Shpërndarja log-normale

Nga testwiki
Kërceni tek navigimi Kërceni tek kërkimi

Stampa:Infobox shpërndarja e gjasës

teorinë e probabilitetit, një shpërndarje log-normale (ose lognormale ) është një shpërndarje e vazhdueshme probabiliteti e një ndryshoreje të rastit logaritmi i së cilës shpërndahet normalisht . Kështu, nëse ndryshorja e rastit X është e shpërndarë në mënyrë log-normale, atëherë Y=lnX ka një shpërndarje normale. [1] [2] Në mënyrë ekuivalente, nëse Y ka një shpërndarje normale, atëherë funksioni eksponencial i Y, X=eY, ka një shpërndarje log-normale. Një ndryshore e rastit e cila shpërndahet log-normalisht merr vetëm vlera reale pozitive. Është një model i përshtatshëm dhe i dobishëm për matjet në shkencat ekzakte dhe inxhinierike, si dhe mjekësi, ekonomi dhe tema të tjera (p.sh., energjitë, përqendrimet, gjatësitë, çmimet e instrumenteve financiare dhe metrika të tjera).

Shpërndarja përmendet herë pas here si shpërndarja Galton ose shpërndarja e Galtonit, pas Francis Galton. Shpërndarja log-normale është shoqëruar edhe me emra të tjerë, si McAlister, Gibrat dhe Cobb-Douglas .

Një proces log-normal është realizimi statistikor i produktit shumëzues të shumë ndryshoreve të rastit të pavarura, secila prej të cilave është pozitive. Kjo justifikohet duke marrë parasysh teoremën qëndrore limite në domenin logaritmik (nganjëherë quhet ligji i Gibratit ). Shpërndarja log-normale është shpërndarja maksimale e probabilitetit të entropisë për një variacion të rastit X — për të cilin është specifikuar mesatarja dhe varianca e ln(X) . [3]

Përkufizimet

Gjenerimi dhe parametrat

Le Z të jetë një ndryshore normale standarde dhe le të jetë μ dhe σ>0 të jenë dy numra realë. Pastaj, shpërndarja e ndryshores së rastit

X=eμ+σZ

quhet shpërndarja log-normale me parametra μ dhe σ . Këto janë pritja matematike (ose mesatarja ) dhe shmangia standarde e logaritmit natyror të ndryshores, jo pritshmëria dhe devijimi standard i X vetë.

Lidhja ndërmjet shpërndarjes normale dhe log-normale. Nëse Y=μ+σZ atëherë shpërndahet normalisht XeY shpërndahet log-normalisht.

Kjo marrëdhënie është e vërtetë pavarësisht nga baza e funksionit logaritmik ose eksponencial: nëse loga(X) shpërndahet normalisht, atëherë kështu është logb(X) për çdo dy numra pozitivë a,b1 . Po kështu, nëse eY shpërndahet log-normalisht, atëherë kështu është aY, ku 0<a1 .

Për të prodhuar një shpërndarje me mesataren e dëshiruar μX dhe variancë σX2, përdoret μ=ln(μX2μX2+σX2) dhe σ2=ln(1+σX2μX2).

Funksioni i densitetit të probabilitetit

Një ndryshore e rastit pozitive X është e shpërndarë log-normalisht (d.m.th. XLognormal(μx,σx2) ), nëse logaritmi natyror i X është i shpërndarë normalisht me mesatare μ dhe variancë σ2 :

ln(X)𝒩(μ,σ2)

Le të jenë Φ dhe φ përkatësisht funksioni mbledhës i shpërndarjes së probabilitetit dhe funksioni i dendësisë së probabilitetit të shpërndarjes N (0,1), atëherë marrim [1]

fX(x)=ddxPr(Xx)=ddxPr(lnXlnx)=ddxΦ(lnxμσ)=φ(lnxμσ)ddx(lnxμσ)=φ(lnxμσ)1σx=1xσ2πexp((lnxμ)22σ2).

Funksioni i shpërndarjes mbledhëse

The cumulative distribution function is

FX(x)=Φ((lnx)μσ)

ku Φ është funksioni mbledhës i shpërndarjes së shpërndarjes normale standarde (dmth., N(0,1)).

Kjo mund të shprehet edhe si vijon: [1]

12[1+erf(lnxμσ2)]=12erfc(lnxμσ2)

ku erfc është funksioni i gabimit plotësues .

