Lognormalfördelning och Gumbelfördelning
Transcription
Lognormalfördelning och Gumbelfördelning
L UNDS TEKNISKA HÖGSKOLA M ATEMATIKCENTRUM M ATEMATISK STATISTIK L OGNORMALFÖRDELNINGEN OCH G UMBELFÖRDELNINGEN M ATEMATISK STATISTIK FÖR EKOSYSTEMTEKNIK , HT-15 Lognormalfördelningen och Gumbelfördelningen är ganska vanligt förekommande då man modellerar miljödata (se övningar och datorlaborationer) men nämns inte i läroboken. Lognormalfördelningen Definition En s.v. ξ är lognormalfördelad om ln ξ är normalfördelad, dvs. η = ln ξ ∈ N(μ, σ), ξ = eη . Moment Man kan visa att för en lognormalfördelad variabel ξ med ln ξ ∈ N(μ, σ) så gäller 2 E(ξ) = eμ+σ /2 2 2 V(ξ) = e2μ · (e2σ − eσ ) p p 2 D(ξ) = eμ e2σ2 − eσ2 = eμ+σ /2 · eσ2 − 1 Observera att parametrarna μ och σ inte är väntevärde respektive standardavvikelse. Variationskoefficienten blir D(ξ) p σ2 R(ξ) = = e − 1, E(ξ) en ofta användbar relation vid problemlösning där lognormalfördelningen figurerar. Om R(ξ) är känd följer nämligen direkt att p σ = ln(1 + (R(ξ))2 ) och μ = ln E(ξ) p 1 + (R(ξ))2 ! . Beräkning av sannolikheter Sannolikheter kan beräknas genom att utnyttja att ln ξ ∈ N(μ, σ) Det följer då att ln x − μ P(ξ ≤ x) = P(ln ξ ≤ ln x) = Φ σ och tabell för N(0, 1)-fördelningen kan alltså användas. Lognormal- och Gumbelfördelning, Matstat för W, HT-15 Beräkning av kvantiler Tekniken ovan kan utnyttjas för att beräkna kvantiler. Speciellt gäller för medianen x0.50 , definierad av P(ξ ≤ x0.50 ) = 0.5, att Φ (ln x0.50 − μ)/σ = 0.5 varav följer att (ln x0.50 − μ)/σ = 0, dvs. x0.50 = eμ . På liknande sätt kan allmänna kvantiler beräknas. Några frekvensfunktioner Lognormalfordelningen 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Frekvensfunktion för lognormalfördelning med parametrarna μ = 0 samt σ = 0.45 (heldragen), σ = 0.8 (streckad), σ = 1.0 (streck-prickad). Lognormal- och Gumbelfördelning, Matstat för W, HT-15 Gumbelfördelning Fördelningen kallas ibland ”Extremvärdesfördelning av typ I” och används ofta för att modellera extrema värden. Årsmaximum av flöden, priser och laster några exempel då Gumbelfördelning förekommer. Fördelningsfunktion Fördelningsfunktionen ges av F (x) = e−e −(x−b)/a , ∞<x<∞ Den innehåller två parametrar, lägesparametern b och skalparametern a (a > 0). Väntevärde och varians Om ξ är Gumbelfördelad gäller E(ξ) = b + γa med γ ≈ 0.57722 (Eulers konstant) V(ξ) = a2 π2 /6 Några frekvensfunktioner 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Frekvensfunktion för gumbelfördelning med parametrarna a = 11 samt b = 35 (heldragen), a = 11 samt b = 25 (streckad), a = 5 samt b = 25 (streck-prickad). Lognormal- och Gumbelfördelning, Matstat för W, HT-15 I Matlab Följande specialskrivna Matlab-kommandon är användbara: • wgumbcdf(x,a,b) ger fördelningsfunktionen i punkten x • wgumbpdf(x,a,b) ger frekvensfunktionen i punkten x • wgumbrnd(x,a,b) simulerar slumtal från en Gumbelfördelning • wgumbplot(x) ritar de data som ligger i x i ett gumbelpapper • wgumbfit(x) skattar, utifrån data i x, parametrarna i Gumbelfördelningen och ritar empirisk, respektive skattad fördelningsfunktion • wgumbinv(1-α,a,b) beräknar kvantilen xα i Gumbelfördelningen med parametrar a och b.