Normalverteilung

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Normalverteilung
Dichtefunktion
Normal Distribution PDF.svg Dichtefunktionen der Normalverteilung :
(blau), (rot), (gelb) und (grün)
Verteilungsfunktion
Normal-distribution-cumulative-density-function-many.svg Verteilungsfunktionen der Normalverteilungen
(blau), (rot), (gelb) und (grün)
Parameter — Erwartungswert
— Varianz
Träger
Dichtefunktion
Verteilungsfunktion
Erwartungswert
Median
Modus
Varianz
Schiefe 0
Wölbung 3
Entropie
Momenterzeugende Funktion
Charakteristische Funktion
Fisher-Information

Die Normal- oder Gauß-Verteilung (nach Carl Friedrich Gauß) ist ein wichtiger Typ stetiger Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Ihre Wahrscheinlichkeitsdichte wird auch Gauß-Funktion, Gaußsche Normalverteilung, Gaußsche Verteilungskurve, Gauß-Kurve, Gaußsche Glockenkurve, Gaußsche Glockenfunktion, Gauß-Glocke oder schlicht Glockenkurve genannt.

Die besondere Bedeutung der Normalverteilung beruht unter anderem auf dem zentralen Grenzwertsatz, dem zufolge Verteilungen, die durch Überlagerung einer großen Zahl von unabhängigen Einflüssen entstehen, unter schwachen Voraussetzungen annähernd normalverteilt sind.

Die Abweichungen der (Mess-)Werte vieler natur-, wirtschafts- und ingenieurswissenschaftlicher Vorgänge vom Mittelwert lassen sich durch die Normalverteilung (bei biologischen Prozessen oft logarithmische Normalverteilung) entweder exakt oder wenigstens in sehr guter Näherung beschreiben (vor allem Prozesse, die in mehreren Faktoren unabhängig voneinander in verschiedene Richtungen wirken).

Zufallsgrößen mit Normalverteilung benutzt man zur Beschreibung zufälliger Vorgänge wie:

In der Versicherungsmathematik ist die Normalverteilung geeignet zur Modellierung von Schadensdaten im Bereich mittlerer Schadenshöhen.

In der Messtechnik wird häufig eine Normalverteilung angesetzt, die die Streuung der Messfehler beschreibt. Hierbei ist von Bedeutung, wie viele Messpunkte innerhalb einer gewissen Streubreite liegen.

Die Standardabweichung beschreibt die Breite der Normalverteilung. Die Halbwertsbreite einer Normalverteilung ist das ungefähr 2,4-fache (genau ) der Standardabweichung. Es gilt näherungsweise:

  • Im Intervall der Abweichung vom Mittelwert sind 68,27 % aller Messwerte zu finden,
  • Im Intervall der Abweichung vom Mittelwert sind 95,45 % aller Messwerte zu finden,
  • Im Intervall der Abweichung vom Mittelwert sind 99,73 % aller Messwerte zu finden.

Und ebenso lassen sich umgekehrt für gegebene Wahrscheinlichkeiten die maximalen Abweichungen vom Mittelwert finden:

  • 50 % aller Messwerte haben eine Abweichung von höchstens vom Mittelwert,
  • 90 % aller Messwerte haben eine Abweichung von höchstens vom Mittelwert,
  • 95 % aller Messwerte haben eine Abweichung von höchstens vom Mittelwert,
  • 99 % aller Messwerte haben eine Abweichung von höchstens vom Mittelwert.

Somit kann neben dem Mittelwert auch der Standardabweichung eine einfache Bedeutung zugeordnet werden.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gaußsche Glockenkurve auf einem deutschen Zehn-Mark-Schein der 1990er Jahre