Modaliteti, mesatarja, kuantilet

Krahasimi i mesatares, medianës dhe modës së dy shpërndarjeve log-normale me anësi të ndryshme.

Moda është pika e maksimumit global të funksionit të dendësisë së probabilitetit. Në veçanti, duke zgjidhur ekuacionin (lnf)=0, marrim se:

Mode[X]=eμσ2.

Meqenëse ndryshorja e log-transformuar Y=lnX ka një shpërndarje normale, dhe kuantilet ruhen nën shndërrimet monotonike, kuantilet e X janë

qX(α)=eμ+σqΦ(α)=μ*(σ*)qΦ(α),

ku qΦ(α) është kuantili i shpërndarjes normale standarde.

Në mënyrë të veçantë, mediana e një shpërndarjeje log-normale është e barabartë me mesataren e saj shumëzuese, [4]

Med[X]=eμ=μ*.

Pritja e pjesshme

Pritja e pjesshme e një ndryshoreje të rastit X në lidhje me një prag k përkufizohet si

g(k)=kxfX(xX>k)dx.

Përndryshe, duke përdorur përkufizimin e pritjes së kushtëzuar, mund të shkruhet si g(k)=E[XX>k]P(X>k) . Për një ndryshore të rastit log-normale, pritja e pjesshme jepet nga:

g(k)=kxfX(xX>k)dx=eμ+12σ2Φ(μ+σ2lnkσ)

ku Φ është funksioni normal kumulativ i shpërndarjes.

Pritja e kushtëzuar

Pritja e kushtëzuar e një ndryshoreje të rastit log-normale X - në lidhje me një prag k — A është pritshmëria e saj e pjesshme e ndarë me probabilitetin mbledhës për të qenë në atë shtrirje:

E[XX<k]=eμ+σ22Φ[ln(k)μσ2σ]Φ[ln(k)μσ]E[XXk]=eμ+σ22Φ[μ+σ2ln(k)σ]1Φ[ln(k)μσ][8pt]E[XX[k1,k2]]=eμ+σ22Φ[ln(k2)μσ2σ]Φ[ln(k1)μσ2σ]Φ[ln(k2)μσ]Φ[ln(k1)μσ]

Shumëfishi, e anasjellta, fuqia

  • Shumëzimi me një konstante: Nëse XLognormal(μ,σ2) atëherë aXLognormal(μ+lna, σ2) për a>0.
  • Reciproke: Nëse XLognormal(μ,σ2) atëherë 1XLognormal(μ, σ2).
  • Fuqia: Nëse XLognormal(μ,σ2) atëherë XaLognormal(aμ, a2σ2) për a0.

Shumëzimi dhe pjesëtimi i ndryshoreve të rastit të pavarura, log-normale

Nëse dy ndryshore të pavarura, log-normale X1 dhe X2 janë shumëzuar [pjestuar], produkti [raporti] është përsëri log-normal, me parametra μ=μ1+μ2 [ μ=μ1μ2 ] dhe σ, ku σ2=σ12+σ22 . Kjo përgjithësohet lehtësisht në produktin e n ndryshoreve të tilla.

Në përgjithësi, nëse XjLognormal(μj,σj2) janë n ndryshore të pavarura, të shpërndara normalisht në log, atëherë Y=j=1nXjLognormal(j=1nμj, j=1nσj2).

Shpërndarjet e ndërlidhura

  • Nëse X𝒩(μ,σ2) është një shpërndarje normale, atëherë eXLognormal(μ,σ2).
  • Nëse XLognormal(μ,σ2) shpërndahet log-normalisht, atëherë ln(X)𝒩(μ,σ2) është një ndryshore e rastit normale.
  • Le XjLognormal(μj,σj2) të jenë ndryshore të pavarura log-normalisht të shpërndara me mundësisht të ndryshme σ dhe μ parametrat, dhe Y=j=1nXj . Shpërndarja e Y nuk ka shprehje në formë të mbyllur, por mund të përafrohet në mënyrë të arsyeshme nga një shpërndarje tjetër log-normale Z në bishtin e djathtë. [5] Funksioni i tij i dendësisë së probabilitetit në afërsi të 0-së është karakterizuar dhe nuk i ngjan ndonjë shpërndarjeje log-normale. Një përafrim i përdorur zakonisht për shkak të LF Fenton (por i deklaruar më parë nga RI Wilkinson dhe i justifikuar matematikisht nga Marlow [6] ) përftohet duke përputhur mesataren dhe variancën e një shpërndarjeje tjetër log-normale:
  • σZ2=ln[e2μj+σj2(eσj21)(eμj+σj2/2)2+1],μZ=ln[eμj+σj2/2]σZ22.σZ2=ln[e2μj+σj2(eσj21)(eμj+σj2/2)2+1],μZ=ln[eμj+σj2/2]σZ22.σZ2=ln[(eσ21)e2μj(eμj)2+1],μZ=ln[eμj]+σ22σZ22.

