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Zufallsvariable

18.05.2012 @ 17:56, HilberTraum,

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 X die Auszahlungssumme. Da der Wert von X vom Zufall abhängt, ist X eine Zufallsvariable. Sie bildet die Menge der Wurfergebnisse \{\text{Kopf}, \text{Zahl}\} auf die Menge der möglichen Auszahlungsbeträge \{0, 1\} ab:
:X(\omega) = \begin{cases}
0, & \text{wenn }\omega = \text{Kopf},\\
1, & \text{wenn }\omega = \text{Zahl}.

\end{cases}

Wettet man bei zwei Münzwürfen beide Male auf Kopf und bezeichnet die Kombination der Ausgänge der Münzwürfe mit \omega=\left(\omega_1,\omega_2\right), so lassen sich beispielsweise folgende Zufallsvariable untersuchen:
# X_1(\omega) := X(\omega_1) \in\{0,1\} als Auszahlung nach der ersten Wette,
# X_2(\omega) := X(\omega_2) \in\{0,1\} als Auszahlung nach der zweiten Wette,

# S(\omega) := X(\omega_1) + X(\omega_2) \in\{0,1,2\} als Summe der beiden Auszahlungen.

Zufallsvariable selbst werden üblicherweise mit einem Großbuchstaben bezeichnet (hier X_1, X_2, S), während man für die Realisationen die entsprechenden Kleinbuchstaben verwendet (so beispielsweise für \omega=\left(\text{Zahl},\text{Kopf}\right) die Realisationen x_1 = 1, x_2=0, s=1).

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 (\Omega,\Sigma,P) ein Wahrscheinlichkeitsraum und (\Omega',\Sigma') ein Messraum. Eine (\Sigma,\Sigma')-messbare Funktion X\colon\Omega\to\Omega' heißt dann eine \Omega'-Zufallsvariable auf \Omega.

Beispiel: Zweimaliger Würfelwurf


thumb|Summe von zwei Würfeln: (\Omega,\Sigma,P) \xrightarrow{S} (\Omega',\Sigma', P^S).

Das Experiment, mit einem fairen Würfel zweimal zu würfeln, lässt sich mit folgendem Wahrscheinlichkeitsraum (\Omega, \Sigma, P) modellieren:
* \Omega ist die Menge der 36 möglichen Ergebnisse \Omega=\{(1,1), (1,2), \dotsc, (6,5), (6,6)\}
* \Sigma ist die Potenzmenge von \Omega

* Will man zwei unabhängige Würfe mit einem fairen Würfel modellieren, so setzt man alle 36 Ergebnisse gleich wahrscheinlich, wählt also das Maß P als P\left(\{(n_1,n_2)\}\right) = \tfrac {1}{36} für n_1, n_2 \in \{1,2,3,4,5,6\}.

Die Zufallsvariablen X_1, X_2 und S werden als folgende Funktionen definiert:

# X_1\colon \Omega \to \R;\quad\left(n_1,n_2\right) \mapsto n_1,
# X_2\colon \Omega \to \R;\quad\left(n_1,n_2\right) \mapsto n_2, und
# S\colon \Omega \to \R;\quad\left(n_1,n_2\right) \mapsto n_1+n_2,

wobei für \Sigma' 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 \Omega und welcher Messraum auf \Omega' gemeint ist.

Bei einer endlichen Ergebnismenge \Omega wird \Sigma meistens als die Potenzmenge von \Omega gewählt. Die Forderung, dass die verwendete Funktion messbar ist, ist dann immer erfüllt. Messbarkeit wird erst wirklich bedeutsam, wenn die Ergebnismenge \Omega 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 \R der reellen Zahlen versehen mit der borelschen \sigma-Algebra. Die allgemeine Definition von Zufallsvariablen lässt sich in diesem Fall zur folgenden Definition vereinfachen:

:Eine reelle Zufallsvariable ist eine Funktion X\colon\Omega\to\R, die jedem Ergebnis \omega einer Ergebnismenge \Omega eine reelle Zahl X(\omega) zuordnet und die folgende Messbarkeitsbedingung erfüllt:
::\forall x \in \R:\ \lbrace \omega \mid X(\omega) \leq x \rbrace \in \Sigma

Das bedeutet, dass die Menge aller Ergebnisse, deren Realisation unterhalb eines bestimmen Wertes liegt, ein Ereignis bilden muss.

Im Beispiel des zweimaligen Würfelns sind X_1, X_2 und S jeweils reelle Zufallsvariable.

Mehrdimensionale Zufallsvariable

Eine mehrdimensionale Zufallsvariable ist eine messbare Abbildung X\colon\Omega\to\R^n für eine Dimension n\in\Bbb N. Sie wird auch als Zufallsvektor bezeichnet. Damit ist X=(X_1,\dotsc,X_n) gleichzeitig ein Vektor von einzelnen reellen Zufallsvariablen X_i\colon\Omega\to\R, die alle auf dem gleichen Wahrscheinlichkeitsraum definiert sind. Die Verteilung von X wird als multivariat bezeichnet, die Verteilungen der Komponenten X_i nennt man auch Randverteilungen. Die mehrdimensionalen Entsprechungen von Erwartungswert und Varianz sind der Erwartungswertvektor und die Kovarianzmatrix.

Im Beispiel des zweimaligen Würfelns ist X=(X_1,X_2) eine zweidimensionale Zufallsvariable.

