อ่าน 15 นาที
การกระจายแบบเกาส์เซียนผกผัน
Φ(λx(xμ−1)){\displaystyle \textstyle \Phi \left({\sqrt {\frac {\lambda }{x}}}\left({\frac {x}{\mu }}-1\right)\right)}+เอ็กซ์(2λμ)Φ(−λx(xμ+1)){\displaystyle \textstyle {}+\exp...
การกระจายแบบเกาส์เซียนผกผัน
| อินเวอร์สเกาส์เซียน | |||
|---|---|---|---|
ฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็น | |||
ฟังก์ชันการกระจายสะสม | |||
| สัญกรณ์ | |||
| พารามิเตอร์ | |||
| สนับสนุน | |||
| พีดี | |||
| ซีดีเอฟ | ฟังก์ชันการกระจายสะสม (cdf) ของการกระจายแบบปกติมาตรฐาน (แบบเกาส์เซียนมาตรฐาน)อยู่ ที่ไหน | ||
| หมายถึง | |||
| โหมด | |||
| ความแปรปรวน | |||
| ความเบี่ยงเบน | |||
| ความโค้งส่วนเกิน | |||
| เอ็มจีเอฟ | |||
| ซีเอฟ | |||
ในทฤษฎีความน่าจะเป็น การแจกแจงแบบ เกาส์เซียนผกผัน (หรือที่รู้จักกันในชื่อการแจกแจงแบบวอลด์ ) เป็นตระกูลของการแจกแจงความน่าจะเป็นแบบต่อเนื่อง ที่ มี พารามิเตอร์สองตัว โดยมีช่วงค่าอยู่บน
ฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็นของมันกำหนดโดย
สำหรับ โดยที่คือค่าเฉลี่ย และคือพารามิเตอร์รูปร่าง[ 1 ] ทั้ง หรือ (หรือโดยทั่วไปแล้ว การรวมกันใดๆ ของรูปแบบสำหรับ จริงใดๆ ) สามารถใช้เป็นพารามิเตอร์มาตราส่วนได้ ดังนั้นพารามิเตอร์รูปร่างที่เหมาะสม (เช่น ไม่ปรับขนาด) จะเป็นกำลังที่ไม่เป็นศูนย์ใดๆ ของ : Tweedie เสนอให้ใช้การกำหนด พารามิเตอร์ และ นอกเหนือจากการ กำหนดพารามิเตอร์ มาตรฐาน (“แต่ละรูปแบบเหล่านี้สะดวกหรือชวนให้คิดสำหรับวัตถุประสงค์บางอย่าง” [ 2 ] ) และต่อมาใช้การกำหนดพารามิเตอร์ เพียงอย่างเดียว [ 3 ]
การแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันมีคุณสมบัติหลายอย่างที่คล้ายคลึงกับการแจกแจงแบบเกาส์เซียนชื่อนี้อาจทำให้เข้าใจผิดได้ เพราะมันเป็นผกผันก็ต่อเมื่อ ในขณะที่การแจกแจงแบบเกาส์เซียนอธิบาย ระดับ ของการเคลื่อนที่แบบบราวน์ที่เวลาคงที่ การแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันอธิบายการแจกแจงของเวลาที่การเคลื่อนที่แบบบราวน์ที่มีการเลื่อนไปทางบวกใช้ในการไปถึงระดับบวกคงที่ ความสัมพันธ์ระหว่างการแจกแจงแบบเกาส์เซียนและการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันจึงเหมือนกับความสัมพันธ์ระหว่างการแจกแจงแบบทวินาม (จำนวนความสำเร็จสำหรับจำนวนการทดลองแบบเบอร์นูลี คงที่ ) และ การแจกแจง แบบทวินามเชิงลบ (จำนวนการทดลองแบบเบอร์นูลีสำหรับจำนวนความสำเร็จคงที่) [ 4 ]
