Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В теории вероятностей и статистике , в Вейбулла распределения / v б ʊ л / непрерывное распределение вероятностей . Он назван в честь шведского математика Валодди Вейбулла , который подробно описал его в 1951 году, хотя впервые он был идентифицирован Фреше (1927) и впервые применен Розином и Раммлером (1933) для описания распределения частиц по размерам .

Определение [ править ]

Стандартная параметризация [ править ]

Функция плотности вероятности случайной величины Вейбулла : [1]

где k > 0 - параметр формы, а λ> 0 - масштабный параметр распределения. Его дополнительная кумулятивная функция распределения представляет собой растянутую экспоненциальную функцию . Распределение Вейбулла связано с рядом других распределений вероятностей; в частности, он интерполирует между экспоненциальным распределением ( k = 1) и распределением Рэлея ( k = 2 и [2] ).

Если величина X представляет собой "время до отказа", распределение Вейбулла дает распределение, для которого частота отказов пропорциональна степени времени. Форма параметр, к , является то , что власть плюс один, и поэтому этот параметр можно интерпретировать непосредственно следующим образом : [3]

  • Значение указывает на то, что частота отказов со временем уменьшается ( эффект Линди ). Это происходит, если наблюдается значительная «младенческая смертность» или если дефектные элементы выходят из строя раньше, и частота отказов со временем снижается, поскольку дефектные элементы исключаются из популяции. В контексте распространения инноваций это означает негативную молва: функция риска - это монотонно убывающая функция доли последователей;
  • Значение указывает, что интенсивность отказов остается постоянной во времени. Это может означать, что случайные внешние события вызывают смертность или отказ. Распределение Вейбулла сводится к экспоненциальному распределению;
  • Значение указывает, что частота отказов увеличивается со временем. Это происходит, если есть процесс «старения» или детали, которые с большей вероятностью выйдут из строя со временем. В контексте распространения инноваций это означает положительную молву: функция риска - это монотонно возрастающая функция доли последователей. Функция сначала выпуклая, затем вогнутая с точкой перегиба в .

В области материаловедения параметр формы k распределения прочности известен как модуль Вейбулла . В контексте распространения инноваций распределение Вейбулла представляет собой «чистую» модель имитации / отторжения.

Альтернативные параметризации [ править ]

Приложения в медицинской статистике и эконометрике часто используют другую параметризацию. [4] [5] Параметр формы k такой же, как указано выше, а параметр масштаба - . В этом случае при x ≥ 0 функция плотности вероятности имеет вид

кумулятивная функция распределения

функция опасности

и среднее значение

Также можно найти третью параметризацию. [6] [7] Параметр формы k такой же, как в стандартном случае, а параметр масштаба - . Тогда при x ≥ 0 функция плотности вероятности имеет вид

кумулятивная функция распределения

и функция опасности

Во всех трех параметризациях опасность уменьшается при k <1, увеличивается при k> 1 и остается постоянной при k = 1, и в этом случае распределение Вейбулла сводится к экспоненциальному распределению.

Свойства [ править ]

Функция плотности [ править ]

Форма функции плотности распределения Вейбулла резко меняется с увеличением значения k . При 0 < k <1 функция плотности стремится к ∞ по мере приближения x к нулю сверху и строго убывает. При k = 1 функция плотности стремится к 1 / λ по мере приближения x к нулю сверху и строго убывает. Для k > 1 функция плотности стремится к нулю, когда x приближается к нулю сверху, увеличивается до своего режима и уменьшается после него. Функция плотности имеет бесконечный отрицательный наклон при x = 0, если 0 < k <1, бесконечный положительный наклон при x = 0, если 1 <к <2 и наклон нулевой при х = 0 , если к > 2. К = 1 плотности имеет конечный отрицательный наклон при х = 0. При K = 2 плотности имеет конечный положительный наклон при х = 0. Поскольку к идет до бесконечности, распределение Вейбулла сходится к дельта-распределению Дирака с центром x = λ. Причем асимметрия и коэффициент вариации зависят только от параметра формы. Обобщением распределения Вейбулла является гиперболастическое распределение типа III .