Shuma e ndryshoreve të rastit të korreluara log-normalisht të shpërndara mund të përafrohet gjithashtu nga një shpërndarje log-normale S+=E[iXi]=iE[Xi]=ieμi+σi2/2σZ2=1/S+2i,jcorijσiσjE[Xi]E[Xj]=1/S+2i,jcorijσiσjeμi+σi2/2eμj+σj2/2μZ=ln(S+)σZ2/2

  • Nëse XLognormal(μ,σ2) pastaj X+c thuhet se ka një shpërndarje log-normale me tre parametra me mbështetje x(c,+) . [7] E[X+c]=E[X]+c , Var[X+c]=Var[X] .
  • Shpërndarja log-normale është një rast i veçantë i shpërndarjes SU gjysmë të kufizuar të Xhonsonit . [8]
  • Nëse XYRayleigh(Y) me YLognormal(μ,σ2), pastaj XSuzuki(μ,σ) ( Shpërndarja Suzuki ).

Konkluzioni statistikor

Vlerësimi i parametrave

Për përcaktimin e vlerësuesve të përgjasisë maksimale të parametrave të shpërndarjes log-normale μ dhe σ, mund të përdorim të njëjtën procedurë si për shpërndarjen normale . Vini re seL(μ,σ)=i=1n1xiφμ,σ(lnxi),ku φ është funksioni i dendësisë së shpërndarjes normale 𝒩(μ,σ2) . Prandaj, funksioni log-përgjasi është(μ,σx1,x2,,xn)=ilnxi+N(μ,σlnx1,lnx2,,lnxn).Meqenëse termi i parë është konstant në lidhje me μ dhe σ, të dy funksionet e përgjasisë logaritmike, dhe N, arrijnë maksimumin e tyre me të njëjtën μ dhe σ . Prandaj, vlerësuesit e përgjasisë maksimale janë identikë me ata për një shpërndarje normale për vëzhgimet lnx1,lnx2,,lnxn) ,μ^=ilnxin,σ^2=i(lnxiμ^)2n.

Ndodhia dhe zbatimet

Shpërndarja log-normale është e rëndësishme në përshkrimin e dukurive natyrore. Shumë procese të rritjes natyrore nxiten nga mbledhja i shumë ndryshimeve të vogla në përqindje të cilat bëhen shtuese në një shkallë logaritmike. Nën kushte të përshtatshme rregullsie, shpërndarja e ndryshimeve të mbledhura që rezultojnë do të përafrohet gjithnjë e më mirë nga një log-normale. Ky njihet gjithashtu si ligji i Gibratit, sipas Robert Gibrat (1904–1980) i cili e formuloi atë për kompanitë. [9] Nëse shkalla e mbledhjes së këtyre ndryshimeve të vogla nuk ndryshon me kalimin e kohës, rritja bëhet e pavarur nga madhësia. Edhe nëse ky supozim nuk është i vërtetë, shpërndarjet e madhësisë në çdo moshë të gjërave që rriten me kalimin e kohës priren të jenë log-normale. Rrjedhimisht, shtrirja e referencës për matjet në individë të shëndetshëm vlerësohen më saktë duke supozuar një shpërndarje log-normale sesa duke supozuar një shpërndarje simetrike rreth mesatares. 

Një justifikim i dytë bazohet në vëzhgimin se ligjet themelore natyrore nënkuptojnë shumëzime dhe pjesëtime të ndryshoreve pozitive. Shembuj janë ligji i thjeshtë i gravitetit që lidh masat dhe largësinë me forcën që rezulton, ose formula për përqendrimet e baraspeshës të kimikateve në një tretësirë që lidh përqendrimet e edukteve dhe produkteve. Supozimi i shpërndarjeve log-normale të ndryshoreve të përfshira çon në modele të qëndrueshme në këto raste.

