Eine Einführung in R: Dichten und

I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Eine Einführung in R: Dichten und
Verteilungsfunktionen
Bernd Klaus, Verena Zuber
Institut für Medizinische Informatik, Statistik und Epidemiologie (IMISE),
Universität Leipzig
4. November 2010
Bernd Klaus, Verena Zuber
Dichten und Verteilungsfunktionen
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
I. Diskrete Daten
Theorie: Wahrscheinlichkeits und Verteilungsfunktion
Diskrete Verteilungen
II. Stetige Daten
Theorie: Dichte und Verteilungsfunktion
Stetige Verteilungen
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Erzeugen von Zufallszahlen
Darstellung von Verteilungen
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Dichten und Verteilungsfunktionen
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Einschub: Zufallsvariablen
Eine Variable oder Merkmal X , dessen Werte die Ergebnisse
eines Zufallsvorganges sind, heiÿt Zufallsvariable.
Notation:
I X : Die Zufallsvariable
I x : Eine Realisierung oder Beobachtung der Zufallsvariable
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Theorie: Wahrscheinlichkeits und Verteilungsfunktion
Diskrete Verteilungen
I. Diskrete Daten
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Theorie: Wahrscheinlichkeits und Verteilungsfunktion
Diskrete Verteilungen
Eine Zufallsvariable heiÿt diskret, wenn sie endlich viele Werte
x1 , ..., xk , ... annehmen kann.
Die Wahrscheinlichkeitsfunktion f (x ) einer diskreten Zufallsvariable
X ist für x ∈ R deniert durch die Wahrscheinlichkeiten pi :
f (x ) =
P (X
0
= xi ) = pi
falls x = xi ∈ {x1 , ..., xk , ...}
sonst
Die Verteilungsfunktion F (x ) einer diskreten Zufallsvariable ist
gegeben durch die Summe:
F (y ) = P (X
≤ y) =
X
f (xi )
i :x i ≤ y
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I. Diskrete Daten
Theorie: Wahrscheinlichkeits und Verteilungsfunktion
II. Stetige Daten
Diskrete Verteilungen
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Eigenschaften
Für die Wahrscheinlichkeitsfunktion f (x ) gilt:
0 ≤ f (x ) ≤ 1
X
pi
=1
i ≥1
Für die Verteilungsfunktion F (x ) gilt:
F (x ) =
1
0
x ≥ max (x )
x ≤ min(x )
F(x) ist monoton steigend mit Wertebereich 0 bis 1.
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Theorie: Wahrscheinlichkeits und Verteilungsfunktion
Diskrete Verteilungen
Bernoulli-Experiment
Binäre Zufallsvariable
X
X : Tritt ein Ereignis A ein?
=
1 falls
0 falls
A eintritt
A nicht eintritt
Das Ereignis A tritt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit
0 < π < 1 ein
P (X = 1) = π
P (X = 0) = 1 − π
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Theorie: Wahrscheinlichkeits und Verteilungsfunktion
Diskrete Verteilungen
Binomialverteilung
Die Binomialverteilung entspricht dem n-maligen Durchführen eines
Bernoulli-Experimentes mit Wahrscheinlichkeit π
  n x
n−x
f (x ) =  x π (1 − π)
0
falls
x = 0, 1, ..., n
sonst
Bsp: Ein Schütze schieÿt n = 10 mal auf eine Torwand.
Wie groÿ ist die Wahrscheinlichkeit, dass er genau fünfmal
trit, wenn er eine Treerwahrscheinlichkeit π von 25 % hat?
P (X
= 5) =
10
0.255 (1 − 0.25)10−5 = 0.058
5
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II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Theorie: Wahrscheinlichkeits und Verteilungsfunktion
Diskrete Verteilungen
Diskrete Gleichverteilung
Die diskrete Gleichverteilung charakterisiert die Situation, dass
k1 , . . . , kn -verschiedene Werte mit gleicher Wahrscheinlichkeit
angenommen werden.
f (x ) =
falls x = 1, ..., n
0 sonst
1
n
Bsp: Würfeln, jede Zahl hat die gleiche Wahrscheinlichkeit
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1
6
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Theorie: Dichte und Verteilungsfunktion
Stetige Verteilungen
II. Stetige Daten
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Theorie: Dichte und Verteilungsfunktion
Stetige Verteilungen
Eine Zufallsvariable heiÿt stetig, wenn sie unendlich viele
Werte x1 , ..., xk , ... annehmen kann, wie beispielsweise
metrische Variablen.