Im Jahre 1733 zeigte Abraham de Moivre in seiner Schrift The Doctrine of Chances im Zusammenhang mit seinen Arbeiten am Grenzwertsatz für Binomialverteilungen eine Abschätzung des Binomialkoeffizienten, die als Vorform der Normalverteilung gedeutet werden kann.[1] Die für die Normierung der Normalverteilungsdichte zur Wahrscheinlichkeitsdichte notwendige Berechnung des nichtelementaren Integrals

gelang Pierre-Simon Laplace im Jahr 1782 (nach anderen Quellen Poisson). Im Jahr 1809 publizierte Gauß sein Werk Theoria motus corporum coelestium in sectionibus conicis solem ambientium (dt.: Theorie der Bewegung der in Kegelschnitten sich um die Sonne bewegenden Himmelskörper), das neben der Methode der kleinsten Quadrate und der Maximum-Likelihood-Schätzung die Normalverteilung definiert. Ebenfalls Laplace war es, der 1810 den Satz vom zentralen Grenzwert bewies, der die Grundlage der theoretischen Bedeutung der Normalverteilung darstellt und de Moivres Arbeit am Grenzwertsatz für Binomialverteilungen abschloss. Adolphe Quetelet erkannte schließlich bei Untersuchungen des Brustumfangs von mehreren tausend Soldaten im Jahr 1844 eine verblüffende Übereinstimmung mit der Normalverteilung und brachte die Normalverteilung in die angewandte Statistik. Er hat vermutlich die Bezeichnung „Normalverteilung“ geprägt.[2]

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine stetige Zufallsvariable mit der Wahrscheinlichkeitsdichte , gegeben durch[3]

heißt -verteilt, normalverteilt mit den Parametern und , auch geschrieben als oder -normalverteilt. Für die Parameter gilt: ist der Erwartungswert und ist die Varianz.

Dichtefunktion der Standardnormalverteilung

Im Fall und wird diese Verteilung Standardnormalverteilung genannt. Die Dichtefunktion der Standardnormalverteilung ist

Sie ist nebenstehend dargestellt.

Die Verteilungsfunktion der Normalverteilung ist durch

gegeben. Mit der Substitution folgt

Dabei ist die Verteilungsfunktion der Standardnormalverteilung

Die mehrdimensionale Verallgemeinerung findet man im Artikel mehrdimensionale Normalverteilung.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Symmetrie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Graph der Wahrscheinlichkeitsdichte ist eine Gaußsche Glockenkurve, deren Höhe und Breite von abhängt. Sie ist achsensymmetrisch zur Geraden mit der Gleichung Der Graph der Verteilungsfunktion ist punktsymmetrisch zum Punkt Für gilt insbesondere und für alle .

Maximalwert und Wendepunkte der Dichtefunktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit Hilfe der ersten und zweiten Ableitung lassen sich der Maximalwert und die Wendepunkte bestimmen. Die erste Ableitung ist

Das Maximum der Dichtefunktion der Normalverteilung liegt demnach bei und beträgt dort

Die zweite Ableitung lautet

Somit liegen die Wendestellen der Dichtefunktion bei . Die Dichtefunktion hat an den Wendestellen den Wert .

Normierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wichtig ist, dass die gesamte Fläche unter der Kurve gleich 1, also gleich der Wahrscheinlichkeit des sicheren Ereignisses, ist. Somit folgt, dass, wenn zwei Gaußsche Glockenkurven dasselbe aber unterschiedliches haben, die Kurve mit dem größeren breiter und niedriger ist (da ja beide zugehörigen Flächen jeweils den Wert 1 haben und nur die Standardabweichung (oder „Streuung“) größer ist). Zwei Glockenkurven mit gleichem aber unterschiedlichem haben kongruente Graphen, die um die Differenz der -Werte parallel zur -Achse gegeneinander verschoben sind.

Jede Normalverteilung ist tatsächlich normiert, denn mit Hilfe der linearen Substitution erhalten wir

Für die Normiertheit des letzteren Integrals siehe den Artikel Fehlerintegral.

Berechnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da sich nicht auf eine elementare Stammfunktion zurückführen lässt, wurde für die Berechnung früher meist auf Tabellen zurückgegriffen (siehe Tabelle der Standardnormalverteilung). Heutzutage sind in üblichen Tabellenkalkulationsprogrammen Zellenfunktionen verfügbar, die auch die Transformation auf beliebige und beherrschen. Die dahinter liegenden Näherungen sind transformierte Polynome.[4]

Erwartungswert[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Erwartungswert der Standardnormalverteilung ist 0. Es sei , so gilt

da der Integrand integrierbar und punktsymmetrisch ist.


Ist nun , so gilt ist standardnormalverteilt, und somit

Varianz und weitere Streumaße[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Varianz der -normalverteilten Zufallsgröße ist , ein elementarer Beweis wird Poisson zugeschrieben.

