التوزيع الغاوسي المعكوس
في نظرية الاحتمالات ، يُعد التوزيع الغاوسي العكسي (المعروف أيضًا باسم توزيع والد ) عائلة من التوزيعات الاحتمالية المستمرة ذات معلَمين ، ولها نطاق على .
دالة كثافة الاحتمال الخاصة بها معطاة بـ
لـ، حيثهو المتوسط وهو مُعامل شكل . [ 1 ] إماأو( أو بشكل عام أي مزيج من الشكللأي حقيقييمكن أن يعمل ) كمعامل قياس ، لذا فإن معامل الشكل المناسب (أي غير المقياس) سيكون أي قوة غير صفرية لـ اقترح تويدي استخدامومعلمات إضافية بالإضافة إلى المعيار المعلمة ("كل من هذه الأشكال مناسب أو موحٍ لغرض ما." [ 2 ] )، وفي وقت لاحق يستخدم حصريًا تحديد المعلمات. [ 3 ]
يتمتع التوزيع الغاوسي المعكوس بعدة خصائص مشابهة للتوزيع الغاوسي . قد يكون الاسم مُضللاً بعض الشيء: فهو معكوس فقط من حيث أنه، بينما يصف التوزيع الغاوسي مستوى الحركة البراونية عند زمن ثابت، يصف التوزيع الغاوسي المعكوس توزيع الزمن الذي تستغرقه الحركة البراونية ذات الانحراف الموجب للوصول إلى مستوى موجب ثابت. وبالتالي، فإن العلاقة بين التوزيع الغاوسي والتوزيع الغاوسي المعكوس هي نفسها العلاقة بين التوزيع ذي الحدين (عدد مرات النجاح لعدد ثابت من تجارب برنولي ) والتوزيع ذي الحدين السالب (عدد مرات تجارب برنولي لعدد ثابت من مرات النجاح). [ 4 ]
انعكاسات المحور الصادي لدوال توليد العزوم التراكمية لتوزيعات غاوس وغاوس المعكوسة هي انعكاسات لبعضها البعض (أي أن رسوم دوال توليد العزوم التراكمية هي انعكاسات لبعضها البعض عبر الخط ).) ، وهي خاصية مشتركة أيضًا بين التوزيعات ذات الحدين والتوزيعات ذات الحدين السالبة (بعد قسمة دوال توليد العزوم التراكمية الخاصة بها على المعلمة الثابتة الخاصة بها). [ 4 ]
للإشارة إلى أن متغيرًا عشوائيًايتبع التوزيع الطبيعي العكسي بمتوسط and shape parameter we write .
Properties
Single parameter form
The probability density function (pdf) of the inverse Gaussian distribution has a single parameter form given by
In this form, the mean and variance of the distribution are equal, .
Also, the cumulative distribution function (cdf) of the single parameter inverse Gaussian distribution is related to the standard normal distribution by
where , , and the is the cdf of standard normal distribution. The variables and are related to each other by the identity .
In the single parameter form, the MGF simplifies to
An inverse Gaussian distribution in double parameter form can be transformed into a single parameter form by appropriate scaling , where .
The above paragraph can be re-written as: if , then [5]. This approach is better in the sense that it clearly shows dimensionless nature of the single parameter form (note that ). This property follows from a more general fact: if and , then [2].
The standard form of inverse Gaussian distribution is
Summation
If has an distribution for and all are independent, then
The special case shows that the inverse Gaussian distribution is infinitely divisible.
Note that
is constant for all . This is a necessary condition for the summation. Otherwise would not be Inverse Gaussian distributed.
Scaling
For any it holds that
Exponential family
The inverse Gaussian distribution is a two-parameter exponential family with natural parameters and , and natural statistics and .
For fixed, it is also a single-parameter natural exponential family distribution[6] where the base distribution has density
Indeed, with ,
is a density over the reals. Evaluating the integral, we get
Substituting makes the above expression equal to .
