Zufallsvariable
In der Stochastik ist eine Zufallsvariable oder Zufallsgröße (selten stochastische Variable oder stochastische Größe) eine Variable, deren Wert vom Zufall abhängig ist. Eine Zufallsvariable lässt sich formal als Funktion beschreiben, die den Ergebnissen eines Zufallsexperiments Werte (so genannte Realisationen) zuordnet.
Zum Beispiel kann eine Wette auf den Ausgang eines Münzwurfs mithilfe einer Zufallsvariablen modelliert werden. Angenommen, es wurde auf Zahl gewettet, und wenn richtig gewettet wurde, wird 1 EUR ausgezahlt, sonst nichts. Sei die Auszahlungssumme. Da der Wert von vom Zufall abhängt, ist eine Zufallsvariable. Sie bildet die Menge der Wurfergebnisse auf die Menge der möglichen Auszahlungsbeträge ab:: Wettet man bei zwei Münzwürfen beide Male auf Kopf und bezeichnet die Kombination der Ausgänge der Münzwürfe mit , so lassen sich beispielsweise folgende Zufallsvariable untersuchen:
# als Auszahlung nach der ersten Wette,
# als Auszahlung nach der zweiten Wette,
# als Summe der beiden Auszahlungen.
Zufallsvariable selbst werden üblicherweise mit einem Großbuchstaben bezeichnet (hier ), während man für die Realisationen die entsprechenden Kleinbuchstaben verwendet (so beispielsweise für die Realisationen , , ).
Während früher der von A. N. Kolmogorow eingeführte Begriff Zufallsgröße der übliche deutsche Begriff war, hat sich heute (ausgehend vom englischen random variable) der etwas irreführende Begriff Zufallsvariable durchgesetzt. Zufallsvariable sind jedoch Funktionen und dürfen nicht mit den Variablen verwechselt werden, die üblicherweise in der Mathematik eingesetzt werden.Jeff Miller: Earliest Known Uses of Some of the Words of Mathematics, Abschnitt [http://jeff560.tripod.com/r.html R].
Definition
Als Zufallsvariable bezeichnet man eine messbare Funktion von einem Wahrscheinlichkeitsraum in einen Messraum.
Eine formale mathematische Definition lässt sich wie folgt geben:Karl Hinderer: Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitstheorie. Springer, Berlin 1980. ISBN 3-540-07309-4 (nicht überprüft):Es seien ein Wahrscheinlichkeitsraum und ein Messraum. Eine -messbare Funktion heißt dann eine -Zufallsvariable auf .
Beispiel: Zweimaliger Würfelwurf
thumb|Summe von zwei Würfeln: .
Das Experiment, mit einem fairen Würfel zweimal zu würfeln, lässt sich mit folgendem Wahrscheinlichkeitsraum modellieren:* ist die Menge der 36 möglichen Ergebnisse
* ist die Potenzmenge von
* Will man zwei unabhängige Würfe mit einem fairen Würfel modellieren, so setzt man alle 36 Ergebnisse gleich wahrscheinlich, wählt also das Maß als für .
Die Zufallsvariablen , und werden als folgende Funktionen definiert:
## und
#
wobei für die borelsche σ-Algebra auf den reellen Zahlen gewählt wird.
Bemerkungen
In der Regel wird auf die konkrete Angabe der zugehörigen Räume verzichtet; es wird angenommen, dass aus dem Kontext klar ist, welcher Wahrscheinlichkeitsraum auf und welcher Messraum auf gemeint ist.
Bei einer endlichen Ergebnismenge wird meistens als die Potenzmenge von gewählt. Die Forderung, dass die verwendete Funktion messbar ist, ist dann immer erfüllt. Messbarkeit wird erst wirklich bedeutsam, wenn die Ergebnismenge überabzählbar viele Elemente enthält.
Einige Klassen von Zufallsvariablen mit bestimmten Wahrscheinlichkeits- und Messräumen werden besonders häufig verwendet. Diese werden teilweise mit Hilfe alternativer Definitionen eingeführt, die keine Kenntnisse der Maßtheorie voraussetzen:
Reelle Zufallsvariable
Bei reellen Zufallsvariablen ist der Bildraum die Menge der reellen Zahlen versehen mit der borelschen -Algebra. Die allgemeine Definition von Zufallsvariablen lässt sich in diesem Fall zur folgenden Definition vereinfachen:
:Eine reelle Zufallsvariable ist eine Funktion , die jedem Ergebnis einer Ergebnismenge eine reelle Zahl zuordnet und die folgende Messbarkeitsbedingung erfüllt:::
Das bedeutet, dass die Menge aller Ergebnisse, deren Realisation unterhalb eines bestimmen Wertes liegt, ein Ereignis bilden muss.