Die mittlere absolute Abweichung ist und der Interquartilsabstand .

Variationskoeffizient[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aus Erwartungswert und Standardabweichung der -Verteilung erhält man unmittelbar den Variationskoeffizienten

Schiefe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Schiefe besitzt unabhängig von den Parametern und immer den Wert 0.

Wölbung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Wölbung ist ebenfalls von und unabhängig und ist gleich 3. Um die Wölbungen anderer Verteilungen besser einschätzen zu können, werden sie oft mit der Wölbung der Normalverteilung verglichen. Dabei wird die Wölbung der Normalverteilung auf 0 normiert (Subtraktion von 3); diese Größe wird als Exzess bezeichnet.

Kumulanten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die kumulantenerzeugende Funktion ist

Damit ist die erste Kumulante , die zweite ist und alle weiteren Kumulanten verschwinden.

Charakteristische Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die charakteristische Funktion für eine standardnormalverteilte Zufallsvariable berechnet sich gemäß

Für eine Zufallsvariable erhält man nun

Momenterzeugende Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die momenterzeugende Funktion der Normalverteilung ist

Momente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Zufallsvariable sei -verteilt. Dann sind ihre ersten Momente wie folgt:

Ordnung Moment zentrales Moment
0
1
2
3
4
5
6
7
8

Alle zentralen Momente lassen sich durch die Standardabweichung darstellen:

dabei wurde die Doppelfakultät verwendet:

Invarianz gegenüber Faltung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Normalverteilung ist invariant gegenüber der Faltung, d. h., die Summe unabhängiger normalverteilter Zufallsgrößen ist wieder normalverteilt. Somit bildet die Normalverteilung eine Faltungshalbgruppe in ihren beiden Parametern. Eine veranschaulichende Formulierung dieses Sachverhaltes lautet: Die Faltung einer Gaußkurve der Halbwertsbreite mit einer Gaußkurve der Halbwertsbreite ergibt wieder eine Gaußkurve mit der Halbwertsbreite

Sind also zwei unabhängige Zufallsvariable mit

so ist deren Summe ebenfalls normalverteilt:

Das kann beispielsweise mit Hilfe von charakteristischen Funktionen gezeigt werden, indem man verwendet, dass die charakteristische Funktion der Summe das Produkt der charakteristischen Funktionen der Summanden ist (vgl. Faltungssatz der Fouriertransformation).

Gegeben seien allgemeiner unabhängige und normalverteilte Zufallsgrößen . Dann ist deren Summe wieder normalverteilt

und das arithmetische Mittel ebenfalls

Nach dem Satz von Cramér gilt sogar die Umkehrung: Ist eine normalverteilte Zufallsgröße die Summe von unabhängigen Zufallsgrößen, dann sind die Summanden ebenfalls normalverteilt.

Die Dichtefunktion der Normalverteilung ist ein Fixpunkt der Fourier-Transformation, d. h., die Fourier-Transformierte einer Gaußkurve ist wieder eine Gaußkurve. Das Produkt der Standardabweichungen dieser korrespondierenden Gaußkurven ist konstant; es gilt die Heisenbergsche Unschärferelation.

Entropie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Normalverteilung hat die Entropie: .

Da sie für gegebenen Mittelwert und gegebene Varianz die größte Entropie unter allen Verteilungen hat, wird sie in der Maximum-Entropie-Methode oft als A-priori-Wahrscheinlichkeit verwendet.

Beziehungen zu anderen Verteilungsfunktionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Transformation zur Standardnormalverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Normalverteilung mit beliebigen und und der Verteilungsfunktion F hat, wie oben erwähnt, die nachfolgende Beziehung zur -Verteilung:

Darin ist die Verteilungsfunktion der Standardnormalverteilung.


Wenn , dann führt die Transformation

zu einer standardnormalverteilten Zufallsvariablen Z, denn


Geometrisch betrachtet entspricht die durchgeführte Substitution einer flächentreuen Transformation der Glockenkurve von zur Glockenkurve von .