Кумулятивная функция распределения [ править ]

Кумулятивная функция распределения для распределения Вейбулла

для x ≥ 0 и F ( x ; k ; λ) = 0 для x <0.

Если x = λ, то F ( x ; k ; λ) = 1 -  e −1 ≈ 0,632 для всех значений  k . Наоборот: при F ( x ; k ; λ ) = 0,632 значение  x  ≈  λ .

Квантильная функция (обратное кумулятивное распределение) для распределения Вейбулла имеет вид

для 0 ≤ p <1.

Частота отказов ч (или функция риска) задается

Среднее время наработки на отказ MTBF является

Моменты [ править ]

Производящая функция моментов от логарифма распределенного Вейбуллу случайной величины задается [8]

где Γ - гамма-функция . Точно так же характеристическая функция log X определяется выражением

В частности, п - й сырой момент из X задается

Средняя и дисперсия из Вейбулла случайной величины может быть выражена как

и

Асимметрия определяется выражением

где среднее значение обозначено μ, а стандартное отклонение обозначено σ .

Избыточный эксцесс определяется выражением

где . Превышение эксцесса можно также записать как:

Функция создания моментов [ править ]

Для производящей функции момента самого X доступны различные выражения . Как степенная серия , поскольку исходные моменты уже известны,

В качестве альтернативы можно попытаться иметь дело непосредственно с интегралом

Если предполагается, что параметр k является рациональным числом, выраженным как k = p / q, где p и q - целые числа, то этот интеграл можно вычислить аналитически. [9] Заменяя t на - t , можно найти

где G - G-функция Мейера .

Характеристическая функция также была получена Muraleedharan и соавт. (2007) . Характеристической функции и моментом производящая функция 3-параметра Вейбулла распределения были также получены путем Muraleedharan & Soares (2014) путем непосредственного подхода.

Энтропия Шеннона [ править ]

Информационная энтропия определяется

где - постоянная Эйлера – Маскерони . Распределение Вейбуллу является максимальным распределением энтропии для не-отрицательной действительной случайной случайной величины с фиксированной ожидаемой величиной от й к равному Л к и фиксированному ожидаемому значению Ln ( х к ) , равное Ln ( λ к ) -  .

Оценка параметров [ править ]

Максимальная вероятность [ править ]

Оценка максимального правдоподобия для данного параметра :

Оценка максимального правдоподобия для является решением для k следующего уравнения [10]

Это уравнение, определяющее только неявно, обычно необходимо решать численными методами.

Когда самые большие наблюдаемые выборки из набора данных, состоящего из более чем выборок, тогда оценка максимального правдоподобия для данного параметра равна [10]

Кроме того, учитывая , что условие, максимального правдоподобия оценки для это [ править ]

Опять же, поскольку это неявная функция, обычно нужно решать числовыми средствами.

Заговор Вейбулла [ править ]

Соответствие распределения Вейбулла данным можно визуально оценить с помощью графика Вейбулла. [11] График Вейбулла - это график эмпирической кумулятивной функции распределения данных по специальным осям в виде графика QQ . Оси против . Причина такой замены переменных заключается в том, что кумулятивная функция распределения может быть линеаризована:

который можно увидеть в стандартной форме прямой линии. Следовательно, если данные получены из распределения Вейбулла, то на графике Вейбулла ожидается прямая линия.

Существуют различные подходы к получению эмпирической функции распределения из данных: один из методов заключается в получении вертикальной координаты для каждой точки, используя где - ранг точки данных, а - количество точек данных. [12]

Линейная регрессия также может использоваться для численной оценки степени соответствия и оценки параметров распределения Вейбулла. Градиент напрямую информирует о параметре формы, и параметр масштаба также может быть выведен.