Sjellje njerezore

  • Gjatësia e komenteve të postuara në forumet e diskutimit në internet ndjek një shpërndarje log-normale. [10]
  • Koha e qëndrimit të përdoruesve nëpër artikuj online (shaka, lajme etj.) ndjek një shpërndarje normale.
  • Kohëzgjatja e lojërave të shahut priret të ndjekë një shpërndarje log-normale. [11]
  • Kohëzgjatja e fillimit të stimujve të krahasimit akustik që përputhen me një stimul standard ndjekin një shpërndarje log-normale. [12]

Biologji dhe mjekësi

  • Matjet e madhësisë së indeve të gjallë (gjatësia, zona e lëkurës, pesha). [13]
  • Periudha e inkubacionit të sëmundjeve. [14]
  • Diametrat e njollave të gjetheve të bananes, myk pluhur në elb. [15]
  • Për epidemitë shumë të transmetueshme, si SARS në 2003, nëse përfshihen politikat e kontrollit të ndërhyrjes publike, numri i rasteve të shtruara në spital tregohet se plotëson shpërndarjen log-normale pa parametra të lirë nëse supozohet një entropi dhe shmangie standarde përcaktohet nga parimi i shkallës maksimale të prodhimit të entropisë . [16]
  • Gjatësia e shtojcave inerte (flokët, kthetrat, thonjtë, dhëmbët) e ekzemplarëve biologjikë. 
  • Disa matje fiziologjike, të tilla si tensioni i gjakut i njerëzve të rritur (pas ndarjes në nënpopullata meshkuj/femra). [17]
  • Disa variabla farmakokinetikë, si C <sub id="mwAsM">max</sub>, koha e gjysëmeliminimit dhe konstantja e shkallës së eliminimit . [18]
  • Në neuroshkencë, shpërndarja e ritmeve të shkrepjes në një popullatë neuronesh është shpesh afërsisht log-normale. Kjo është vërejtur fillimisht në korteks dhe striatum dhe më vonë në hipokampus dhe korteksin entorhinal, [19] dhe gjetkë në tru. [20] [21] Gjithashtu, shpërndarjet e fitimit të brendshëm dhe shpërndarjet e peshës sinaptike duket të jenë gjithashtu log-normale [22] .
  • Në menaxhimin e sallave të operacionit, shpërndarja e kohëzgjatjes së operacionit .
  • Në madhësinë e orteqeve të thyerjeve në citoskeletin e qelizave të gjalla, duke treguar shpërndarje log-normale, me madhësi dukshëm më të lartë në qelizat kancerogjene sesa ato të shëndetshme. [23]

Kimia

  • Shpërndarjet e madhësisë së grimcave dhe shpërndarjet e masës molare .
  • Përqendrimi i elementeve të rrallë në minerale. [24]
  • Diametrat e kristaleve në akullore, pika vaji në majonezë, poret në tortën me kakao. [15]
Shpërndarja mbledhëse log-normale e përshtatur me reshje maksimale vjetore 1-ditore, shih përshtatjen e shpërndarjes

Shkencat sociale dhe demografia

  • ekonomi, ka dëshmi se të ardhurat e 97%-99% të popullsisë shpërndahen log-normalisht. [25] (Shpërndarja e personave me të ardhura më të larta ndjek një shpërndarje Pareto ).
  • Nëse një shpërndarje e të ardhurave ndjek një shpërndarje log-normale me shmangie standarde σ, atëherë koeficienti Gini, i përdorur zakonisht për të vlerësuar pabarazinë e të ardhurave, mund të llogaritet si G=erf(σ2) ku erf është funksioni i gabimit, pasi G=2Φ(σ2)1, ku Φ(x) është funksioni mbledhës i shpërndarjes së një shpërndarjeje normale standarde.
  • financë, në veçanti modeli Black–Scholes, ndryshimet në logaritmin e kurseve të këmbimit, indekseve të çmimeve dhe indekseve të tregut të aksioneve supozohen normale [26] (këto ndryshore sillen si interes i përbërë, jo si interes i thjeshtë, dhe kështu janë shumëzuese) . Megjithatë, disa matematikanë të tillë si Benoit Mandelbrot kanë argumentuar [27] se shpërndarjet log-Lévy, e cila ka për karakteristikë bishta të rëndë do të ishte një model më i përshtatshëm, veçanërisht për analizën për rrëzimet e tregut të aksioneve . Në të vërtetë, shpërndarjet e çmimeve të aksioneve zakonisht shfaqin një bisht të trashë . [28] Shpërndarja me bishta të trashë e ndryshimeve gjatë rrëzimeve të tregut të aksioneve zhvlerëson supozimet e teoremës qëndrore limite .
  • Në Scientometrics, numri i citimeve në artikujt e revistave dhe patentave ndjek një shpërndarje diskrete log-normale. [29] [30]
  • Madhësitë e qyteteve (popullsia) plotësojnë Ligjin e Gibratit. [31] Procesi i rritjes së përmasave të qyteteve është proporcional dhe i pandryshueshëm në lidhje me madhësinë. Prandaj, nga teorema qëndrore limite, regjistri i madhësisë së qytetit shpërndahet normalisht.
  • Numri i partnerëve seksualë duket se përshkruhet më së miri nga një shpërndarje log-normale. [32]