Relationship with Brownian motion

لنفترض أن العملية العشوائيةيُعطى بواسطة
أين هي حركة براونية قياسية. أي أن هي حركة براونية مع انجراف .
ثم زمن المرور الأول لمستوى ثابتبواسطةيتم توزيعها وفقًا لتوزيع غاوسي معكوس:
أي
(انظر معادلة شرودنغر [ 7 ] 19، وسمولوشوفسكي [ 8 ] ، المعادلة 8، وفولكس [ 5 ] ، المعادلة 1).
اشتقاق توزيع زمن المرور الأول |
|---|
لنفترض أن لدينا حركة براونيةمع الانجرافمُعرَّف بواسطة: ولنفترض أننا نرغب في إيجاد دالة كثافة الاحتمال للوقت الذي تصطدم فيه العملية بحاجز ما لأول مرة- تُعرف باسم زمن المرور الأول. معادلة فوكر-بلانك التي تصف تطور التوزيع الاحتمالييكون: أينهي دالة ديراك دلتا . هذه مسألة قيمة حدية (BVP) ذات شرط حدّي امتصاصي واحد.والتي يمكن حلها باستخدام طريقة الصور . بناءً على الشرط الأولي، الحل الأساسي لمعادلة فوكر-بلانك، ويرمز له بـ، يكون: حدد نقطة، بحيثسيسمح هذا للحلول الأصلية والمرآة بالتلاشي تمامًا عند الحاجز في كل لحظة زمنية. وهذا يعني أنه يجب تعديل الشرط الأولي ليصبح: أينثابت. وبسبب خطية مسألة القيمة الحدية، فإن حل معادلة فوكر-بلانك مع هذه الشروط الابتدائية هو: والآن يجب علينا تحديد قيمة . يقتضي شرط الامتصاص الكامل للحدود ما يلي: فيلدينا ذلك. بالتعويض بهذا في المعادلة أعلاه، نجد أن: وبالتالي، فإن الحل الكامل لمسألة القيمة الحدية هو: الآن وقد أصبح لدينا دالة كثافة الاحتمال الكاملة، أصبحنا جاهزين لإيجاد توزيع زمن المرور الأول .أبسط طريقة هي حساب دالة البقاء أولاً .، والذي يُعرَّف على النحو التالي: أينهي دالة التوزيع التراكمي للتوزيع الطبيعي القياسي . تعطينا دالة البقاء احتمال عدم تجاوز عملية الحركة البراونية للحاجز.في وقت ماوأخيرًا ، توزيع زمن المرور الأوليتم الحصول عليها من الهوية التالية: بافتراض أن، يتبع زمن المرور الأول توزيعًا غاوسيًا معكوسًا: |
عندما يكون الانحراف صفراً
تنشأ حالة خاصة شائعة لما سبق عندما لا يكون للحركة البراونية أي انجراف. في هذه الحالة، يكون المعامل يؤول إلى اللانهاية ، ووقت المرور الأول لمستوى ثابتدالة كثافة الاحتمال
(انظر أيضًا Bachelier [ 9 ] : 74 [ 10 ] : 39 ). هذا توزيع ليفي ذو معلماتو .