Расхождение Кульбака – Лейблера [ править ]

[13]

Приложения [ править ]

Используется распределение Вейбулла [ необходима ссылка ]

  • В анализе выживаемости
  • В проектировании надежности и анализе отказов
  • В электротехнике для представления перенапряжения в электрической системе.
  • В промышленном строительстве для представления производства и доставки раз
  • В теории экстремальных ценностей
  • В прогнозировании погоды и ветроэнергетике для описания распределения скорости ветра , поскольку естественное распределение часто соответствует форме Вейбулла [14]
  • В проектировании систем связи
    • В радиолокационных системах для моделирования разброса уровня принимаемых сигналов от некоторых типов помех.
    • Для моделирования каналов с замираниями в беспроводной связи, поскольку модель замирания Вейбулла, кажется, хорошо подходит для экспериментальных измерений каналов замирания.
Подгонка кумулятивного распределения Вейбулла к максимальным однодневным осадкам с использованием CumFreq , см. Также подгонку распределения [15]
  • В поиске информации для моделирования времени пребывания на веб-страницах. [16]
  • В общем страховании модели размера перестраховочных претензий, а совокупное развития асбестоза потерь
  • При прогнозировании технологических изменений (также известный как модель шариф-ислам) [17]
  • В гидрологии распределение Вейбулла применяется к экстремальным явлениям, таким как годовые максимальные однодневные осадки и сток рек.
  • В анализе кривой падения для моделирования кривой дебита нефти скважин сланцевой нефти. [18]
  • При описании размера частиц, образующихся при измельчении, измельчении и дроблении , используется двухпараметрическое распределение Вейбулла, которое иногда называют распределением Розина – Раммлера. [ необходима цитата ] В этом контексте он предсказывает меньшее количество мелких частиц, чем логнормальное распределение, и обычно наиболее точен для узких распределений частиц по размеру. [19] Кумулятивная функция распределения интерпретируется как массовая доля частиц с диаметром меньше, чем , где - средний размер частиц и является мерой разброса размеров частиц.
  • При описании случайных облаков точек (например, позиции частиц в идеальном газе): вероятность найти ближайший сосед частицу на расстоянии от данной частицы задаются Вейбуллой распределения с и равна плотностью частиц. [20]

Связанные дистрибутивы [ править ]

  • Переведенное распределение Вейбулла (или 3-параметрическое распределение Вейбулла) содержит дополнительный параметр. [8] Он имеет функцию плотности вероятности

    for и for , где - параметр формы , является параметром масштаба и является параметром местоположения распределения. value устанавливает начальное время безотказной работы до начала обычного процесса Weibull. Когда это сводится к двухпараметрическому распределению.
  • Распределение Вейбулла можно охарактеризовать как распределение случайной величины , при которой случайная величина

    - стандартное экспоненциальное распределение с интенсивностью 1. [8]
  • Это означает, что распределение Вейбулла также можно охарактеризовать в терминах равномерного распределения : если оно равномерно распределено на , то случайная величина распределена Вейбулла с параметрами и . Обратите внимание, что здесь эквивалентно чуть выше. Это приводит к легко реализуемой численной схеме для моделирования распределения Вейбулла.
  • Распределение Вейбулла интерполирует между экспоненциальным распределением с интенсивностью когда и распределением Рэлея моды когда .
  • Распределение Вейбулла (обычно достаточное для проектирования надежности ) является частным случаем экспоненциального трехпараметрического распределения Вейбулла, где дополнительный показатель равен 1. Экспоненциальное распределение Вейбулла учитывает унимодальные , имеющие форму ванны [21] и монотонные интенсивности отказов .
  • Распределение Вейбулла - это частный случай обобщенного распределения экстремальных значений . Именно в этой связи это распределение было впервые идентифицировано Морисом Фреше в 1927 году. [22] Тесно родственное распределение Фреше , названное в честь этой работы, имеет функцию плотности вероятности