การสะท้อนแกน y ของฟังก์ชันสร้างคูมูลันต์ของการแจกแจงแบบเกาส์เซียนและแบบเกาส์เซียนผกผันจะผกผันกัน (กล่าวคือ กราฟของฟังก์ชันสร้างคูมูลันต์ทั้งสองจะสะท้อนซึ่งกันและกันข้ามเส้น ) ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่การแจกแจงแบบทวินามและแบบทวินามลบมีร่วมกัน (หลังจากหารฟังก์ชันสร้างคูมูลันต์ด้วยพารามิเตอร์คงที่ของแต่ละการแจกแจง) [ 4 ]
เพื่อระบุว่าตัวแปรสุ่ม มีการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผัน โดยมีค่าเฉลี่ยและพารามิเตอร์รูปร่างเราเขียนว่า
คุณสมบัติ
แบบฟอร์มพารามิเตอร์เดียว
ฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็น (pdf) ของการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันมีรูปแบบพารามิเตอร์เดียว โดยกำหนดโดย
ในรูปแบบนี้ ค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนของการแจกแจงจะ เท่ากัน
นอกจากนี้ ฟังก์ชันการกระจายสะสม (cdf) ของการกระจายแบบเกาส์เซียนผกผันพารามิเตอร์เดียวมีความสัมพันธ์กับการกระจายแบบปกติมาตรฐานโดย
โดยที่ , และคือฟังก์ชันการกระจายสะสม (cdf) ของการแจกแจงปกติมาตรฐาน ตัวแปรและมีความสัมพันธ์กันโดยเอกลักษณ์ .
ในรูปแบบพารามิเตอร์เดียว MGF จะลดรูปเหลือเพียง
การ แจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันในรูปแบบพารามิเตอร์คู่สามารถแปลงเป็นรูปแบบพารามิเตอร์เดี่ยวได้โดย การปรับขนาดที่เหมาะสมโดยที่
ย่อหน้าข้างต้นสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้: ถ้า แล้ว [ 5 ]แนวทางนี้ดีกว่าในแง่ที่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงลักษณะไร้มิติของรูปแบบพารามิเตอร์เดียว (โปรดทราบว่า ) คุณสมบัติ นี้ เป็นผลมาจากข้อเท็จจริงทั่วไปมากขึ้น: ถ้าและ แล้ว [ 2 ]
รูปแบบมาตรฐานของการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันคือ
ผลรวม
ถ้ามีการแจกแจงสำหรับและ ทั้งหมดเป็นอิสระต่อกันแล้ว
กรณีพิเศษนี้แสดงให้เห็นว่าการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันนั้น สามารถแบ่ง ได้ไม่จำกัดจำนวนครั้ง
โปรดทราบว่า
มีค่าคงที่สำหรับทุกค่านี่เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการหาผลรวม มิฉะนั้นจะไม่กระจายแบบอินเวอร์สเกาส์ เซียน
การปรับขนาด
สำหรับสิ่งใดๆก็ตามถือว่า
ตระกูลเลขชี้กำลัง
การแจกแจง แบบ เกาส์เซียนผกผันเป็น ตระกูลเอกซ์โพเนนเชียลสองพารามิเตอร์ที่มีพารามิเตอร์ธรรมชาติ และ และสถิติธรรมชาติ และ
สำหรับ ค่าคงที่ มันยังเป็นการ แจกแจงตระกูลเอกซ์โพเนนเชียลธรรมชาติแบบพารามิเตอร์เดียว[ 6 ]โดยที่การแจกแจงพื้นฐานมีความหนาแน่น
อันที่จริง ด้วย ,
เป็นความหนาแน่นเหนือจำนวนจริง เมื่อประเมินอินทิกรัล เราจะได้
เมื่อแทนค่าแล้วนิพจน์ข้างต้นจะเท่ากับ .
ความสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่แบบบราวน์

ให้กระบวนการสุ่ม กำหนดโดย
โดยที่ คือการเคลื่อนที่แบบบราวน์มาตรฐาน นั่นคือ คือการเคลื่อนที่แบบบราวน์ที่มีการเลื่อน
จากนั้นเวลาผ่านครั้งแรกสำหรับระดับคงที่โดย จะมีการกระจายตามการแจกแจงแบบอินเวอร์สเกาส์เซียน:
เช่น
(ดูสมการที่ 19 ของ Schrödinger [ 7 ] , สมการที่ 8 ของ Smoluchowski [ 8 ]และสมการที่ 1 ของ Folks [ 5 ] )
การหาอนุพันธ์ของการกระจายเวลาผ่านครั้งแรก |
|---|
สมมติว่าเรามีการเคลื่อนที่แบบบราวน์ที่มีการเลื่อน (drift) ซึ่งกำหนดโดย: สมมติว่าเราต้องการหาฟังก์ชันความหนาแน่นของความน่าจะเป็นสำหรับเวลาที่กระบวนการกระทบกับสิ่งกีดขวางเป็นครั้งแรกซึ่งเรียกว่าเวลาผ่านครั้งแรก สมการฟอกเกอร์-พลังค์ที่อธิบายวิวัฒนาการของการกระจายความน่าจะ เป็นมี ดังนี้: โดยที่คือฟังก์ชันเดลต้าของ Diracนี่คือปัญหาค่าขอบเขต (BVP) ที่มีเงื่อนไขขอบเขตดูดซับเพียงเงื่อนไขเดียวซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยใช้วิธีภาพสะท้อนโดยพิจารณาจากเงื่อนไขเริ่มต้นผลเฉลยพื้นฐานของสมการ Fokker–Planck ซึ่งแทนด้วยคือ: กำหนดจุด โดยที่ ซึ่งจะทำให้คำตอบดั้งเดิมและคำตอบสะท้อนหักล้างกันอย่างแม่นยำที่จุดกั้นในแต่ละช่วงเวลา นั่นหมายความว่าเงื่อนไขเริ่มต้นควรได้รับการปรับปรุงให้เป็น: โดยที่เป็นค่าคงที่ เนื่องจากปัญหาค่าขอบเขตเป็นเชิงเส้น คำตอบของสมการฟอกเกอร์-พลังค์ที่มีเงื่อนไขเริ่มต้นนี้คือ: ตอนนี้เราต้องหาค่าของ เงื่อนไขขอบเขตแบบดูดซับอย่างสมบูรณ์หมายความว่า: ที่ เรามีว่า เมื่อแทนค่านี้กลับเข้าไปในสมการข้างต้น เราจะพบว่า: ดังนั้น คำตอบที่สมบูรณ์ของปัญหาค่าขอบเขตคือ: เมื่อเราได้ฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็นแบบสมบูรณ์แล้ว เราก็พร้อมที่จะหาการกระจายเวลาการผ่านครั้งแรก วิธีที่ง่ายที่สุดคือการคำนวณฟังก์ชันการอยู่รอด ก่อน ซึ่งกำหนดไว้ดังนี้: โดยที่คือฟังก์ชันการกระจายสะสม ของ การกระจายปกติมาตรฐานฟังก์ชันการอยู่รอดให้ความน่าจะเป็นที่กระบวนการเคลื่อนที่แบบบราวน์ไม่ได้ข้ามสิ่งกีดขวางณ เวลาใดเวลาหนึ่งสุดท้ายการกระจายเวลาที่ผ่านครั้งแรกได้มาจากเอกลักษณ์: สมมติว่าเวลาผ่านครั้งแรกเป็นไปตามการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผัน: |
เมื่อค่าการเลื่อนเป็นศูนย์
กรณีพิเศษที่พบได้ทั่วไปของกรณีข้างต้นเกิดขึ้นเมื่อการเคลื่อนที่แบบบราวน์ไม่มีการเลื่อน ในกรณีนั้น พารามิเตอร์จะเข้าใกล้ค่าอนันต์ และเวลาที่ผ่านครั้งแรกสำหรับระดับคงที่จะมีฟังก์ชันความหนาแน่นของความน่าจะเป็น
( ดู Bachelier [ 9 ] : 74 [ 10 ] : 39 ด้วย ) นี่คือการแจกแจง Lévyที่มีพารามิเตอร์และ
ความน่าจะเป็นสูงสุด
แบบจำลองที่
โดยที่ ตัวแปรทั้งหมดที่ทราบตัวแปร ที่ ไม่ทราบ และตัวแปรอิสระทั้งหมด มีฟังก์ชันความน่าจะเป็นดังต่อไปนี้ :
การแก้สมการความน่าจะเป็นจะให้ค่าประมาณความน่าจะเป็นสูงสุดดังต่อไปนี้