Im Beispiel des zweimaligen Würfelns sind , und jeweils reelle Zufallsvariable.
Mehrdimensionale Zufallsvariable
Eine mehrdimensionale Zufallsvariable ist eine messbare Abbildung für eine Dimension . Sie wird auch als Zufallsvektor bezeichnet. Damit ist gleichzeitig ein Vektor von einzelnen reellen Zufallsvariablen , die alle auf dem gleichen Wahrscheinlichkeitsraum definiert sind. Die Verteilung von wird als multivariat bezeichnet, die Verteilungen der Komponenten nennt man auch Randverteilungen. Die mehrdimensionalen Entsprechungen von Erwartungswert und Varianz sind der Erwartungswertvektor und die Kovarianzmatrix.
Im Beispiel des zweimaligen Würfelns ist eine zweidimensionale Zufallsvariable.
Komplexe Zufallsvariable
Bei komplexen Zufallsvariablen ist der Bildraum die Menge der komplexen Zahlen versehen mit der durch die kanonische Vektorraumisomorphie zwischen und „geerbten“ borelschen σ-Algebra. ist genau dann eine Zufallsvariable, wenn Realteil und Imaginärteil jeweils reelle Zufallsvariable sind.
Die Verteilung von Zufallsvariablen, Existenz
Eng verknüpft mit dem eher technischen Begriff einer Zufallsvariablen ist der Begriff der auf dem Bildraum von induzierten Wahrscheinlichkeitsverteilung. Mitunter werden beide Begriffe auch synonym verwendet. Formal wird die Verteilung einer Zufallsvariablen als das Bildmaß des Wahrscheinlichkeitsmaßes definiert, also
: für alle .
Statt werden in der Literatur für die Verteilung von auch die Schreibweisen oder verwendet.
Spricht man also beispielsweise von einer normalverteilten Zufallsvariablen, so ist damit eine Zufallsvariable mit Werten in den reellen Zahlen gemeint, deren Verteilung einer Normalverteilung entspricht.
Häufig wird von einer Zufallsvariablen lediglich die Verteilungsfunktion angegeben und der zu Grunde liegende Wahrscheinlichkeitsraum weggelassen. Für die mathematische Untersuchung ist der modellierte Vorgang der realen Welt uninteressant; es wird lediglich die von dieser Zufallsvariablen induzierte Verteilung mathematisch untersucht. Dies ist vom Standpunkt der Mathematik erlaubt, sofern es tatsächlich einen Wahrscheinlichkeitsraum gibt, der eine Zufallsvariable mit der gegebenen Verteilung erzeugen kann. Ein solcher Wahrscheinlichkeitsraum lässt sich aber zu einer konkreten Verteilung leicht angeben, indem beispielsweise , als die Borelsche σ-Algebra auf den reellen Zahlen und als das durch die Verteilungsfunktion induzierte Lebesgue-Stieltjes-Maß gewählt wird.Robert B. Ash: Real Analysis and Probability. Academic Press, New York 1972. ISBN 0-12-065201-3 (Definition 5.6.2)
Die Frage nach der konkreten Gestalt des Wahrscheinlichkeitsraumes tritt also in den Hintergrund, es ist jedoch von Interesse, ob zu einer Schar von Zufallsvariablen mit vorgegebenen gemeinsamen Verteilungen ein Wahrscheinlichkeitsraum existiert, auf dem sie sich gemeinsam definieren lassen. Diese Frage wird für unabhängige Zufallsvariablen durch einen Existenzsatz von É. Borel gelöst, der besagt, dass man im Prinzip auf den von Einheitsintervall und Lebesgue-Maß gebildeten Wahrscheinlichkeitsraum zurückgreifen kann. Ein möglicher Beweis nutzt, dass sich die binären Nachkommastellen der reellen Zahlen in [0,1] als ineinander verschachtelte Bernoulli-Folgen betrachten lassen (ähnlich Hilberts Hotel). Olav Kallenberg: Foundations of Modern Probability, 2. Ausgabe. Springer, New York 2002, ISBN 0-387-95313-2, S. 55.
