Понятие непрерывной случайной величины
Непрерывной случайной величиной (НСВ) называется случайная величина , имеющая абсолютно-непрерывное распределение вероятностей, определяемое функцией распределения:
и плотностью распределения:
НСВ имеет следующие основные числовые характеристики:
• среднее значение:
• дисперсия:
На практике для описания НСВ используются модельные непрерывные законы распределения с функциональными характеристиками, заданными в параметрическом виде:
Во многих практических задачах выборку наблюдений нельзя считать однородно, поскольку выборочные наблюдения соответствуют не одной, а нескольким моделям. Распределение такой выборки описывается смесью распределений. В связи с этим, актуальной задачей является задача моделирования смеси распределений.
Основными методами построения моделирующих алгоритмов для непрерывных законов распределения являются: метод обратной функции, метод исключения и метод функциональных преобразований.
В приложениях часто возникает задача моделирования НСВ в условиях априорно неопределенности, когда плотность неизвестна. В этих случаях может осуществляться моделирование СВ с заданной гистограммой или моделирование СВ с заданным полигоном частот. Гистограмма и полигон частот выступают как оценки плотности, построенные по имеющейся выборке экспериментальных данных.
Методы моделирования непрерывной случайной величины
Метод обратной функции
Метод обратной функции является одним из универсальных методов моделирования НСВ ξ с заданной плотностью и функцией распределения .
Пусть – строго монотонная возрастающая функция. Найдем обратную функцию , решая относительно х следующее уравнение: . Известно, что если α – БСВ, то СВ ξ, определяемая выражением: , имеет заданную плотность (функцию распределения ).
Таким образом, имеет место следующий алгоритм моделирования НСВ:
1) Моделируется реализация БСВ ;
2) Принимается решение о том, что реализацией СВ является величина х, определяемая по формуле: ;
3) Коэффициент использования БСВ k = 1.
На этом методе основываются алгоритмы моделирования НСВ с распределениями: равномерным, экспоненциальным, Лапласа, Вейбулла-Гнеденко, Коши, логистическим, гамма-распределением.
Метод исключения
В случаях, когда плотность распределения моделируемой НСВ имеет сложны аналитический ряд, нахождение функции распределения , а тем более обратной функции затруднительно, что делает невозможным применение метода обратной функции для моделирования СВ .
В этом случае может оказаться полезным другой универсальный метод моделирования, называемый методом исключения. Он заключается в следующем.
Обозначим: – область, ограниченную кривой и осью абсцисс. Определим мажорирующую функцию и область . Заметим, что мажорирующая функция должна иметь значительно более простой аналитический вид, чем . Область G при этом также имеет простой вид (треугольный, прямоугольный), позволяющий легко моделировать случайный вектор , равномерно распределенный в области G (например, при помощи метода обратной функции).
Алгоритм моделирования, основанный на методе исключения, включает следующие этапы:
1) Подбор мажорирующей функции ;
2) Моделирование реализации случайного вектора с равномерным распределением в области G;
3) Принятие решения о том, что реализацией является при выполнении следующего условия:
Запись означает, что точка с координатами принадлежит области . Точки , не попавшие в , исключаются из рассмотрения. Отсюда и происходит название метода.
Для моделирования случайного вектора с равномерным распределением в области G полагают:
Моделирование СВ и (при условии, что ) осуществляется по методу обратной функции.
Средний коэффициент использования БСВ , где l – количество БСВ (обычно l = 2), используемых для получения одной реализации (x, y) случайного вектора .
Данный метод используется для построения одного из алгоритмов гамма-распределения.
Алгоритмы моделирования для основных непрерывных распределений
Равномерное распределение
НСВ ξ имеет равномерное распределение на интервале [a, b), обозначаемое R(a, b), если функция и плотность распределения ξ определяются соотношениями:
Для произвольных значение параметров распределения a, b распределение R(a, b) обобщает распределение R(0, 1) БСВ α.
Среднее значение: , дисперсия: .
Алгоритм моделирования СВ ξ основан на методе обратной функции. Обратная функция для находится при решении уравнения относительно х: .
Далее в соответствии с указанным методом алгоритм моделирования реализации СВ включает два шага:
· моделирование реализации БСВ η
· принятие решения о том, что реализацией ξ является величина x:
Коэффициент использования БСВ k = 1.