Умблик
Вероятностные модели
Все распределения
Вероятность и статистика · Распределения

Распределение Стьюдента

Тяжёлые симметричные хвосты, степени свободы и условия существования среднего и дисперсии.

9 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Распределение нужно для вывода о среднем нормальной выборки с неизвестной дисперсией и для честного учёта дополнительной неопределённости масштаба.

Главная идея. t-закон возникает как T = Z/√(V/ν), где Z стандартно нормальна, V независимо имеет χ²ν. Случайный знаменатель делает хвосты тяжелее нормальных, особенно при малом ν.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Проверьте независимость Z и V и правильно определите ν; в одновыборочном t-тесте нормальной выборки обычно ν = n − 1.
  2. Используйте симметрию для двусторонних событий, но не выводите из неё автоматически существование математического ожидания.
  3. Перед моментами проверьте пороги: E[T] = 0 только при ν > 1, а конечная дисперсия ν/(ν − 2) существует лишь при ν > 2.
  4. Сравнивая с N(0,1), учитывайте более тяжёлые хвосты: критическая граница t при малом ν должна быть дальше от нуля.

Частая ошибка. Объявлять среднее равным нулю только из-за симметрии или использовать нормальный порог 1,96 для малой выборки с неизвестной дисперсией.

Как проверить себя. У закона Коши ν = 1 симметрия есть, но обычного среднего нет. При конечном малом ν t-квантиль больше нормального из-за тяжёлых хвостов.

Схема к теме

Наглядная модель: Распределение Стьюдента

Тяжёлые симметричные хвосты, степени свободы и условия существования среднего и дисперсии.

Наглядная модель: Распределение СтьюдентаТяжёлые симметричные хвосты, степени свободы и условия существования среднего и дисперсии.Стьюдентt-распределениетяжёлые хвостыКошиРаспределениеСтьюдента
  • Распределение Стьюдента → Стьюдент
  • Распределение Стьюдента → t-распределение
  • Распределение Стьюдента → тяжёлые хвосты
  • Распределение Стьюдента → Коши
Схема связывает понятие «Распределение Стьюдента» с его ключевыми признаками. Вывод: Свяжите определение, условия и обозначения: тогда формула станет краткой записью уже понятной идеи.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Объясните, почему при ν = 1 медиана t-закона равна нулю, но среднее не определено, и чем этот факт отличается от случая ν = 3.

В хорошем объяснении есть:

  • Симметрия отделена от интегрируемости.
  • Для ν = 1 распознаётся закон Коши.
  • Для ν = 3 указаны среднее 0 и дисперсия 3.

Нормальная величина с неопределённым масштабом

Если Z стандартно нормальна, V имеет χ² с ν степенями свободы и они независимы, отношение T=Z/V/νT=Z/\sqrt{V/\nu} имеет распределение Стьюдента. Маленький случайный знаменатель создаёт большие по модулю значения: хвосты тяжелее нормальных.

Параметр ν>0\nu>0 — число степеней свободы. Здесь исследуется стандартный t-закон без сдвига и отдельного масштаба. При росте ν он приближается к N(0,1), но при конечном ν это другое семейство. Значение ν не ограничено целыми в математическом определении; вычислительный инструмент задаёт свой явный диапазон.

Симметрия не гарантирует среднего

Плотность симметрична относительно нуля, поэтому медиана равна нулю и P(T ≤ 0) = 1/2 при любом допустимом ν. Среднее существует и равно 0 только при ν > 1.

При 0 < ν ≤ 1 положительная и отрицательная части интеграла первого момента расходятся. Их нельзя «взаимно сократить»: среднее не определено. Для 1 < ν ≤ 2 среднее уже существует, но второй момент расходится, поэтому дисперсия бесконечна. При ν > 2 дисперсия конечна и равна ν/(ν − 2).

Инструмент различает неопределённый момент, бесконечность и конечное число. Когда среднего нет, дисперсия, определяемая относительно него, также помечается как неопределённая.