  • Распределение случайной величины, которая определяется как минимум из нескольких случайных величин, каждая из которых имеет различное распределение Вейбулла, является распределением поливейбулла .
  • Распределение Вейбулла было впервые применено Розином и Раммлером (1933) для описания распределения частиц по размерам. Он широко используется при переработке полезных ископаемых для описания гранулометрического состава в процессах измельчения . В этом контексте кумулятивное распределение определяется как

    куда
    • размер частиц
    • 80-й процентиль распределения частиц по размерам
    • - параметр, описывающий разброс распределения
  • Поскольку он доступен в электронных таблицах , он также используется там, где базовое поведение фактически лучше моделируется распределением Эрланга . [23]
  • Если то ( экспоненциальное распределение )
  • Для одних и тех же значений k гамма-распределение принимает аналогичные формы, но распределение Вейбулла является более пластичным .

См. Также [ править ]

  • Теорема Фишера – Типпета – Гнеденко.
  • Логистическая дистрибуция
  • Распределение канифоли – Раммлера для анализа размеров частиц
  • Распределение Рэлея

Ссылки [ править ]

  1. ^ Папулис, Афанасий Папулис; Пиллаи, С. Унникришна (2002). Вероятность, случайные величины и случайные процессы (4-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-366011-6.
  2. ^ «Распределение Рэлея - MATLAB и Simulink - MathWorks Australia» . www.mathworks.com.au .
  3. ^ Jiang, R .; Мурти, DNP (2011). «Исследование параметра формы Вейбулла: свойства и значение». Надежность и безопасность системы . 96 (12): 1619–26. DOI : 10.1016 / j.ress.2011.09.003 .
  4. ^ Коллетт, Дэвид (2015). Моделирование данных о выживаемости в медицинских исследованиях (3-е изд.). Бока-Ратон: Чепмен и Холл / CRC. ISBN 978-1439856789.
  5. ^ Кэмерон, AC; Триведи, ПК (2005). Микроэконометрика: методы и приложения . п. 584. ISBN 978-0-521-84805-3.
  6. ^ Kalbfleisch, JD; Прентис, Р.Л. (2002). Статистический анализ данных наработки на отказ (2-е изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси: Дж. Вили. ISBN 978-0-471-36357-6. OCLC  50124320 .
  7. ^ Therneau, Т. (2020). «Пакет для анализа выживаемости в R.» Пакет R версии 3.1.
  8. ^ a b c Джонсон, Коц и Балакришнан 1994
  9. ^ См. ( Cheng, Tellambura & Beaulieu 2004 )для случая, когда k является целым числом, и ( Sagias & Karagiannidis 2005 ) для рационального случая.
  10. ^ a b Сорнетт, Д. (2004). Критические явления в естествознании: хаос, фракталы, самоорганизация и беспорядок ..
  11. ^ «1.3.3.30. График Вейбулла» . www.itl.nist.gov .
  12. ^ Уэйн Нельсон (2004) Анализ данных прикладной жизни . Wiley-Blackwell ISBN 0-471-64462-5 
  13. ^ Bauckhage, Кристиан (2013). «Вычисление расхождения Кульбака-Лейблера между двумя распределениями Вейбулла». arXiv : 1310.3713 [ cs.IT ].
  14. ^ "Распределение скорости ветра Weibull - REUK.co.uk" . www.reuk.co.uk .
  15. ^ «CumFreq, Распределение вероятностей, бесплатное программное обеспечение, совокупная частота» .
  16. ^ Лю, Чао; White, Ryen W .; Дюмэ, Сьюзен (19 июля 2010 г.). Понимание поведения при просмотре веб-страниц с помощью анализа Weibull времени ожидания . ACM. С. 379–386. DOI : 10.1145 / 1835449.1835513 . ISBN 9781450301534.
  17. ^ Шариф, М. Наваз; Ислам, М. Назрул (1980). «Распределение Вейбулла как общая модель для прогнозирования технологических изменений». Технологическое прогнозирование и социальные изменения . 18 (3): 247–56. DOI : 10.1016 / 0040-1625 (80) 90026-8 .
  18. Ли, Се Юн; Маллик, Бани (2021). «Байесовское иерархическое моделирование: применение к результатам добычи на сланцах Игл Форд в Южном Техасе» . Санкхья Б . DOI : 10.1007 / s13571-020-00245-8 .
  19. ^ Остин, LG; Климпель, Р.Р .; Лаки, PT (1984). Технологический процесс уменьшения размера . Хобокен, Нью-Джерси: ISBN Guinn Printing Inc. 0-89520-421-5.
  20. Перейти ↑ Chandrashekar, S. (1943). «Стохастические задачи физики и астрономии». Обзоры современной физики . 15 (1): 86.
  21. ^ «Системная эволюция и надежность систем» . Сысев (Бельгия). 01.01.2010.
  22. ^ Монтгомери, Дуглас (2012-06-19). Введение в статистический контроль качества . [Sl]: Джон Уайли. п. 95. ISBN 9781118146811.
  23. ^ Chatfield, C .; Гудхардт, GJ (1973). «Модель потребительских покупок с Erlang Interpurchase Times». Журнал Американской статистической ассоциации . 68 (344): 828–835. DOI : 10.1080 / 01621459.1973.10481432 .