Approximation der Binomialverteilung durch die Normalverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Normal-Approximation

Die Normalverteilung kann zur Approximation der Binomialverteilung verwendet werden, wenn der Stichprobenumfang hinreichend groß und in der Grundgesamtheit der Anteil der gesuchten Eigenschaft weder zu groß noch zu klein ist (Satz von Moivre-Laplace, zentraler Grenzwertsatz).

Ist ein Bernoulli-Versuch mit voneinander unabhängigen Stufen (bzw. Zufallsversuchen) mit einer Erfolgswahrscheinlichkeit gegeben, so lässt sich die Wahrscheinlichkeit für Erfolge allgemein durch für berechnen (Binomialverteilung).

Diese Binomialverteilung kann durch eine Normalverteilung approximiert werden, wenn hinreichend groß und weder zu groß noch zu klein ist. Als Faustregel dafür gilt . Für den Erwartungswert und die Standardabweichung gilt dann:

und .

Damit gilt für die Standardabweichung .

Falls diese Bedingung nicht erfüllt sein sollte, ist die Ungenauigkeit der Näherung immer noch vertretbar, wenn gilt: und zugleich .

Folgende Näherung ist dann brauchbar:

Bei der Normalverteilung wird die untere Grenze um 0,5 verkleinert und die obere Grenze um 0,5 vergrößert, um eine bessere Approximation gewährleisten zu können. Dies nennt man auch Stetigkeitskorrektur. Nur wenn einen sehr hohen Wert besitzt, kann auf sie verzichtet werden.

Da die Binomialverteilung diskret ist, muss auf einige Punkte geachtet werden:

  • Der Unterschied zwischen oder (und auch größer und größer gleich) muss beachtet werden (was ja bei der Normalverteilung nicht der Fall ist). Deshalb muss bei die nächstkleinere natürliche Zahl gewählt werden, d. h.
bzw. ,
damit mit der Normalverteilung weitergerechnet werden kann.
Zum Beispiel:
  • Außerdem ist
(unbedingt mit Stetigkeitskorrektur)
und lässt sich somit durch die oben angegebene Formel berechnen.

Der große Vorteil der Approximation liegt darin, dass sehr viele Stufen einer Binomialverteilung sehr schnell und einfach bestimmt werden können.

Beziehung zur Cauchy-Verteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Quotient von zwei unabhängigen -standardnormalverteilten Zufallsvariablen ist Cauchy-verteilt.

Beziehung zur Chi-Quadrat-Verteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Die Summe von unabhängigen quadrierten standardnormalverteilten Zufallsvariablen genügt einer Chi-Quadrat-Verteilung mit Freiheitsgraden.
  • Die Summe mit und unabhängigen normalverteilten Zufallsvariablen genügt einer Chi-Quadrat-Verteilung mit Freiheitsgraden.
  • Mit steigender Zahl an Freiheitsgraden (df ≫ 100) nähert sich die Chi-Quadrat-Verteilung der Normalverteilung an.

Beziehung zur Rayleigh-Verteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Betrag zweier normalverteilter Zufallsvariablen ist Rayleigh-verteilt.

Beziehung zur logarithmischen Normalverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ist die Zufallsvariable normalverteilt mit , dann ist die Zufallsvariable logarithmisch-normalverteilt mit .

Die Entstehung einer logarithmischen Normalverteilung ist auf multiplikatives, die einer Normalverteilung auf additives Zusammenwirken vieler Zufallsgrößen zurückführen.

Beziehung zur F-Verteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wenn die identischen normalverteilten Zufallsvariablen und die Parameter

mit besitzen, dann unterliegt die Zufallsvariable

einer F-Verteilung mit Freiheitsgraden. Dabei sind

Beziehung zur studentschen t-Verteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wenn die unabhängigen Zufallsvariablen identisch normalverteilt sind mit den Parametern und , dann unterliegt die stetige Zufallsgröße

einer studentschen t-Verteilung mit Freiheitsgraden.

Für eine steigende Anzahl an Freiheitsgraden nähert sich die Student-t-Verteilung der Normalverteilung immer näher an. Als Faustregel gilt, dass man ab ca. die Student-t-Verteilung bei Bedarf durch die Normalverteilung approximieren kann.

Die Student-t-Verteilung wird zur Konfidenzschätzung für den Erwartungswert einer normalverteilten Zufallsvariable bei unbekannter Varianz verwendet.