Teknologjia

  • Në analizën e besueshmërisë, shpërndarja log-normale përdoret shpesh për të modeluar kohët për të riparuar një sistem të mirëmbajtshëm. [33]
  • komunikimin me valë, "fuqia mesatare vendore e shprehur në vlera logaritmike, të tilla si dB ose neper, ndjek një shpërndarje normale (dmth. Gaussian). [34] Gjithashtu, pengimi i rastësishëm i sinjaleve të radios për shkak të ndërtesave dhe kodrave të mëdha, i quajtur hijezim, shpesh modelohet si një shpërndarje log-normale.
  • Shpërndarja e madhësisë së skedarit të skedarëve audio dhe video të qasshme publikisht ( llojet MIME ) ndjek një shpërndarje log-normale mbi pesë rende madhësie . [35]
  • Madhësitë e skedarëve prej 140 milionë skedarësh në kompjuterët personalë që përdorin Windows OS, të mbledhura në vitin 1999. [36] [10]
  • Madhësitë e emaileve të bazuara në tekst (1990) dhe emaileve të bazuara në multimedia (2000). [10]
  • Në rrjetet kompjuterike dhe analizën e trafikut të internetit, log-normal paraqitet si një model i mirë statistikor për të përfaqësuar sasinë e trafikut për njësi të kohës. Kjo është treguar duke zbatuar një qasje të fuqishme statistikore në një grup të madh gjurmësh reale të internetit.
  1. 1,0 1,1 1,2 Stampa:Cite web Gabim citimi: Invalid <ref> tag; name ":1" defined multiple times with different content
  2. Stampa:Cite web
  3. Stampa:Cite journal Table 1, p. 221.
  4. Stampa:Cite book
  5. Stampa:Cite journal
  6. Stampa:Cite journal
  7. Stampa:Cite journal
  8. Stampa:Cite journal
  9. Stampa:Cite journal
  10. 10,0 10,1 10,2 Stampa:Cite journal Gabim citimi: Invalid <ref> tag; name ":3" defined multiple times with different content
  11. Stampa:Cite web
  12. Stampa:Cite journal
  13. Stampa:Cite book
  14. Sartwell, Philip E. "The distribution of incubation periods of infectious disease." American journal of hygiene 51 (1950): 310-318.
  15. 15,0 15,1 Stampa:Cite journal Gabim citimi: Invalid <ref> tag; name ":0" defined multiple times with different content
  16. Stampa:Cite journal
  17. Stampa:Cite journal
  18. Stampa:Cite journal
  19. Stampa:Cite journal
  20. Stampa:Cite journal
  21. Stampa:Cite journal
  22. Stampa:Cite journal
  23. Polizzi, S., Laperrousaz, B., Perez-Reche, F. J., Nicolini, F. E., Satta, V. M., Arneodo, A., & Argoul, F. (2018). A minimal rupture cascade model for living cell plasticity. New Journal of Physics, 20(5), 053057. doi: https://doi.org/10.1088/1367-2630/aac3c7
  24. Stampa:Cite journal
  25. Clementi, Fabio; Gallegati, Mauro (2005) "Pareto's law of income distribution: Evidence for Germany, the United Kingdom, and the United States", EconWPA
  26. Stampa:Cite journal
  27. Stampa:Cite book
  28. Bunchen, P., Advanced Option Pricing, University of Sydney coursebook, 2007
  29. Stampa:Cite journal
  30. Stampa:Cite journal
  31. Stampa:Cite journal
  32. Stampa:Cite journal
  33. Stampa:Cite book
  34. Stampa:Cite web
  35. Stampa:Cite journal
  36. Stampa:Cite journal