Три примера

  1. Закон Коши. При ν = 1 плотность равна 1/(π(1 + x²)), CDF — 1/2 + arctan(x)/π. Поэтому P(T ≤ 1) = 3/4. Медиана равна 0, но среднего нет: симметричная запись графика не отменяет расходимости интеграла.

  2. Граница дисперсии. При ν = 2 среднее равно 0, а дисперсия бесконечна. При ν = 3 дисперсия уже конечна: 3/(3 − 2) = 3. Любая конечная сгенерированная выборка может иметь обычную конечную дисперсию в обоих случаях; это не доказывает существование теоретического момента.

  3. Двусторонний порог. Для ν = 5 квантиль уровня 0,975 приблизительно равен 2,570582. Между −2,570582 и 2,570582 находится около 95 % массы. Нормальный порог 1,959964 дал бы для этого закона меньшую центральную вероятность из-за более тяжёлых хвостов.

Зачем t-закон нужен статистике

Для независимой нормальной выборки с неизвестной дисперсией статистика (Xˉ−μ)/(S/n)(\bar X-\mu)/(S/\sqrt n) имеет t-закон с n − 1 степенями свободы. Здесь S — исправленное выборочное стандартное отклонение. Число n − 1 берётся из конкретного вывода, а не из названия распределения.

Если исходные данные не нормальны, точное конечновыборочное утверждение может не работать. Большая выборка иногда позволяет асимптотическое обоснование, но тяжёлые хвосты, зависимость и выбросы требуют отдельного анализа.

Как экспериментировать честно

Сравните ν = 1, 2, 5, 30 по CDF и правому хвосту. При ν = 1 запустите несколько больших выборок с разными seed: средние способны сильно различаться. Нельзя обещать им сходимость к нулю по закону больших чисел, условие конечного первого абсолютного момента здесь нарушено.

Графическое окно не содержит весь носитель. Очень редкие большие наблюдения могут находиться далеко справа или слева, оставаясь в CSV и в эмпирических характеристиках. Таблица критических значений NIST округляет значения; численный исследователь использует более точную CDF, поэтому последние цифры могут отличаться.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

T=ZV/ν,Z∼N(0,1),V∼χν2T=\frac{Z}{\sqrt{V/\nu}},\quad Z\sim N(0,1),\quad V\sim\chi^2_\nu

Формула словами: Z и V должны быть независимы; ν > 0.

f(x)=Γ((ν+1)/2)νπΓ(ν/2)(1+x2ν)−(ν+1)/2f(x)=\frac{\Gamma((\nu+1)/2)}{\sqrt{\nu\pi}\Gamma(\nu/2)}\left(1+\frac{x^2}{\nu}\right)^{-(\nu+1)/2}

Формула словами: Стандартный t-закон на всей числовой прямой.

ET=0 (ν>1),D(T)=νν−2 (ν>2)\mathbb E T=0\ (\nu>1),\quad D(T)=\frac\nu{\nu-2}\ (\nu>2)

Формула словами: Условия существования обязательны; симметрия сама по себе недостаточна.

Исследуйте модель

Параметры модели

Стьюдента

Непрерывное

Стандартный закон на ℝ. При ν ≤ 1 среднего нет; при 1 < ν ≤ 2 дисперсия бесконечна.

f(x)=Γ((ν+1)/2)νπΓ(ν/2)(1+x2/ν)−(ν+1)/2f(x)=\frac{\Gamma((\nu+1)/2)}{\sqrt{\nu\pi}\Gamma(\nu/2)}(1+x^2/\nu)^{-(\nu+1)/2}

Пределы полей — вычислительные ограничения исследователя, а не область существования математического закона. Носитель: [−∞; +∞].