และเป็นอิสระและ
การสุ่มตัวอย่างจากการกระจายแบบอินเวอร์สเกาส์เซียน
สามารถใช้อัลกอริทึมต่อไปนี้ได้[ 11 ]
สร้างตัวแปรสุ่มจาก1การแจกแจงปกติที่มีค่าเฉลี่ย และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่ากับ
ยกกำลังสองค่า
และใช้ความสัมพันธ์
สร้างตัวแปรสุ่มอีกตัวหนึ่ง โดยครั้งนี้สุ่มมาจากการแจกแจงแบบเอกรูป ระหว่าง และ
ถ้าเป็นเช่นนั้นให้ส่งคืน มิฉะนั้นให้ส่งคืน
ตัวอย่างโค้ดในภาษา Java :
public double inverseGaussian ( double mu , double lambda ) { Random rand = new Random (); double v = rand . nextGaussian (); // สุ่มตัวอย่างจาก1การแจกแจงปกติที่มีค่าเฉลี่ย 0 และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน 1 double y = v * v ; double x = mu + ( mu * mu * y ) / ( 2 * lambda ) - ( mu / ( 2 * lambda )) * Math . sqrt ( 4 * mu * lambda * y + mu * mu * y * y ); double test = rand . nextDouble (); // สุ่มตัวอย่างจาก1การแจกแจงเอกรูปที่มีค่าระหว่าง 0 และ 1 if ( test <= ( mu ) / ( mu + x )) return x ; else return ( mu * mu ) / x ; }
และวิธีการสร้างกราฟแสดงการแจกแจงแบบ Wald ในPythonโดยใช้matplotlibและNumPy :
import matplotlib.pyplot as plt import numpy as nph = plt.hist ( np.random.wald ( 3 , 2 , 100000 ) , bins = 200 , density = True )plt.show ( )การแจกแจงที่เกี่ยวข้อง
- ถ้า แล้ว สำหรับจำนวนใดๆ . [ 1 ]
- ถ้าเช่นนั้น .
- ถ้าเป็นเช่นนั้น .
- ถ้าเช่นนั้น .
- ถ้า แล้ว . [ 12 ]
การคอนโวลูชันของการกระจายแบบเกาส์เซียนผกผัน (การกระจายแบบวอลด์) และการกระจายแบบเอกซ์โพเนนเชียล (การกระจายแบบเอ็กซ์-วอลด์) ถูกใช้เป็นแบบจำลองสำหรับเวลาตอบสนองในทางจิตวิทยา[ 13 ]โดยมีการค้นหาภาพเป็นตัวอย่างหนึ่ง[ 14 ]
ประวัติศาสตร์
การแจกแจงนี้ดูเหมือนจะได้รับการคิดค้นขึ้นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2443 โดยLouis Bachelier [ 9 ] [ 10 ]ในฐานะเวลาที่หุ้นถึงราคาที่กำหนดเป็นครั้งแรก ในปี พ.ศ. 2458 Erwin Schrödinger [ 7 ]และMarian v. Smoluchowski [ 8 ] ได้นำมาใช้โดยอิสระ ในฐานะเวลาที่จะผ่านการเคลื่อนที่แบบบราวน์เป็นครั้งแรก ในสาขาการสร้างแบบจำลองการสืบพันธุ์ เป็นที่รู้จักกันในชื่อฟังก์ชัน Hadwiger ตามชื่อของHugo Hadwigerผู้ซึ่งอธิบายไว้ในปี พ.ศ. 2483 [ 15 ] Abraham Waldได้คิดค้นการแจกแจงนี้ขึ้นใหม่ในปี พ.ศ. 2487 [ 16 ]ในฐานะรูปแบบจำกัดของตัวอย่างในการทดสอบอัตราส่วนความน่าจะเป็นแบบลำดับ ชื่อ Inverse Gaussian ได้รับการเสนอโดยMaurice Tweedieในปี พ.ศ. 2488 [ 4 ] Tweedie ได้ทำการศึกษาการแจกแจงนี้ในปี พ.ศ. 2499 [ 17 ]และ พ.ศ. 2490 [ 2 ] [ 3 ]และได้กำหนดคุณสมบัติทางสถิติบางประการ การแจกแจงนี้ได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดโดย Folks และ Chhikara ในปี พ.ศ. 2521 [ 5 ]
การกระจายแบบเกาส์เซียนผกผันที่ได้รับการจัดอันดับ
