Diskrete Gleichverteilung

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Wahrscheinlichkeitsfunktion der diskreten Gleichverteilung auf , d. h.

Die diskrete Gleichverteilung ist eine spezielle Wahrscheinlichkeitsverteilung in der Stochastik. Sie ist univariat und zählt zu den diskreten Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Eine diskrete Zufallsvariable mit endlich vielen Ausprägungen hat eine diskrete Gleichverteilung, wenn die Wahrscheinlichkeit für jede ihrer Ausprägungen gleich ist. Es gilt dann für .

Typischerweise findet diese Wahrscheinlichkeitsverteilung Anwendung bei Zufallsexperimenten, deren Ergebnisse gleichhäufig sind. Wenn man (mit oder ohne Begründung) annimmt, dass die Elementarereignisse gleich wahrscheinlich sind, spricht man von einem Laplace-Experiment. Gängige Beispiele für Laplace-Experimente sind der Laplace-Würfel und die Laplace-Münze. Siehe auch Stetige Gleichverteilung, Laplace-Formel.

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der diskreten Gleichverteilung werden verschiedene Fälle unterschieden. Diese unterscheiden sich durch die Ergebnismengen und dementsprechend unterschiedlich definierte Wahrscheinlichkeitsfunktionen und Verteilungsfunktionen. In allen Fällen wird die Gleichverteilung mit bezeichnet, wobei der Träger ist.

Allgemeiner Fall[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im allgemeinsten Fall sind die auftretenden Ergebnisse beliebige mit und , wenn ist. Der Träger ist also . Die Wahrscheinlichkeitsfunktion der diskreten Gleichverteilung ist dann

und damit genügt sie der Verteilungsfunktion

.

Hier sind insbesondere auch nichtnatürliche zahlen als die zugelassen.

Auf beliebigen ganzen Zahlen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wahrscheinlichkeitsfunktion für
Die zugehörige Verteilungsfunktion

Wählt man zwei mit , so wählt man als Träger die Menge

und definiert die Wahrscheinlichkeitsfunktion

und die Verteilungsfunktion

.

Auf natürlichen Zahlen bis n[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Spezialfall der beiden obigen Definitionen (setze oder ) wählt man als Träger

und erhält als Wahrscheinlichkeitsfunktion

sowie die Verteilungsfunktion

Hierbei bezeichnet die Abrundungsfunktion.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erwartungswert[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Erwartungswert ist im allgemeinen Fall

Im zweiten Fall erhält man

,

was sich im dritten Fall zu

vereinfacht. Der Beweis folgt dabei jeweils der Gaußschen Summenformel.

Varianz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Darstellung der Varianz ist für den allgemeinen Fall bereits unübersichtlich, da keine Vereinfachungen möglich sind:

.

Für den zweiten Fall ergibt sich

.

Im dritten Fall gilt

.

Symmetrie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im zweiten und dritten Fall ist die diskrete Wahrscheinlichkeitsverteilung symmetrisch um ihren Erwartungswert. Im allgemeinen Fall ist keine Aussage möglich.

Schiefe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für alle drei Varianten ist die Schiefe gleich Null.

Wölbung und Exzess[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Exzess ist im zweiten Fall

und damit ist die Wölbung

Dies vereinfacht sich im dritten Fall zum Exzess

und zur Wölbung

Entropie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Entropie der diskreten Gleichverteilung ist für alle drei Varianten

gemessen in Bit.

Median[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im allgemeinen Fall fällt der Median der diskret gleichverteilten Zufallsvariable mit dem Median der Ausprägungen zusammen:

.

Im zweiten Fall ist dann

und dementsprechend im dritten Fall

.

Modus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Modus lässt sich zwar angeben, hat aber wenig Aussagekraft. Er entspricht genau dem Träger der Verteilung, sprich , bzw. oder .

Wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sind im zweiten Fall , so ist die wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion gegeben durch

.

Im dritten Fall ergibt dies dann

Beide Fälle lassen sich elementar mittels der geometrischen Reihe zeigen.

Momenterzeugende Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die momenterzeugende Funktion ergibt sich für beliebige als

bzw.
.

Charakteristische Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die charakteristische Funktion ergibt sich für beliebige als

bzw.
.

Schätzer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Problem, bei einer auf gleichverteilten Zufallsvariable den Parameter zu schätzen, wird auch das Taxiproblem genannt. Diese Bezeichnung entsteht aus der Überlegung, dass man am Bahnhof steht und die Nummern der Taxis beobachten kann. Geht man davon aus, dass alle Nummern gleichverteilt sind, entsprechen die Taxis dem Ziehen einer Stichprobe und der Parameter der Gesamtzahl der Taxis in der Stadt. Ist eine diskret gleichverteilte Stichprobe aus , so ist der Maximum-Likelihood-Schätzer für den Parameter gegeben durch

.

Er ist insbesondere nicht erwartungstreu, da er den wirklichen Wert tendenziell unterschätzt und nie überschätzt, sondern nur asymptotisch erwartungstreu. Die Einführung eines Korrekturterms führt zu dem Schätzer

.

Oder aber man schätzt den mittleren Abstand der Werte in der Stichprobe durch ab und erhält aufs Neue einen Schätzer

.

Dieser ist erwartungstreu, genauso wie

.

Das Taxiproblem ist ein Standardbeispiel der Schätztheorie, um zu zeigen, dass sich ohne Probleme mehrere verschiedene Schätzer für dasselbe Problem finden lassen, von denen a priori nicht klar ist, welcher besser ist.[1] Varianten des Taxiproblems waren anscheinend im Zweiten Weltkrieg wichtig, um aus den Seriennummern abgeschossener Panzer Rückschlüsse auf die Anzahl der Panzer in der gegnerischen Armee zu ziehen. Dies entspräche dann dem Schätzen von , wenn man davon ausgeht, dass die Seriennummern auf gleichverteilt sind.

Beziehung zu anderen Verteilungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beziehung zur Bernoulli-Verteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Bernoulli-Verteilung mit ist eine diskrete Gleichverteilung auf .

Beziehung zur Beta-Binomialverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Beta-Binomialverteilung mit ist eine diskrete Gleichverteilung auf .

Beziehung zur Zweipunktverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Zweipunktverteilung ist für eine diskrete Gleichverteilung auf .

Beziehung zur Rademacher-Verteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Rademacher-Verteilung ist eine diskrete Gleichverteilung auf

Beziehung zum Urnenmodell[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die diskrete Gleichverteilung ist die Basis aller Überlegungen, die Im Urnenmodell angestellt werden, da das Ziehen jeder der Kugeln aus der Urne gleich wahrscheinlich sein soll. Je nachdem, wie die Kugeln gefärbt, nummeriert oder zurückgelegt werden (oder auch nicht), ergeben sich somit aus der diskreten Gleichverteilung eine Vielzahl anderer wichtiger Verteilungen wie z. B. die Binomialverteilung, Geometrische Verteilung, Hypergeometrische Verteilung, Negative Binomialverteilung und Multinomialverteilung.

Summe von gleichverteilten Zufallsgrößen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Summe zweier unabhängiger gleichverteilter Zufallsgrößen ist trapezverteilt, sind die Zufallsgrößen zudem identisch verteilt, so ist die Summe dreiecksverteilt.

Stetiger Fall[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die diskrete Gleichverteilung kann leicht auf reelle Intervalle oder beliebige messbare Mengen mit positivem Volumen verallgemeinert werden. Sie wird dann stetige Gleichverteilung genannt.

Beispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sechsseitiger Laplace-Würfel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Zufallsexperiment ist: Ein Würfel wird einmal geworfen. Die möglichen Ausprägungen der Zufallsvariablen sind: . Nach der klassischen Wahrscheinlichkeitsauffassung ist die Wahrscheinlichkeit für jede Ausprägung gleich. Sie hat dann die Wahrscheinlichkeitsfunktion

mit dem Erwartungswert für und :

und der Varianz

.

Entscheidungsproblem des Marketing[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Anwendung in der Praxis könnte etwa ein Problem des Operations Research (Marketing) sein. Ein Unternehmen möchte ein neues Produkt auf dem Markt einführen:

Man versucht, den Erfolg des Produkt quantitativ vorauszuschätzen. Es wird vereinfachend von 5 verschiedenen verkauften Stückzahlen ausgegangen: 0, 1.000, 5.000, 10.000 und 50.000. Da über die Wahrscheinlichkeit der einzelnen Absatzzahlen keine verlässliche Schätzung möglich ist, verwendet man der Einfachheit halber gleiche Wahrscheinlichkeiten.

Man kann nun den Entscheidungsprozess, d. h. die individuelle Kaufentscheidung objektivieren, also den erwarteten durchschnittlichen Absatz ermitteln und sich überlegen, etwa anhand von Entscheidungsbäumen, inwieweit erhöhte Werbeausgaben die Absatzzahlen erhöhen könnten.

Abgrenzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die diskrete Gleichverteilung wird oft auch nach Pierre-Simon Laplace benannt (Laplace-Würfel). Sie hat jedoch nichts mit der stetigen Laplace-Verteilung zu tun.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Ann Largey, John E. Spencer: Estimation of the Parameter in the Discrete "Taxi" Problem, With and Without Replacement. In: The Economic and Social Review. Band 27, Nr. 2, 1996, S. 119–136 (PDF).