أقصى احتمال
النموذج حيث
مع الجميعمعروف ،مجهول وكل شيءللمستقل دالة الاحتمال التالية :
ينتج عن حل معادلة الاحتمالية تقديرات الاحتمالية القصوى التالية
ومستقلون و
أخذ العينات من توزيع غاوسي معكوس
يمكن استخدام الخوارزمية التالية. [ 11 ]
قم بتوليد متغير عشوائي من توزيع طبيعي بمتوسط والانحراف المعياري يساوي
ربع القيمة
واستخدم العلاقة
قم بتوليد متغير عشوائي آخر، هذه المرة يتم أخذ عينة منه من توزيع منتظم بينو
لوثم العودة وإلا فارجع
نموذج كود بلغة جافا :
public double inverseGaussian ( double mu , double lambda ) { Random rand = new Random (); double v = rand.nextGaussian ( ); // أخذ عينة من توزيع طبيعي بمتوسط 0 وانحراف معياري 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 ( ); // أخذ عينة من توزيع منتظم بين 0 و 1 if ( test < = ( mu ) / ( mu + x ) ) return x ; else return ( mu * mu ) / x ; }
ولرسم توزيع والد في بايثون باستخدام matplotlib و NumPy :
استيراد matplotlib.pyplot كـ plt واستيراد numpy كـ nph = plt.hist ( np.random.wald ( 3 , 2 , 100000 ) , bins = 200 , density = True )plt.show ( )التوزيعات ذات الصلة
يُستخدم الالتفاف بين التوزيع الغاوسي العكسي (توزيع والد) والتوزيع الأسي (توزيع إكس-والد) كنموذج لأوقات الاستجابة في علم النفس، [ 13 ] مع البحث البصري كمثال على ذلك. [ 14 ]
تاريخ
يبدو أن هذا التوزيع قد تم اشتقاقه لأول مرة عام 1900 على يد لويس باشيليه [ 9 ] [ 10 ] باعتباره الوقت الذي يصل فيه سعر السهم إلى سعر معين لأول مرة. وفي عام 1915، استخدمه إرفين شرودنغر [ 7 ] وماريان فون سمولوشوفسكي [ 8 ] بشكل مستقل باعتباره الوقت اللازم لأول مرور لحركة براونية. في مجال نمذجة التكاثر، يُعرف هذا التوزيع باسم دالة هادويغر، نسبةً إلى هوغو هادويغر الذي وصفه عام 1940. [ 15 ] أعاد أبراهام والد اشتقاق هذا التوزيع عام 1944 [ 16 ] باعتباره الشكل النهائي لعينة في اختبار نسبة الاحتمال المتسلسل. اقترح موريس تويدي اسم التوزيع الغاوسي المعكوس عام 1945. [ 4 ] درس تويدي هذا التوزيع عامي 1956 [ 17 ] و1957 [ 2 ] [ 3 ] وأثبت بعض خصائصه الإحصائية. تمت مراجعة التوزيع بشكل موسع من قبل فولكس وشيكارا في عام 1978. [ 5 ]
توزيع غاوسي معكوس مصنف
بافتراض أن الفترات الزمنية بين حدوث ظاهرة عشوائية تتبع توزيعًا غاوسيًا معكوسًا، يُشار إلى التوزيع الاحتمالي لعدد مرات حدوث هذا الحدث خلال فترة زمنية محددة باسم التوزيع الغاوسي المعكوس المصنف . [ 18 ] وبينما يتم حساب العزم الأول والثاني لهذا التوزيع، فإن اشتقاق دالة توليد العزم لا يزال يمثل مشكلة مفتوحة.
الحساب العددي والبرمجيات
على الرغم من بساطة صيغة دالة كثافة الاحتمال، فإن حسابات الاحتمال العددي لتوزيع غاوس العكسي تتطلب عناية خاصة لتحقيق دقة كاملة للآلة في العمليات الحسابية ذات الفاصلة العائمة لجميع قيم المعلمات. [ 19 ] توفر العديد من الحزم البرمجية في لغة البرمجة R دوالًا لتوزيع غاوس العكسي، بما في ذلك rmutil، [ 20 ] [ 21 ] وSuppDists، [ 22 ] وSTAR، [ 23 ] وinvGauss، [ 24 ] وLaplacesDemon، [ 25 ] وstatmod. [ 26 ]
انظر أيضاً
- التوزيع الغاوسي المعكوس المعمم
- توزيع تويدي – يُعد التوزيع الغاوسي المعكوس أحد نماذج التشتت الأسي لتويدي
- إيقاف الزمن
مراجع
- 1 2 تشيكارا، راج س.؛ فولكس، ج. ليروي (1989)، التوزيع الغاوسي العكسي: النظرية والمنهجية والتطبيقات ، نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: مارسيل ديكر، إنك، ISBN 0-8247-7997-5
- 1 2 3 تويدي، إم سي كيه (1957). "الخواص الإحصائية لتوزيعات غاوس المعكوسة 1" . حوليات الإحصاء الرياضي . 28 (2): 362-377 . doi : 10.1214/aoms/1177706964 . JSTOR 2237158 .