Mathematische Attribute für Zufallsvariable
Verschiedene mathematische Attribute, die in der Regel denen für allgemeine Funktionen entlehnt sind, finden bei Zufallsvariablen Anwendung. Die häufigsten werden in der folgenden Zusammenstellung kurz erklärt:
diskret
Eine Zufallsvariable wird als diskret bezeichnet, wenn sie nur endlich viele oder abzählbar unendlich viele Werte annimmt. Im obigen Beispiel des zweimaligen Würfelns sind alle drei Zufallsvariablen , und diskret.
konstant
Eine Zufallsvariable wird als konstant bezeichnet, wenn sie nur einen Wert annimmt: für alle . Sie ist ein Spezialfall der diskreten Zufallsvariable.
unabhängig
Zwei Zufallsvariablen X,Y heißen unabhängig, wenn die von ihnen erzeugten Ereignisräume stochastisch unabhängig sind. Das sind sie, wenn für je zwei Intervalle und die Ereignisse und stochastisch unabhängig sind. Das sind sie, wenn gilt: .
In obigem Beispiel sind und unabhängig voneinander; die Zufallsvariablen und hingegen nicht.
Unabhängigkeit mehrerer Zufallsvariablen bedeutet, dass das Wahrscheinlichkeitsmaß des Zufallsvektors dem Produktmaß der Wahrscheinlichkeitsmaße der Komponenten, also dem Produktmaß von entspricht.Robert B. Ash: Real Analysis and Probability. Academic Press, New York 1972. ISBN 0-12-065201-3 (Definition 5.8.1) So lässt sich beispielsweise dreimaliges unabhängiges Würfeln durch den Wahrscheinlichkeitsraum mit:,
: der Potenzmenge von und
:
modellieren; die Zufallsvariable "Ergebnis des -ten Wurfes" ist dann
: für .
Die Konstruktion eines entsprechenden Wahrscheinlichkeitsraums für eine beliebige Familie unabhängiger Zufallsvariable mit gegebenen Verteilungen ist ebenfalls möglich. Schmidt, Klaus D.: Maß und Wahrscheinlichkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-89729-3 (Kapitel 11.4)
identisch verteilt
Zwei oder mehr Zufallsvariablen heißen identisch verteilt (bzw. i.d. für identically distributed), wenn ihre Verteilungen gleich sind. In Beispiel des zweimaligen Würfelns sind , identisch verteilt; die Zufallsvariablen und hingegen nicht.
unabhängig und identisch verteilt
Häufig werden Folgen von Zufallsvariablen untersucht, die sowohl unabhängig als auch identisch verteilt sind; dieser Fall wird üblicherweise mit u.i.v. bzw. i.i.d. (für independent and identically distributed) bezeichnet.
In obigem Beispiel des dreimaligen Würfelns sind , und i.i.d. verteilt. (die Summe der ersten beiden Würfe) und (die Summe des zweiten und dritten Wurfs) sind zwar identisch verteilt, aber nicht unabhängig. und sind unabhängig, aber nicht identisch verteilt.
Mathematische Attribute für reelle Zufallsvariable
Kenngrößen
Zur Charakterisierung von Zufallsvariablen dienen einige wenige Funktionen, die wesentliche mathematische Eigenschaften der jeweiligen Zufallsvariable beschreiben. Die wichtigste dieser Funktionen ist die Verteilungsfunktion, die Auskunft darüber gibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Zufallsvariable einen Wert bis zu einer vorgegebenen Schranke annimmt, beispielsweise die Wahrscheinlichkeit, höchstens eine Vier zu würfeln. Bei stetigen Zufallsvariablen wird diese durch die Wahrscheinlichkeitsdichte ergänzt, mit der die Wahrscheinlichkeit berechnet werden kann, dass die Werte einer Zufallsvariablen innerhalb eines bestimmten Intervalls liegen. Des Weiteren sind Kennzahlen wie der Erwartungswert, die Varianz oder höhere mathematische Momente von Interesse.
stetig oder kontinuierlich
Das Attribut stetig wird für unterschiedliche Eigenschaften verwendet.