Rechnen mit der Standardnormalverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Aufgabenstellungen, bei denen die Wahrscheinlichkeit für -normalverteilte Zufallsvariablen durch die Standardnormalverteilung ermittelt werden soll, ist es nicht nötig, die oben angegebene Transformation jedes Mal durchzurechnen. Stattdessen wird einfach die Transformation

verwendet, um eine -Verteilte Zufallsvariable Z zu erzeugen.

Die Wahrscheinlichkeit für das Ereignis, dass z. B. X im Intervall liegt, ist durch folgende Umrechnung gleich einer Wahrscheinlichkeit der Standardnormalverteilung:

Grundlegende Fragestellungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Allgemein gibt die Verteilungsfunktion die Fläche unter der Glockenkurve bis zum Wert an, d. h., es wird das bestimmte Integral von bis berechnet.

Dies entspricht in Aufgabenstellungen einer gesuchten Wahrscheinlichkeit, bei der die Zufallsvariable kleiner oder nicht größer als eine bestimmte Zahl ist. Wegen der Stetigkeit der Normalverteilung macht es keinen Unterschied, ob nun oder verlangt ist,

weil z. B. und somit

Analoges gilt für größer und nicht kleiner.

Dadurch, dass nur kleiner oder größer als eine Grenze sein (oder innerhalb oder außerhalb zweier Grenzen liegen) kann, ergeben sich für Aufgaben bei Wahrscheinlichkeitsberechnungen zu Normalverteilungen zwei grundlegende Fragestellungen:

  • Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Zufallsversuch die standardnormalverteilte Zufallsvariable höchstens den Wert annimmt?
In der Schulmathematik wird für diese Aussage gelegentlich auch die Bezeichnung linker Spitz verwendet, da die Fläche unter der Gaußkurve von links bis zur Grenze verläuft. Für sind auch negative Werte erlaubt. Allerdings haben viele Tabellen der Standardnormalverteilung nur positive Einträge – wegen der Symmetrie der Kurve und der Negativitätsregel
des „linken Spitzes“ stellt dies aber keine Einschränkung dar.
  • Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Zufallsversuch die standardnormalverteilte Zufallsvariable mindestens den Wert annimmt?
Hier wird gelegentlich die Bezeichnung rechter Spitz verwendet, mit
gibt es auch hier eine Negativitätsregel.

Da jede Zufallsvariable mit der allgemeinen Normalverteilung sich in die Zufallsgröße mit der Standardnormalverteilung umwandeln lässt, gelten die Fragestellungen für beide Größen gleichbedeutend.

Streubereich und Antistreubereich[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Häufig ist die Wahrscheinlichkeit für einen Streubereich von Interesse, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass die standardnormalverteilte Zufallsvariable Werte zwischen und annimmt:

Beim Sonderfall des symmetrischen Streubereiches (, mit ) gilt

Für den entsprechenden Antistreubereich ergibt sich die Wahrscheinlichkeit, dass die standardnormalverteilte Zufallsvariable Werte außerhalb des Bereichs zwischen und annimmt, zu:

Somit folgt bei einem symmetrischen Antistreubereich

Streubereiche am Beispiel der Qualitätssicherung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Besondere Bedeutung haben beide Streubereiche z. B. bei der Qualitätssicherung von technischen oder wirtschaftlichen Produktionsprozessen. Hier gibt es einzuhaltende Toleranzgrenzen und , wobei es meist einen größten noch akzeptablen Abstand vom Erwartungswert (= dem optimalen Sollwert) gibt. kann hingegen empirisch aus dem Produktionsprozess gewonnen werden.

Wurde als einzuhaltendes Toleranzintervall angegeben, so liegt (je nach Fragestellung) ein symmetrischer Streu- oder Antistreubereich vor.

Im Falle des Streubereiches gilt:

Der Antistreubereich ergibt sich dann aus

oder wenn kein Streubereich berechnet wurde durch

Das Ergebnis ist also die Wahrscheinlichkeit für verkaufbare Produkte, während die Wahrscheinlichkeit für Ausschuss bedeutet, wobei beides von den Vorgaben von , und abhängig ist.