Die Dichte f (x ) einer stetigen Zufallsvariable
[a, b] deniert als:
P (a ≤ X
≤ b) =
Z
b
a
X ist für ein Intervall
f (x )∂ x
Die Verteilungsfunktion F (y ) einer stetigen Zufallsvariable ist
gegeben durch das Integral:
F (y ) = P (X
≤ y) =
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Z
y
−∞
f (x )∂ x
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I. Diskrete Daten
Theorie: Dichte und Verteilungsfunktion
II. Stetige Daten
Stetige Verteilungen
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Eigenschaften
Für die Dichte f (x ) gilt:
Z
+∞
−∞
P (X
f (x )∂ x = 1
= a) =
Z
a
a
f (x )∂ x = 0
Für die Verteilungsfunktion F (x ) gilt:
F (x ) =
1 für
0 für
F 0 (x ) =
x ≥ max(x )
x ≤ min(x )
∂ F (X )
= f (x )
∂x
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Normalverteilung
Theorie: Dichte und Verteilungsfunktion
Stetige Verteilungen
N (µ, σ)
Eine der wichtigsten Verteilungen ist die Normal- oder
Gauÿ-Verteilung mit Erwartungswert µ und Varianz σ 2 :
1
1
f (x |µ, σ) = √ exp −
2
σ · 2π
I
I
I
x −µ
2 !
σ
Symmetrisch um µ
Nur abhängig von µ und σ
Beispiele: Klausurnoten, das (logarithmierte) Einkommen,
Messfehler, Gröÿe und Gewicht
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Stetige Gleichverteilung
Theorie: Dichte und Verteilungsfunktion
Stetige Verteilungen
U (a, b)
Gegeben: ein Intervall, deniert durch reelle Zahlen
a < b:
1
für x ∈ [a, b]
f (x ) = 0b−a sonst
a und b mit
Die stetige Gleichverteilung spielt eine wichtige Rolle bei
statistischen Tests.
Hat man x1 , . . . , xn Realisierungen einer Variablen X mit
Verteilungsfunktion F , so gilt:
F (x1 ), . . . , F (xn ) ∼ U (0, 1)
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Erzeugen von Zufallszahlen
Darstellung von Verteilungen
III. Umgang mit Zufallszahlen
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Erzeugen von Zufallszahlen
Darstellung von Verteilungen
R ermöglicht den Umgang mit Zufallszahlen.
Beispiel: (Standard)Normalverteilung
1. Ziehen von n Zufallszahlen: rnorm(n, mean=0, sd=1)
2. Dichte im Wert x : dnorm(x, mean=0, sd=1)
Beispiel: dnorm(c(-1,0,1))
0.24197 0.39894 0.24197
3. Verteilungsfunktion im Wert x :
pnorm(x, mean=0, sd=1)
Beispiel: pnorm(c(-1,0,1))
0.15866 0.50000 0.84134
4. Quantil für Wahrscheinlichkeit p :
qnorm(p, mean=0, sd=1)
Beispiel: qnorm(c(0.25,0.5,0.75))
-0.67449 0.00000 0.67449
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I. Diskrete Daten
Erzeugen von Zufallszahlen
II. Stetige Daten
Darstellung von Verteilungen
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Beispiel: (Standard)Normalverteilung
1. Dichte im Wert x :
dnorm(c(-1,0,1))
0.24197 0.39894 0.24197
2. Verteilungsfunktion im Wert x :
pnorm(c(-1,0,1))
0.15866 0.50000 0.84134
Verteilungsfunktion
1.0
0.4
Dichte
Fx
0.4
●
0.2
0.1
●
0.0
0.0
fx
0.2
0.6
0.3
0.8
●
−4
−2
0
2
4
x
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−4
−2
0
2
4
x
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
R-Befehle
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Erzeugen von Zufallszahlen
Darstellung von Verteilungen
für weitere Verteilungen
rnorm(n, mean=0, sd=1) Normalverteilung mit Mittelwert
mean und Standardabweichung sd
rexp(n, rate=1) Exponentialverteilung mit Rate rate
rpois(n, lambda) Poissonverteilung mit Rate lambda
rcauchy(n, location=0, scale=1) Cauchyverteilung mit
Lokations- und Skalenparameter
rt(n, df)(Studen)t -verteilung mit Freiheitsgraden df
rbinom(n, size, prob) Binomialverteilung vom Umfang
size und Wahrscheinlichkeit prob
rgeom(n, prob) Geometrische Verteilung mit
Wahrscheinlichkeit prob
rhyper(nn, m, n, k) Hypergeometrische Verteilung
runif(n, min=0, max=1) Stetige Gleichverteilung im
Intervall [min, max]
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Erzeugen von Zufallszahlen