- 1 2 تويدي، إم سي كيه (1957). "الخواص الإحصائية لتوزيعات غاوس المعكوسة II" . حوليات الإحصاء الرياضي . 28 (3): 696-705 . doi : 10.1214/aoms/1177706881 . JSTOR 2237229 .
- 1 2 3 تويدي، ماك (1945). "المتغيرات الإحصائية العكسية" . مجلة نيتشر . 155 (3937): 453. رمز Bibcode : 1945Natur.155..453T . doi : 10.1038/155453a0 . S2CID 4113244 .
- 1 2 3 Folks, J. Leroy; Chhikara, Raj S. (1978), "التوزيع الغاوسي العكسي وتطبيقاته الإحصائية - مراجعة"، مجلة الجمعية الإحصائية الملكية ، السلسلة ب (المنهجية)، 40 (3): 263-275 ، doi : 10.1111/j.2517-6161.1978.tb01039.x ، JSTOR 2984691 ، S2CID 125337421
- ↑ سيشادري، ف. (1999)، التوزيع الغاوسي العكسي ، سبرينغر-فيرلاغ، ISBN 978-0-387-98618-0
- 1 2 شرودنغر، إروين (1915)، “Zur Theorie der Fall- und Steigver suche an Teilchen mit Brownscher Bewegung” [ حول نظرية تجارب السقوط والصعود على الجسيمات ذات الحركة البراونية ] ، Physikalische Zeitschrift (بالألمانية)، 16 (16) : 289–295
- 1 2 سمولوتشوفسكي، ماريان (1915)، “Notiz über die Berechnung der Brownschen Molekularbewegung bei der Ehrenhaft-Millikanschen Ver suchsanordnung” [ ملاحظة حول حساب الحركة الجزيئية البراونية في إعداد Ehrenhaft-Millikan التجريبي ] ، Physikalische Zeitschrift (في الألمانية) 16 (17/ 18): 318 - 321
- 1 2 باشيلير، لويس (1900)، “Théorie de la spéculation” [ نظرية المضاربة ] (PDF) ، آن. الخيال العلمي. المفوضية الأوروبية. نورم. ممتاز. (بالفرنسية)، الدوري الإيطالي 3، 17: 21–89 ، دوى : 10.24033/asens.476
- 1 2 باشيليه، لويس (1900)، "نظرية المضاربة" ، حوليات العلوم، المدرسة العليا العادية ، السلسلة 3، 17: 21-89 (الترجمة الإنجليزية لديفيد ر. ماي، 2011)، doi : 10.24033/asens.476
- ↑ مايكل، جون ر.؛ شوكاني، ويليام ر.؛ هاس، روي و. (1976)، "توليد متغيرات عشوائية باستخدام تحويلات ذات جذور متعددة"، الإحصائي الأمريكي ، 30 (2): 88-90 ، doi : 10.1080/00031305.1976.10479147 ، JSTOR 2683801
- ↑ شوستر، ج. (1968). "حول دالة التوزيع الغاوسي العكسي". مجلة الجمعية الإحصائية الأمريكية . 63 (4): 1514-1516 . doi : 10.1080/01621459.1968.10480942 .