Ist bekannt, dass die maximale Abweichung symmetrisch um den Erwartungswert liegt, so sind auch Fragestellungen möglich, bei denen die Wahrscheinlichkeit vorgegeben und eine der anderen Größen zu berechnen ist.

Testen auf Normalverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Quantile einer Normalverteilung und einer Chi-Quadrat-Verteilung

Um zu überprüfen, ob vorliegende Daten normalverteilt sind, können folgende Methoden angewandt werden:

Die Tests haben unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Art der Abweichungen von der Normalverteilung, die sie erkennen. So erkennt der Kolmogorov-Smirnov-Test Abweichungen in der Mitte der Verteilung eher als Abweichungen an den Rändern, während der Jarque-Bera-Test ziemlich sensibel auf stark abweichende Einzelwerte an den Rändern („heavy tails“) reagiert.

Beim Lilliefors-Test muss im Gegensatz zum Kolmogorov-Smirnov-Test nicht standardisiert werden, d. h., und der angenommenen Normalverteilung dürfen unbekannt sein.

Mit Hilfe von Quantil-Quantil-Plots (auch Normal-Quantil-Plots oder kurz Q-Q-Plot) ist eine einfache grafische Überprüfung auf Normalverteilung möglich.
Mit der Maximum-Likelihood-Methode können die Parameter und der Normalverteilung geschätzt und die empirischen Daten mit der angepassten Normalverteilung grafisch verglichen werden.

Parameterschätzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Oft sind die Parameter einer Normalverteilung nicht bekannt und müssen geschätzt werden. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn eine Reihe von Messwerten vorliegt, bei welcher man Grund zur Annahme hat, dass sie unabhängige Realisierungen einer normalverteilen Zufallsgröße mit unbekannten Parametern und sind.

Erwartungstreue Schätzer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Erwartungswert kann durch das arithmetische Mittel

geschätzt werden (siehe Schätzwert für den Erwartungswert).

Die Varianz kann über die korrigierte Stichprobenvarianz

geschätzt werden.

Beide Schätzer sind erwartungstreu.

Maximum-Likelihood-Schätzung der Verteilungsparameter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Artikel Varianzschätzung (Schätzung der Varianz der Grundgesamtheit), Normalverteilung#Maximum-Likelihood-Schätzung der Verteilungsparameter und Maximum-Likelihood-Methode#Stetige Verteilung, kontinuierlicher Parameterraum überschneiden sich thematisch. Hilf mit, die Artikel besser voneinander abzugrenzen oder zusammenzuführen (→ Anleitung). Beteilige dich dazu an der betreffenden Redundanzdiskussion. Bitte entferne diesen Baustein erst nach vollständiger Abarbeitung der Redundanz und vergiss nicht, den betreffenden Eintrag auf der Redundanzdiskussionsseite mit {{Erledigt|1=~~~~}} zu markieren. Zulu55 (Diskussion) Unwissen 11:20, 31. Mai 2013 (CEST)

Um die Parameter einer Normalverteilung zu schätzen, kann man auch die Maximum-Likelihood-Schätzung verwenden. Schätzer für den Erwartungswert und für die Varianz erhält man, indem die Log-Likelihood-Funktion für die Normalverteilung maximiert wird[5].

Als Maximum-Likelihood-Schätzer für ergibt damit ebenfalls , also das arithmetische Mittel der Messwerte.

Für die Varianz erhält man dagegen die unkorrigierte Stichprobenvarianz

und für die Standardabweichung

Diese Schätzer für Varianz bzw. Standardabweichung sind jedoch nicht bzw. nur asymptotisch erwartungstreu. Selbst wenn man einen erwartungstreuen Varianz-Schätzer verwendet, ist dessen Quadratwurzel – d. h. die Standardabweichung – im Allgemeinen nicht ebenfalls erwartungstreu.[6]

Erzeugung normalverteilter Zufallszahlen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Alle folgenden Verfahren erzeugen standardnormalverteilte Zufallszahlen. Durch lineare Transformation lassen sich hieraus beliebige normalverteilte Zufallszahlen erzeugen: Ist die Zufallsvariable -verteilt, so ist schließlich -verteilt.