Форма распределения

Стьюдента: плотность f(x). Окно от -4,032143 до 4,032143. Числовая таблица расположена ниже.00,106290,212580,318870,425159-4,032143-2,01607102,0160714,032143f(x) · плотностьx · значение

Высота кривой — плотность, не вероятность точки. Вероятность интервала равна площади под кривой; плотность может быть больше 1.

За пределами окна: слева 0,5 %, справа 0,5 %. Ось ограничена окном, но CDF, интервалы и генератор используют весь носитель. По умолчанию окно берётся по квантилям 0,005 и 0,995; для конечного непрерывного носителя — весь носитель. Дискретный график ограничен 200 значениями.

Числовая таблица графика (241 точек)
xf(x)
-4,0321430,004939
-3,9985420,005132
-3,9649410,005334
-3,9313390,005544
-3,8977380,005763
-3,8641370,005993
-3,8305360,006232
-3,7969350,006482
-3,7633330,006743
-3,7297320,007016
-3,6961310,007302
-3,662530,0076
-3,6289290,007911
-3,5953270,008237
-3,5617260,008578
-3,5281250,008934
-3,4945240,009306
-3,4609230,009696
-3,4273220,010103
-3,393720,01053
-3,3601190,010976
-3,3265180,011443
-3,2929170,011932
-3,2593160,012443
-3,2257140,012979
-3,1921130,01354
-3,1585120,014127
-3,1249110,014741
-3,091310,015385
-3,0577080,016059
-3,0241070,016765
-2,9905060,017505
-2,9569050,01828
-2,9233040,019091
-2,8897020,019942
-2,8561010,020833
-2,82250,021766
-2,7888990,022744
-2,7552980,023768
-2,7216970,024841
-2,6880950,025966
-2,6544940,027144
-2,6208930,028379
-2,5872920,029672
-2,5536910,031027
-2,5200890,032446
-2,4864880,033932
-2,4528870,035489
-2,4192860,037119
-2,3856850,038827
-2,3520830,040614
-2,3184820,042485
-2,2848810,044443
-2,251280,046492
-2,2176790,048636
-2,1840770,050878
-2,1504760,053223
-2,1168750,055675
-2,0832740,058237
-2,0496730,060914
-2,0160710,06371
-1,982470,066629
-1,9488690,069675
-1,9152680,072853
-1,8816670,076167
-1,8480660,079621
-1,8144640,083219
-1,7808630,086965
-1,7472620,090862
-1,7136610,094915
-1,680060,099127
-1,6464580,1035
-1,6128570,108039
-1,5792560,112744
-1,5456550,117619
-1,5120540,122665
-1,4784520,127884
-1,4448510,133275
-1,411250,138838
-1,3776490,144574
-1,3440480,15048
-1,3104460,156554
-1,2768450,162794
-1,2432440,169194
-1,2096430,175749
-1,1760420,182454
-1,1424410,189301
-1,1088390,196281
-1,0752380,203385
-1,0416370,210601
-1,0080360,217917
-0,9744350,225319
-0,9408330,232792
-0,9072320,240319
-0,8736310,247882
-0,840030,255463
-0,8064290,263041
-0,7728270,270593
-0,7392260,278098
-0,7056250,28553
-0,6720240,292865
-0,6384230,300078
-0,6048210,307141
-0,571220,314028
-0,5376190,320712
-0,5040180,327164
-0,4704170,333357
-0,4368150,339265
-0,4032140,34486
-0,3696130,350117
-0,3360120,35501
-0,3024110,359517
-0,268810,363613
-0,2352080,36728
-0,2016070,370498
-0,1680060,37325
-0,1344050,375522
-0,1008040,377302
-0,0672020,37858
-0,0336010,37935
00,379607
0,0336010,37935
0,0672020,37858
0,1008040,377302
0,1344050,375522
0,1680060,37325
0,2016070,370498
0,2352080,36728
0,268810,363613
0,3024110,359517
0,3360120,35501
0,3696130,350117
0,4032140,34486
0,4368150,339265
0,4704170,333357
0,5040180,327164
0,5376190,320712
0,571220,314028
0,6048210,307141
0,6384230,300078
0,6720240,292865
0,7056250,28553
0,7392260,278098
0,7728270,270593
0,8064290,263041
0,840030,255463
0,8736310,247882
0,9072320,240319
0,9408330,232792
0,9744350,225319
1,0080360,217917
1,0416370,210601
1,0752380,203385
1,1088390,196281
1,1424410,189301
1,1760420,182454
1,2096430,175749
1,2432440,169194
1,2768450,162794
1,3104460,156554
1,3440480,15048
1,3776490,144574
1,411250,138838
1,4448510,133275
1,4784520,127884
1,5120540,122665
1,5456550,117619
1,5792560,112744
1,6128570,108039
1,6464580,1035
1,680060,099127
1,7136610,094915
1,7472620,090862
1,7808630,086965
1,8144640,083219
1,8480660,079621
1,8816670,076167
1,9152680,072853
1,9488690,069675
1,982470,066629
2,0160710,06371
2,0496730,060914
2,0832740,058237
2,1168750,055675
2,1504760,053223
2,1840770,050878
2,2176790,048636
2,251280,046492
2,2848810,044443
2,3184820,042485
2,3520830,040614
2,3856850,038827
2,4192860,037119
2,4528870,035489
2,4864880,033932
2,5200890,032446
2,5536910,031027
2,5872920,029672
2,6208930,028379
2,6544940,027144
2,6880950,025966
2,7216970,024841
2,7552980,023768
2,7888990,022744
2,82250,021766
2,8561010,020833
2,8897020,019942
2,9233040,019091
2,9569050,01828
2,9905060,017505
3,0241070,016765
3,0577080,016059
3,091310,015385
3,1249110,014741
3,1585120,014127
3,1921130,01354
3,2257140,012979
3,2593160,012443
3,2929170,011932
3,3265180,011443
3,3601190,010976
3,393720,01053
3,4273220,010103
3,4609230,009696
3,4945240,009306
3,5281250,008934
3,5617260,008578
3,5953270,008237
3,6289290,007911
3,662530,0076
3,6961310,007302
3,7297320,007016
3,7633330,006743
3,7969350,006482
3,8305360,006232
3,8641370,005993
3,8977380,005763
3,9313390,005544
3,9649410,005334
3,9985420,005132
4,0321430,004939