Библиография [ править ]

  • Фреше, Морис (1927), "Sur la loi de probabilité de l'écart maximum", Annales de la Société Polonaise de Mathématique, Cracovie , 6 : 93–116.
  • Джонсон, Норман Л .; Коц, Самуэль; Балакришнан Н. (1994), Непрерывные одномерные распределения. Vol. 1 , Wiley Series in Probability and Mathematical Statistics: Applied Probability and Statistics (2-е изд.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons , ISBN 978-0-471-58495-7, MR  1299979
  • Манн, Нэнси Р .; Schafer, Ray E .; Сингпурвалла, Нозер Д. (1974), Методы статистического анализа данных о надежности и продолжительности жизни , Ряд Уайли в вероятности и математической статистике: прикладная вероятность и статистика (1-е изд.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons , ISBN 978-0-471-56737-0
  • Muraleedharan, G .; Рао, AD; Куруп PG; Наир, Н. Унникришнан; Синха, Мурани (2007), «Модифицированное распределение Вейбулла для моделирования и прогнозирования максимальной и значительной высоты волны», Coastal Engineering , 54 (8): 630–638, doi : 10.1016 / j.coastaleng.2007.05.001
  • Канифоль, P .; Раммлер, Э. (1933), «Законы, регулирующие тонкость порошкового угля», Журнал Института топлива , 7 : 29–36.
  • Сагиас, Северная Каролина; Карагианнидис, ГК (2005). "Многомерные распределения Вейбулла гауссовского класса: теория и приложения в каналах с замираниями". IEEE Transactions по теории информации . 51 (10): 3608–19. DOI : 10.1109 / TIT.2005.855598 . Руководство по ремонту  2237527 .
  • Вейбулл, W. (1951), "Статистическая функция распределения широкого применения" (PDF) , Journal of Applied Mechanics , 18 (3): 293–297, Bibcode : 1951JAM .... 18..293W.
  • «Распределение Вейбулла» . Справочник по инженерной статистике . Национальный институт стандартов и технологий . 2008 г.
  • Нельсон-младший, Ральф (05 февраля 2008 г.). «Диспергирование порошков в жидкостях, Часть 1, Глава 6: Распределение частиц по объему» . Проверено 5 февраля 2008 .

Внешние ссылки [ править ]

  • «Распределение Вейбулла» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
  • Mathpages - анализ Вейбулла
  • Распределение Вейбулла
  • Анализ надежности с помощью Weibull
  • Интерактивная графика: одномерные отношения распределения
  • Онлайн-построение вероятностей Вейбулла