Box-Muller-Methode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach der Box-Muller-Methode lassen sich zwei unabhängige, standardnormalverteilte Zufallsvariablen und aus zwei unabhängigen, gleichverteilten Zufallsvariablen , sogenannten Standardzufallszahlen, simulieren:

und

Polar-Methode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Polar-Methode

Die Polar-Methode von George Marsaglia ist auf einem Computer noch schneller, da sie keine Auswertungen von trigonometrischen Funktionen benötigt:

  1. Erzeuge zwei voneinander unabhängige, im Intervall gleichverteilte Zufallszahlen und
  2. Berechne . Falls oder , gehe zurück zu Schritt 1.
  3. Berechne .
  4. für liefert zwei voneinander unabhängige, standardnormalverteilte Zufallszahlen und .

Zwölferregel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der zentrale Grenzwertsatz besagt, dass sich unter bestimmten Voraussetzungen die Verteilung der Summe unabhängiger, identisch verteilter Zufallszahlen einer Normalverteilung nähert.

Ein Spezialfall ist die Zwölferregel, die sich auf die Summe von zwölf Zufallszahlen aus einer Gleichverteilung auf dem Intervall [0,1] beschränkt und bereits zu passablen Verteilungen führt.

Allerdings ist die geforderte Unabhängigkeit der zwölf Zufallsvariablen bei den immer noch häufig verwendeten Linearen Kongruenzgeneratoren (LKG) nicht garantiert. Im Gegenteil wird vom Spektraltest für LKG meist nur die Unabhängigkeit von maximal vier bis sieben der garantiert. Für numerische Simulationen ist die Zwölferregel daher sehr bedenklich und sollte, wenn überhaupt, dann ausschließlich mit aufwändigeren, aber besseren Pseudo-Zufallsgeneratoren wie z. B. dem Mersenne-Twister (Standard in Python, GNU R) oder WELL genutzt werden. Andere, sogar leichter zu programmierende Verfahren, sind daher i. d. R. der Zwölferregel vorzuziehen.

Verwerfungsmethode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Normalverteilungen lassen sich mit der Verwerfungsmethode (s. dort) simulieren.

Inversionsmethode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Normalverteilung lässt sich auch mit der Inversionsmethode berechnen. Da das Fehlerintegral leider nicht explizit mit elementaren Funktionen integrierbar ist, muss man auf Reihenentwicklungen der inversen Funktion für einen Startwert ( weiter unten) und anschließende Korrektur mit dem Newtonverfahren zurückgreifen. Dazu werden erf(x) und erfc(x) benötigt, die ihrerseits mit Reihenentwicklungen und Kettenbruchentwicklungen berechnet werden können – insgesamt ein relativ hoher Aufwand. Die notwendigen Entwicklungen sind in der Literatur zu finden.[7]

Entwicklung des inversen Fehlerintegrals (wegen des Pols nur als Startwert für das Newtonverfahren verwendbar):

mit den Koeffizienten

Anwendungen außerhalb der Wahrscheinlichkeitsrechnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Normalverteilung lässt sich auch zur Beschreibung nicht direkt stochastischer Sachverhalte verwenden, etwa in der Physik für das Amplitudenprofil der Gauß-Strahlen und andere Verteilungsprofile.

Zudem findet sie Verwendung in der Gabor-Transformation.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Stephen M. Stigler: The history of statistics: the measurement of uncertainty before 1900. Belknap Series. Harvard University Press, 1986. ISBN 9780674403413.

Fußnoten und Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Wolfgang Götze,Christel Deutschmann & Heike Link: Statistik. Lehr- und Übungsbuch mit Beispielen aus der Tourismus- und Verkehrswirtschaft. Oldenburg, München 2002, ISBN 3-486-27233-0, S. 170 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Hans Wußing: Von Gauß bis Poincaré: Mathematik und Industrielle Revolution. S. 33.
  3. Bei handelt es sich um die Exponentialfunktion mit der Basis
  4. Espen Gaarder Haug: The complete guide to option pricing formulas, Band 1, McGraw-Hill, 1998, ISBN 0-7863-1240-8, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
  5. Wolfram MathWorld: Maximum Likelihood
  6. Wolfram MathWorld: Sample Variance
  7. William B. Jones, W. J. Thron; Continued Fractions: Analytic Theory and Applications; Addison Wesley, 1980.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Normalverteilung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien