งที่มี โครงสร้าง กลุ่มซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจาก Gumbel เป็น แบบ จำลองตำแหน่ง-มาตราส่วนผลจากโครงสร้างกลุ่ม Gumbel จึงมีมาตรวัด Haar ซ้ายและขวาที่เกี่ยวข้อง การใช้มาตรวัด Haar ขวา เป็นค่าก่อนหน้า (เรียกว่าค่าก่อนหน้า Haar ขวา) ในการคาดการณ์แบบ Bayesian จะให้ค่าความน่าจะเป็นที่ปรับเทียบได้อย่างสมบูรณ์แบบสำหรับค่าพารามิเตอร์ที่แท้จริงพื้นฐานใดๆ[ 12 ] [ 11 ] [ 13 ]การปรับเทียบการคาดการณ์ก่อนหน้าสำหรับ Gumbel โดยใช้ค่าก่อนหน้า Haar ขวาที่เหมาะสมนั้นถูกนำไปใช้ใน แพ็คเกจซอฟต์แวร์ R fitdistcp [ 14 ]
การเกิดขึ้นของการแจกแจงกัมเบลแบบไม่ต่อเนื่อง
ในคณิตศาสตร์ เชิง การจัดเรียง การแจกแจงกัมเบลแบบไม่ต่อเนื่องปรากฏเป็นการแจกแจงจำกัดสำหรับเวลาที่ผลออกมาในปัญหาของนักสะสมคูปองผลลัพธ์นี้ได้รับการพิสูจน์ครั้งแรกโดยลาปลาซ ในปี ค.ศ. 1812 ใน หนังสือ Théorie analytique des probabilitésของเขาซึ่งถือเป็นการเกิดขึ้นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของสิ่งที่ต่อมาเรียกว่าการแจกแจงกัมเบล
ในทฤษฎีจำนวนการแจกแจงแบบกัมเบลจะประมาณจำนวนพจน์ในการแบ่งส่วนแบบสุ่มของจำนวนเต็ม[ 15 ]เช่นเดียวกับขนาดที่ปรับตามแนวโน้มของช่องว่างจำนวนเฉพาะ สูงสุด และช่องว่างสูงสุดระหว่างกลุ่มจำนวนเฉพาะ[ 16 ]
ในทฤษฎีความน่าจะเป็นมันปรากฏเป็นการกระจายของความสูงสูงสุดที่ไปถึงได้โดยการเดินแบบไม่ต่อเนื่อง (บนโครงตาข่าย)) โดยที่กระบวนการสามารถรีเซ็ตกลับไปที่จุดเริ่มต้นได้ในแต่ละขั้นตอน[ 4 ]
ในการวิเคราะห์อัลกอริธึมตัวอย่างเช่น ในการศึกษาการแพร่กระจายตัวทดสูงสุดในฐาน-อัลกอริทึมการบวก[ 17 ]
การสร้างตัวแปรสุ่ม
เนื่องจากฟังก์ชันควอนไทล์ ( ฟังก์ชันการกระจายสะสม ผกผัน )ของการแจกแจงแบบกัมเบลนั้นกำหนดโดย
ตัวแปรมีการกระจายแบบกัมเบลที่มีพารามิเตอร์และเมื่อตัวแปรสุ่มสุ่มมาจากการแจกแจงแบบเอกรูปในช่วงเวลา.
กระดาษความน่าจะเป็น
ในยุคก่อนการพัฒนาซอฟต์แวร์ กระดาษความน่าจะเป็นถูกนำมาใช้เพื่อแสดงภาพการแจกแจงแบบกัมเบล (ดูภาพประกอบ) กระดาษนี้สร้างขึ้นจากหลักการทำให้เป็นเชิงเส้นของฟังก์ชันการแจกแจงสะสม :
ในบทความนี้ แกนแนวนอนสร้างขึ้นโดยใช้มาตราส่วนลอการิทึมคู่ ส่วนแกนแนวตั้งเป็นเส้นตรง โดยการพล็อตบนแกนแนวนอนของกระดาษและ-ตัวแปรบนแกนตั้ง การกระจายจะแสดงด้วยเส้นตรงที่มีความชัน 1เมื่อมีซอฟต์แวร์สำหรับวิเคราะห์การกระจายตัวของข้อมูล การสร้างกราฟแสดงการกระจายตัวของข้อมูลก็ง่ายขึ้น
เทคนิคการปรับพารามิเตอร์ใหม่ของกัมเบล
ในการเรียนรู้ของเครื่องบางครั้งมีการใช้การแจกแจงแบบกัมเบลเพื่อสร้างตัวอย่างจากการแจกแจงแบบหมวดหมู่เทคนิคนี้เรียกว่า "กลอุบายกัมเบล-แม็กซ์" และเป็นตัวอย่างพิเศษของ " กลอุบายการกำหนดพารามิเตอร์ใหม่ " [ 18 ]
โดยละเอียดแล้ว ขอให้...ต้องไม่เป็นลบ และไม่ใช่ศูนย์ทั้งหมด และให้เป็นตัวอย่างอิสระของ Gumbel(0, 1) ความน่าจะเป็นของตัวแปรสุ่มสามารถคำนวณได้โดยใช้การอินทิเกรตตามปกตินั่นคือ
ในทำนองเดียวกัน เมื่อกำหนดสิ่งใด ๆเราสามารถสุ่มตัวอย่างจากการกระจายแบบโบลต์ซมันน์ได้โดย
สมการที่เกี่ยวข้องได้แก่: [ 19 ]
- ถ้า, แล้ว.
- .
- กล่าวคือ การแจกแจงแบบกัมเบลเป็นการแจกแจงแบบที่มีเสถียรภาพสูงสุด (max-stable distribution family)
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- ↑บทความนี้ใช้การแจกแจงแบบกัมเบล (Gumbel distribution) เพื่อจำลองการแจกแจงของค่าสูงสุดส่วนการจำลองค่าต่ำสุด จะใช้ค่าลบของค่าเริ่มต้น