- ↑ شوارتز، وولفغانغ (2001)، "توزيع إكس-والد كنموذج وصفي لأوقات الاستجابة"، أساليب البحث السلوكي، والأدوات، والحواسيب ، 33 (4): 457-469 ، doi : 10.3758/bf03195403 ، PMID 11816448
- ↑ بالمر، إي إم؛ هورويتز، تي إس؛ تورالبا، إيه؛ وولف، جيه إم (2011). "ما هي أشكال توزيعات زمن الاستجابة في البحث البصري؟" . مجلة علم النفس التجريبي: الإدراك والأداء البشري . 37 (1): 58-71 . doi : 10.1037/a0020747 . PMC 3062635. PMID 21090905 .
- ^ هادويجر، هـ. (1940). "وظيفة الاستنساخ التحليلي للأبحاث البيولوجية". سكاندينافيسك Aktuarietidskrijt . 7 ( 3– 4): 101– 113. دوى : 10.1080/03461238.1940.10404802 .
- ↑ والد، أبراهام (1944)، "حول المجاميع التراكمية للمتغيرات العشوائية"، حوليات الإحصاء الرياضي ، 15 (3): 283-296 ، doi : 10.1214/aoms/1177731235 ، JSTOR 2236250
- ↑ تويدي، إم سي كيه (1956). "بعض الخصائص الإحصائية لتوزيعات غاوس المعكوسة". مجلة فرجينيا للعلوم . السلسلة الجديدة. 7 (3): 160-165 .
- ↑ توزيع المدخلات الذي يحقق التكلفة لكل وحدة من السعة للخلايا العصبية البيولوجية ذات التوزيع الغاوسي العكسي المصنف، بقلم: م. ناصرائي، هـ. م. كوردي، ج. كازيميتابار، مجلة IEEE للمعاملات في الاتصالات، 70 (6)، 3788-3803
- ↑ جينر، جوكنور؛ سميث، جوردون (أغسطس 2016). "statmod: حسابات احتمالية لتوزيع غاوسي معكوس" . مجلة R. 8 ( 1): 339-351 . arXiv : 1603.06687 . doi : 10.32614/RJ-2016-024 .
- ↑ ليندسي، جيمس (2013-09-09). "rmutil: أدوات مساعدة لنماذج الانحدار غير الخطي ونماذج القياسات المتكررة" .
- ↑ سويارت، بروس؛ ليندسي، جيمس (2019-03-04). "rmutil: أدوات مساعدة لنماذج الانحدار غير الخطي ونماذج القياسات المتكررة" .
- ↑ ويلر، روبرت (2016-09-23). "SuppDists: التوزيعات التكميلية" .
- ↑ بوزات، كريستوف (2015-02-19). "STAR: تحليل قطارات النبضات باستخدام R" .
- ↑ جيسينج، هاكون ك. (2014-03-29). "انحدار العتبة الذي يناسب التوزيع الغاوسي العكسي (الانحراف العشوائي) لبيانات البقاء" .
- ↑ هول، بايرون؛ هول، مارتينا؛ ستاتيستيكات، ذ.م.م.؛ براون، إريك؛ هيرمانسون، ريتشارد؛ شاربنتييه، إيمانويل؛ هيك، دانيال؛ لوران، ستيفان؛ غروناو، كوينتين ف.؛ سينغمان، هنريك (29-03-2014). "لابلاس ديمون: بيئة كاملة للاستدلال البايزي" .
- ↑ جينر، جوكنور؛ سميث، جوردون (2017-06-18). "statmod: النمذجة الإحصائية" .
للمزيد من القراءة
- هويلاند، أرنليوت ؛ راوساند، مارفن (1994). نظرية موثوقية الأنظمة . نيويورك: وايلي. ISBN 978-0-471-59397-3.
- سيشادري، ف. (1993). التوزيع الغاوسي العكسي . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-852243-0.
روابط خارجية
- توزيع غاوسي معكوس في موقع Wolfram الإلكتروني.
- التوزيعات المستمرة
- توزيعات العائلة الأسية
- توزيعات احتمالية قابلة للقسمة بلا حدود