สมมติว่าช่วงเวลาระหว่างการเกิดปรากฏการณ์สุ่มเป็นไปตามการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผัน การแจกแจงความน่าจะเป็นสำหรับจำนวนครั้งของการเกิดเหตุการณ์นี้ภายในกรอบเวลาที่กำหนดเรียกว่าการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันแบบจัดอันดับ [ 18 ] ในขณะที่โมเมนต์แรกและโมเมนต์ที่สองของการแจกแจงนี้ได้รับการคำนวณแล้ว การหาอนุพันธ์ของฟังก์ชันสร้างโมเมนต์ยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข
การคำนวณเชิงตัวเลขและซอฟต์แวร์
แม้ว่าสูตรสำหรับฟังก์ชันความหนาแน่นของความน่าจะเป็นจะเรียบง่าย แต่การคำนวณความน่าจะเป็นเชิงตัวเลขสำหรับการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันยังคงต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเพื่อให้ได้ความแม่นยำของเครื่องจักรอย่างเต็มที่ในการคำนวณเลขทศนิยมสำหรับค่าพารามิเตอร์ทั้งหมด[ 19 ] ฟังก์ชันสำหรับการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันมีให้สำหรับภาษาการเขียนโปรแกรม Rโดยแพ็กเกจหลายแพ็กเกจ ได้แก่ rmutil [ 20 ] [ 21 ] SuppDists [ 22 ] STAR [ 23 ] invGauss [ 24 ] LaplacesDemon [ 25 ]และ statmod [ 26 ]
ดูเพิ่มเติม
- การกระจายแบบเกาส์เซียนผกผันทั่วไป
- การแจกแจงแบบทวีดี (Tweedie distribution) – การแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผัน (Inverse Gaussian distribution) เป็นหนึ่งในตระกูลของแบบจำลองการกระจายแบบเอกซ์โปเนนเชียล ของทวีดี (Tweedie exponential dispersion models)
- การหยุดเวลา
อ่านเพิ่มเติม
- Høyland, Arnljot ; Rausand, Marvin (1994). ทฤษฎีความน่าเชื่อถือของระบบ . นิวยอร์ก: Wiley. ISBN 978-0-471-59397-3.
- Seshadri, V. (1993). การแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผัน . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด. ISBN 978-0-19-852243-0.
ลิงก์ภายนอก
- การแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันในเว็บไซต์ Wolfram
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ การกระจายแบบเกาส์เซียนผกผัน
Φ(λx(xμ−1)){\displaystyle \textstyle \Phi \left({\sqrt {\frac {\lambda }{x}}}\left({\frac {x}{\mu }}-1\right)\right)}+เอ็กซ์(2λμ)Φ(−λx(xμ+1)){\displaystyle \textstyle {}+\exp...
แบบฟอร์มพารามิเตอร์เดียว
ฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็น (pdf) ของการแจกแจงแบบเกาส์เซียนผกผันมีรูปแบบพารามิเตอร์เดียว โดยกำหนดโดย
ผลรวม
ถ้า มี X i {\displaystyle X_{i}} การ แจกแจง สำหรับ และ ทั้งหมด เป็น อิสระ ต่อ กัน แล้ว IG ( μ 0 w i , λ 0 w i 2 ) {\displaystyle \operatorname {IG} (\mu _{0}w_{i},\lambda _{0}w_{i}^{2})} i = 1 , 2 , … , n {\displaystyle i=1,2,\dots ,n} X i {\displaystyle...
การปรับขนาด
สำหรับสิ่งใด ๆก็ตาม t > 0 {\displaystyle t>0} ถือว่า