Мультиномиальное распределение зависимых случайных величин

Материал из MachineLearning.

Перейти к: навигация, поиск

Мультиномиальное) распределение зависимых случайных величин — это обобщение биномиального распределения двух случайных величин на случай зависимых испытаний случайного эксперимента с несколькими возможными исходами (таблица 1).


Таблица 1 – Характеристики мультиномиального распределения зависимых случайных величин (настоящей интерпретации 21-го века)
Пространство элементарных событий \sum_{i=1}^k\Omega_i(t_i, X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1})
Вероятность \prod_{i=1}^kP(t_i,X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1})=

=\frac{n!}{n_1! \cdots n_k!} p_1^{n_1}\cdots p_k^{n_k}

Максимальная вероятность

(при математическом ожидании распределения)

\left(\prod_{i=1}^nP(t_i,X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1}) \right)_{max}=

=\left(\frac{n!}{n_1! \cdots n_n!} p_1^{n_1}\cdots p_n^{n_n}\right)_{max}=\frac{n!}{n^n}

Математическое ожидание

(как максимальное произведение математических ожиданий

случайных величин)

\left(\prod_{i=1}^nE(t_i,X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1})\right)_{max}=

=\left(\prod_{i=1}^n(n-\ldots-n_{i-1})p_i)\right)_{max}=\frac{n!}{n^n}

Дисперсия \sum_{i=1}^kD(t_i,X_i=n_i)=\sum_{i=1}^k(n-\ldots-n_{i-1})p_iq_i
Максимальная дисперсия

(при математическом ожидании распределения)

\left(\sum_{i=1}^nD(t_i,X_i =n_i)\right)_{max}=

=\left(\sum_{i=1}^n(n-\ldots-n_{i-1})p_iq_i\right)_{max}=\frac{n^2-1}{2n}

Ковариационная матрица B=\| b_{ij} \|,

где b_{ij} = \begin{cases} (n-\ldots-n_{i-1})p_iq_i, & i=j,\\ 0, & i \not= j \end{cases}

Корреляционная матрица P=\| \rho_{ij} \|,

где \rho _{ij} = \begin{cases} 1, & i=j,\\ 0, & i \not= j \end{cases}

\chi^2 - критерий \chi^2=\sum_{i=1}^k [X_i-(n-\ldots-n_{i-1})p_i^{(0)}]^2/( n-\ldots-n_{i-1})p_i^{(0)}=

=-n+\sum_{i=1}^kX_i^2 /( n-\ldots-n_{i-1})p_i^{(0)}

Схема повторных циклов случайных зависимых экспериментов

Мультиномиальное распределение появляется в так называемой полиномиальной схеме повторных циклов случайных зависимых экспериментов. Каждый цикл экспериментов осуществляют методом выбора без возвращения в дискретной временной последовательности t_1,\ldots,t_k , номера точек которой соответствуют номерам случайных величин.

Каждая из случайных величин распределения X_i=n_i \mid X_{i-1}=n_{i-1} — это число n_i наступлений одного соответствующего события

x_i,\quad i=1,\ldots,k

в i - ый момент времени при условии, что в (i-1) - ый момент произошло n_{i-1} наступлений предшествующего события x_{i-1} с положительным исходом, все вероятности которых p_i, \quad i=1,\ldots,k нормированы p_1+\ldots+p_k=1 и неизменны во время проведения экспериментов.

Если в каждом цикле экспериментов вероятность наступления события x_i равна p_i, то полиномиальная вероятность равна вероятности того, что при n экспериментах события x_1,\ldots,x_k наступят n_1,\ldots,n_k раз соответственно.

Случайная величина мультиномиального распределения в соответствующей точке дискретной временной последовательности t_1,\ldots,t_k имеет:

пространство элементарных событий

\Omega_i(t_i, X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1})=[0\le n_i \le n-\ldots-n_{i-1}],

вероятность

P(t_i, X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1})={n-\ldots-n_{i-1}\choose n_i}p_i^{n_i},

математическое ожидание

E(t_i, X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1})=(n-\ldots-n_{i-1})p_i

и дисперсию

D(t_i,X_i=n_i)=( n-\ldots-n_{i-1})p_iq_i, \quad q_i=1-p_i.

Пространство элементарных событий мультиномиального распределения есть сумма точечных пространств элементарных событий его случайных величин, образующих дискретную последовательность точек t_1,\ldots,t_k, цикла, а вероятность мультиномиального распределения — произведение вероятностей его случайных величин.

Технические задачи и технические результаты

Для получения мультиномиального распределения необходимо решить две технические задачи и получить технические результаты, относящиеся к математической физике [1,2].

Первая и вторая технические задачи — соответственно получение вероятности и математического ожидания мультиномиального распределения.

Технические результаты — набор технических параметров, с одной стороны, минимально необходимый для описания мультиномиального распределения и его случайных величин, с другой стороны, позволяющий при необходимости расширить число параметров с целью получения дополнительных сведений о распределении, например, таких как корреляционная матрица, ковариационная матрица , \chi^2 критерий и другие.

Минимально необходимый набор параметров при решении первой технической задачи: пространство элементарных событий,

вероятность, математическое ожидание и дисперсия каждой случайной величины распределения, дисперсия распределения и произведение математических ожиданий его случайных величин как исходное выражение для решения второй технической задачи.

При решении второй технической задачи минимально необходимый набор параметров аналогичен предыдущему набору. Исключен из-за ненадобности один параметр — произведение математических ожиданий случайных величин и дополнен двумя параметрами — максимальной вероятностью и максимальной дисперсией мультиномиального распределения.


Мультиномиальное распределение (полиномиальное распределение) — совместное распределение вероятностей зависимых (кроме первой, в общем случае) случайных величин

\prod_{i=1}^kP(t_i,X_i=n_i \mid t_{i-1},X_{i-1}=n_{i-1})=\frac{n!}{n_1! \cdots n_k!} p_1^{n_1}\cdots p_k^{n_k},
2\le k \le n <\infty,

определённых на точечных пространствах элементарных событий

\Omega_1, \ldots, \Omega _k

и принимающих в дискретные последовательные моменты времени

t_1, \ldots, t_k, \quad t_i<t_{i+1}

целые неотрицательные значения

n_1, \ldots, n_k,

взаимосвязанные условием

n_1+\ldots+n_k=n,

согласно которому

X_i=n_i \mid X_{i-1}=n_{i-1}

в i - ый момент времени i - ая случайная величина X _i принимает значение n _i, \quad 0\le n_i\le n-\ldots- </p><p>n_{i-1} при условии, что в предшествующий момент времени t _{i-1}, \quad t_{i-1}<t_i предшествующая случайная величина X_{i-1}.

Источник — «http://machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B7%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%81%D0%B8%D0%BC%D1%8B%D1%85_%D1%81%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B8%D0%BD»
Личные инструменты