:* Eine reelle Zufallsvariable wird als stetig (oder auch absolut stetig) bezeichnet, wenn sie eine Dichte besitzt (ihre Verteilung absolutstetig bezüglich des Lebesgue-Maßes ist).Marek Fisz: Wahrscheinlichkeitsrechnung und mathematische Statistik. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1989 (11.Aufl., Definition 2.3.3)
:* Eine reelle Zufallsvariable wird als stetig bezeichnet, wenn sie eine stetige Verteilungsfunktion besitzt.Robert B. Ash: Real Analysis and Probability. Academic Press, New York 1972, S.210. ISBN 0-12-065201-3 Insbesondere bedeutet das, dass für alle gilt.
Messbarkeit, Verteilungsfunktion und Erwartungswert
Wenn eine reelle Zufallsvariable auf dem Ergebnisraum und eine messbare Funktion gegeben ist, dann ist auch eine Zufallsvariable auf demselben Ergebnisraum, da die Verknüpfung messbarer Funktionen wieder messbar ist. wird auch als Transformation der Zufallsvariablen unter bezeichnet. Die gleiche Methode, mit der man von einem Wahrscheinlichkeitsraum nach
gelangt, kann benutzt werden, um die Verteilung von zu erhalten.
Die Verteilungsfunktion von lautet:.
Der Erwartungswert einer quasi-integrierbaren Zufallsgröße von nach berechnet sich folgend:
:.
integrierbar und quasi-integrierbar
Eine Zufallsvariable heißt integrierbar, wenn der Erwartungswert der Zufallsvariable existiert und endlich ist. Die Zufallsvariable heißt quasi-integrierbar, wenn der Erwartungswert existiert, möglicherweise aber unendlich ist. Jede integrierbare Zufallsvariable ist folglich auch quasi-integrierbar.
Beispiel
Es sei eine reelle stetig verteilte Zufallsvariable und .
Dann ist:
Fallunterscheidung nach :
:
:
Standardisiertheit
Eine Zufallsvariable nennt man standardisiert, wenn ihr Erwartungswert 0 und ihre Varianz 1 ist. Die Transformation einer Zufallsvariable in eine standardisierte Zufallsvariable
:
bezeichnet man als Standardisierung der Zufallsvariable .
Sonstiges
- Zeitlich zusammenhängende Zufallsvariablen können auch als stochastischer Prozess aufgefasst werden
* Eine Folge von Realisationen einer Zufallsvariable nennt man auch Zufallssequenz
Belege
Literatur
* Erich Härtter: Wahrscheinlichkeitsrechnung für Wirtschafts- und Naturwissenschaftler. Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1974, ISBN 3-525-03114-9
Weblinks
{{Wikibooks|Mathematik: Statistik: Zufallsvariablen|Zufallsvariablen}}
{{Wikibooks|Mathematik: Statistik: Funktionen von Zufallsvariablen|Funktionen von Zufallsvariablen}}
* [http://www.biostat.uzh.ch/teaching/lecturenotes/scripts2/skript.pdf Statistik III] – Skript zur Vorlesung von Leonhard Held, Ludwig-Maximilians-Universität München, 2006 (PDF-Datei; 741 kB)
Kategorie:Statistischer Grundbegriff
af:Stogastiese veranderlikear:متغير عشوائي
bn:দৈব চলক
ca:Variable aleatòria
cs:Náhodná veličina
da:Stokastisk variabel
el:Τυχαία μεταβλητή
Random variable
eo:Hazarda variablo
es:Variable aleatoria
eu:Zorizko aldagai
fa:متغیر تصادفی
Variable aléatoire
gl:Variable aleatoria
he:משתנה מקרי
hu:Valószínűségi változó
is:Slembibreyta
it:Variabile casuale
ka:შემთხვევითი სიდიდე
kk:Кездейсоқ шама
ko:확률변수
mk:Случајна променлива
nl:Stochastische variabele
no:Stokastisk variabel
pl:Zmienna losowa
pt:Variável aleatória
ro:Variabilă aleatoare
ru:Случайная величина
scn:Variabbili aliatoria
sh:Slučajna varijabla
simple:Random variable
sl:Slučajna spremenljivka
sr:Случајна променљива
su:Variabel acak
sv:Stokastisk variabel
ta:சமவாய்ப்பு மாறி
th:ตัวแปรสุ่ม
tr:Rassal değişken
uk:Випадкова величина
ur:تصادفی متغیر
vi:Biến ngẫu nhiên
zh:随机变量
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