Точка и интервал

P(X = -2,35608e-8)
0 %
Плотность f(-2,35608e-8)
0,379607
P(X ≤ -2,35608e-8)
50 %
P(X > -2,35608e-8)
50 %
P(-4,032143 ≤ X ≤ 4,032143)
99 %

Границы интервала включены. Для дискретного закона учитываются только целые точки внутри него; для непрерывного включение концов не меняет вероятность.

Что предсказывает модель

Математическое ожидание E(X)
0
Дисперсия D(X)
1,666667

Ожидание — характеристика распределения, а не обещанный результат одного опыта. Конечная выборка имеет своё среднее даже тогда, когда теоретическое среднее не существует.

CDF и правый хвост вычисляются отдельно, чтобы сохранять малые вероятности. Значения ниже предела чисел двойной точности могут округляться до 0; квантили у границ также ограничены машинной точностью.

От модели к данным

Сгенерировать выборку

До 100 000 наблюдений

Независимые псевдослучайные наблюдения в отдельном рабочем потоке. Один seed и те же параметры воспроизводят тот же ряд. Это учебный, не криптографический генератор.

Повторить результат по ключу
Опыт оживает на весь экран

Кнопка «Сгенерировать» создаёт весь указанный объём. Отдельное наблюдение показывает один результат с анимацией. CSV содержит всю показанную выборку.

Выборка ещё не создана.

От формулы к наблюдению

Попробуйте самостоятельно

Измените параметры и сопоставьте расчёт с результатами случайного эксперимента.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.