Komplexe Zufallsvariable

Bei komplexen Zufallsvariablen ist der Bildraum die Menge \Bbb C der komplexen Zahlen versehen mit der durch die kanonische Vektorraumisomorphie zwischen \Bbb C und \R^2 „geerbten“ borelschen σ-Algebra. X ist genau dann eine Zufallsvariable, wenn Realteil \operatorname{Re}(X) und Imaginärteil \operatorname{Im}(X) 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 X\; induzierten Wahrscheinlichkeitsverteilung. Mitunter werden beide Begriffe auch synonym verwendet. Formal wird die Verteilung \;P^X einer Zufallsvariablen X\; als das Bildmaß des Wahrscheinlichkeitsmaßes P\; definiert, also
:\;P^X (A) = P \left(X^{-1}(A)\right) für alle A \in \Sigma'.

Statt \;P^X werden in der Literatur für die Verteilung von X\; auch die Schreibweisen P_X, X(P)\; oder P \circ X^{-1} 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 (\Omega,\Sigma,P) lässt sich aber zu einer konkreten Verteilung leicht angeben, indem beispielsweise \Omega=\R, \Sigma als die Borelsche σ-Algebra auf den reellen Zahlen und P 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 X_1, X_2 und S diskret.

konstant


Eine Zufallsvariable wird als konstant bezeichnet, wenn sie nur einen Wert annimmt: X(\omega)=c für alle \omega. 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 [a_1,b_1] und [a_2,b_2] die Ereignisse E_X := \{ \omega | X(\omega) \in [a_1,b_1] \} und E_Y := \{ \omega | Y(\omega) \in [a_2,b_2] \} stochastisch unabhängig sind. Das sind sie, wenn gilt: P(E_X \cap E_Y ) = P(E_X) P(E_Y).

In obigem Beispiel sind X_1 und X_2 unabhängig voneinander; die Zufallsvariablen X_1 und S hingegen nicht.

Unabhängigkeit mehrerer Zufallsvariablen X_1, X_2, \dotsc, X_n bedeutet, dass das Wahrscheinlichkeitsmaß P_X des Zufallsvektors X=\left(X_1, X_2, \dotsc, X_n\right) dem Produktmaß der Wahrscheinlichkeitsmaße der Komponenten, also dem Produktmaß von P_{X_1}, P_{X_2}, \dotsc, P_{X_n} 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 (\Omega,\Sigma,P) mit
:\Omega=\{1,2,3,4,5,6\}^3,
:\Sigma der Potenzmenge von \Omega und
:P\left(\left(n_1, n_2, n_3\right)\right)=\frac{1}{6^3}=\frac{1}{216}
modellieren; die Zufallsvariable "Ergebnis des k-ten Wurfes" ist dann
:X_k\left(n_1, n_2, n_3\right)=n_k für k\in\{1,2,3\}.

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 X_1, X_2 identisch verteilt; die Zufallsvariablen X_1 und S 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 X_1, X_2 und X_3 i.i.d. verteilt. S_{1,2}=X_1+X_2 (die Summe der ersten beiden Würfe) und S_{2,3}=X_2+X_3 (die Summe des zweiten und dritten Wurfs) sind zwar identisch verteilt, aber nicht unabhängig. S_{1,2} und X_3 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 P(\{X=x\})=0 für alle x\in\R gilt.

Messbarkeit, Verteilungsfunktion und Erwartungswert


Wenn eine reelle Zufallsvariable X auf dem Ergebnisraum \Omega und eine messbare Funktion g\colon \R \to \R gegeben ist, dann ist auch Y = g(X) eine Zufallsvariable auf demselben Ergebnisraum, da die Verknüpfung messbarer Funktionen wieder messbar ist. g(X) wird auch als Transformation der Zufallsvariablen X unter g bezeichnet. Die gleiche Methode, mit der man von einem Wahrscheinlichkeitsraum (\Omega, \Sigma, P) nach

(\R, \mathcal{B}(\R),P^X) gelangt, kann benutzt werden, um die Verteilung von Y zu erhalten.

Die Verteilungsfunktion von Y lautet

:F_Y(y) = \operatorname{P}(g(X) \leq y).

Der Erwartungswert einer quasi-integrierbaren Zufallsgröße X von (\Omega, \Sigma, P) nach (\bar{\R}, \mathcal{B}(\bar{\R})) berechnet sich folgend:

:\operatorname{E}(X) = \int_\Omega X(\omega)\mathrm{d}P(\omega)\,.

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 X eine reelle stetig verteilte Zufallsvariable und Y = X^2.

Dann ist

:F_Y(y) = \operatorname{P}(X^2 \leq y).

Fallunterscheidung nach y:

y<0:
:
\begin{alignat}{2}
& & \operatorname P(X^2 \leq y) &= 0\\
&\Rightarrow & F_Y(y) &= 0
\end{alignat}

y\geq 0:
:
\begin{alignat}{2}
& & \operatorname P(X^2\leq y) &=\operatorname P(|X|\leq\sqrt y)\\
& & &= \operatorname P(-\sqrt y\leq X\leq\sqrt y)\\
&\Rightarrow & F_Y(y) &= F_X(\sqrt y) - F_X(-\sqrt y)
\end{alignat}

Standardisiertheit


Eine Zufallsvariable nennt man standardisiert, wenn ihr Erwartungswert 0 und ihre Varianz 1 ist. Die Transformation einer Zufallsvariable Y in eine standardisierte Zufallsvariable
:X=\frac{Y-\operatorname{E}(Y)}{\sqrt{\operatorname{Var}(Y)}}

bezeichnet man als Standardisierung der Zufallsvariable Y.

Sonstiges

  • Zeitlich zusammenhängende Zufallsvariablen können auch als stochastischer Prozess aufgefasst werden

    * Eine Folge von Realisationen einer Zufallsvariable nennt man auch Zufallssequenz

    Belege


    Literatur

* Karl Hinderer: Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitstheorie. Springer, Berlin/Heidelberg/New York 1980, ISBN 3-540-07309-4

* 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 veranderlike
ar: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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