Широкое распространение этого распределения обусловлено тем, что в соответствии с центральной предельной теоремой сумма большого числа случайных величин сходится к нормальному распределению независимо от вида распределений этих слагаемых. Погрешности измерения, особенно для прецизионных СИ, вызваны совокупным влиянием большого количества факторов, не поддающихся непосредственному учету. Поэтому предположение о нормальном законе распределения случайных погрешностей измерения во многих случаях оказывается справедливым.
Примерный вид нормальных плотностей вероятностей показан на
рис.2. Математическое ожидание случайной величины, распределенной по
нормальному закону (4.1), равно , а дисперсия
.
На рисунке показаны три кривые для .
Функция распределения нормальной случайной величины имеет вид
, (4.2)
где – табулированный
интеграл Лапласа.
Распределение хи-квадрат. Такое
распределение имеет сумма квадратов независимых случайных величин с нулевым
математическим ожиданием и единичной дисперсией. Число слагаемых называется числом
степеней свободы. Это распределение используется при построении
доверительных интервалов для оценок дисперсий и имеет вид:
, (4.3)
где – гамма функция
Эйлера.
Распределение Стьюдента. Такое распределение имеет случайная величина
,
где – распределено
нормально с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией;
– имеет распределение хи-квадрат с
степенями свободы. Оно используется
при определении доверительных интервалов результатов прямых измерений при
экспериментально оцениваемой дисперсии.
. (4.3)
Распределение Фишера. Такое распределение имеет величина
,
где величины имеет
распределение хи-квадрат с
степенями
свободы
. Такое
распределение используется при анализе оценок дисперсий случайных величин. Оно
табулировано для различных значений
,
.
. (4.4)
5. Системы случайных величин и их характеристики
С системами случайных величин сталкиваются во всех случаях,
когда результаты эксперимента характеризуются несколькими случайными
величинами, которые в силу взаимной зависимости необходимо рассматривать как
единое целое, например, как случайный вектор , где знак
обозначает
операцию транспонирования матрицы. С системами случайных величин имеют дело при
обработке результатов косвенных, совокупных и совместных измерений.
Способы описания системы случайных величин аналогичны
способам описания одномерных случайных величин. Исчерпывающими вероятностными
характеристиками системы из случайных величин
является
-мерная функция распределения
(5.1)
или -мерная плотность
вероятности
. (5.2)
Как и в случае одномерном, многомерные функции распределения и плотности вероятности взаимнооднозначно определяют друг друга:
,
. (5.3)
Многомерная функция распределения удовлетворяет следующим условиям:
1) ;
2) ;
,
3) ,
.
Свойства многомерной плотности вероятностей аналогичны свойствам одномерной:
1) ;
2) . (5.4)
Аналогично (2.7) определяется вероятность пребывания
случайного вектора в любой области
-мерного
пространства
:
. (5.5)
Если координаты случайного вектора статистически независимы, то
. (5.6)
Это соотношение является необходимым и достаточным условием для статистической независимости случайных величин.
Математическим ожиданием функции нескольких
случайных величин называется число
. (5.7)
Для -мерного случайного вектора
также вводятся понятия
математических ожиданий его компонент и вторых центральных моментов:
, (5.8)
,
. (5.9)
Очевидно, что . Матрица,
компоненты которой являются случайными величинами, называется случайной
матрицей. Математическим ожиданием
случайной
матрицы
называется матрица, компоненты
которой равны математическим ожиданиям компонент матрицы
.
Симметрическая матрица ,
компонентами которой являются величины
из
(5.9), называется ковариационной матрицей случайного
вектора
. В матричном виде выражение для нее
будет:
. (5.10)
Для независимых случайных величин справедливы
следующие важные свойства:
, (5.11)
. (5.12)
В приложениях метода наименьших квадратов часто приходится
иметь дело с -мерным случайным вектором
, компоненты которого распределены по
нормальному закону и представляют собой случайные погрешности наблюдения. При
этом зачастую составляются линейные комбинации наблюдений и их погрешностей
вида:
, (5.13)
где – случайный
вектор, получающийся из вектора
путем
линейного преобразования, задаваемого матрицей
размера
. Если
и ранг матрицы
равен
, то вектор
будет называться невырожденным, и
его компоненты тоже будут распределены нормально. Причем вектор математических
ожиданий
:
, (5.14)
а ковариационная матрица :
. (5.15)
Для двух случайных величин и
, имеющих совместное распределение
мерой их статистической зависимости
является коэффициент корреляции:
, (5.16)
где – второй центральный
момент распределения
, задаваемый выражением
(5.9). Если
, то величины
и
статистически независимы, и
наоборот, если
, то между
и
существует
линейная зависимость.
Введение
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности.
В метрологии отчетливо отображены два направления.
![]() |
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.