Darstellung von Verteilungen
Darstellung: Histogramme und Kerndichteschätzer
1. Histogramme: Darstellung von stetigen und diskreten
Verteilungen
hist(x, breaks = AnzahlBins, freq = NULL )
I
I
I
I
x: Daten
breaks = AnzahlBins: Steuerung der Teilintervalle
freq=TRUE: absolute Häugkeiten
freq=FALSE: relative Häugkeiten (empirische Dichte)
2. Kerndichteschätzer: Darstellung von stetigen Verteilungen
plot(density(x, kernel=gaussian, bw))
I
I
I
density(x): Kerndichteschätzung der Daten
kernel: Option für spezielle Kerntypen
bw: Bandbreite
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Erzeugen von Zufallszahlen
Darstellung von Verteilungen
Darstellung: Kerndichteschätzer
Kerndichteschätzer sind aus dem Histogramm abgeleitete Verfahren
zur Schätzung von stetigen Dichten
Hat man gegebene Daten x1 , . . . , xn und eine konstante
Bandbreite h ∈ R so ist der Kerndichteschätzer gegeben durch:
n
x − xi
fˆ(x ) =
K
n i =1 h
h
1X1
Typische Kerne sind:
I Bisquare Kern:
K (u ) = 15
(1 − u 2 )2 für
16
I
Gauÿ Kern:
K (u ) =
√1
2π
u ∈ [−1, 1] und 0 sonst
exp −
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1
2
u
!
2
für
u∈R
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I. Diskrete Daten
Erzeugen von Zufallszahlen
II. Stetige Daten
Darstellung von Verteilungen
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Beispiel: Simulation aus der Normalverteilung
data10<-rnorm(10)
hist(data10, freq=FALSE)
lines(density(data10), col=2)
data1000<-rnorm(1000)
hist(data1000, freq=FALSE)
lines(density(data1000), col=2)
Histogram of data1000
Density
0.0
0.1
0.2
0.2
0.1
0.0
Density
0.3
0.3
0.4
0.4
Histogram of data10
−2
−1
0
1
2
3
data10
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−3
−2
−1
0
1
2
3
data1000
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I. Diskrete Daten
Erzeugen von Zufallszahlen
II. Stetige Daten
Darstellung von Verteilungen
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Beispiel: Wie plottet man die Normalverteilung?
x<-seq(from=-4, to=4, by=0.1)
] Dichte
fx<-dnorm(x)
plot(x,fx, type=l)
] Verteilungsfunktion
Fx<-pnorm(x)
plot(x,Fx, type=l)
Verteilungsfunktion
Fx
0.4
0.0
0.2
0.1
0.0
fx
0.2
0.6
0.3
0.8
1.0
0.4
Dichte
−4
−2
0
2
4
x
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−4
−2
0
2
4
x
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I. Diskrete Daten
II. Stetige Daten
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Erzeugen von Zufallszahlen
Darstellung von Verteilungen
Darstellung: Q-Q-Plot
Quantil-Quantil-Plots tragen die (eventuell empirischen) Quantile
zweier Verteilungen gegeneinander ab. Somit können Verteilungen
miteinander verglichen werden.
I qqplot(x,y): Plottet die emp. Quantile von x gegen die von y
I qqnorm(y): Plottet die emp. Quantile von y gegen die einer
Standard-Normalverteilung
I qqline(y): Fügt dem Quantilplot eine Gerade hinzu die durch
das erste und dritte Quartil geht
Bsp: Vergleich von Normal- und t -Verteilung
data <- rt(400, df = 2)
qqnorm(data, main = QQ-Plot, xlab= Normalverteilung,
ylab = t-Verteilung)
qqline(data, col = green)
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I. Diskrete Daten
Erzeugen von Zufallszahlen
II. Stetige Daten
Darstellung von Verteilungen
III. Der Umgang mit Zufallszahlen
Darstellung: Q-Q-Plot
10
QQ−Plot
●
●
5
●
−5
●
−10
●
●●
●
−15
t−Verteilung
0
●
●
●●●●●●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
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●●
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●●
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●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●●
●
●●
●
−3
−2
−1
0
1
2
3
Normalverteilung
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