Die Cauchy-Verteilung (nach Augustin Louis Cauchy) ist eine stetige, leptokurtische (supergaußförmige) Wahrscheinlichkeitsverteilung.
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Anschaulich gesprochen beschreibt sie die tangentiale Auslenkung eines Pendels. Hat das Pendel die Länge , Ruheposition und einen über dem Intervall gleichverteilten Auslenkungswinkel , so ist die Position Cauchy-verteilt mit den Parametern und .[1]
Die Cauchy-Verteilung tritt außerdem als die Verteilung einer Zufallsvariable auf, die das Verhältnis zweier Zufallsvariablen und mit einer rotationsinvarianten gemeinsamen Dichte ist (z. B. zwei unabhängige zentrierte normalverteilte Zufallsvariablen).[2]
Ferner ist sie in der Physik für eine genäherte Beschreibung von Resonanz von Bedeutung. Sie wird dort Resonanzkurve oder Lorentzkurve (nach Hendrik Antoon Lorentz) genannt. Daher gibt es auch die Bezeichnungen Lorentz-Verteilung und Cauchy-Lorentz-Verteilung.
Definition
BearbeitenEine Zufallsvariable hat eine Cauchy-Verteilung mit Zentrum und Breitenparameter , wenn sie die auf ganz definierte Wahrscheinlichkeitsdichte
besitzt. Hierfür schreibt man auch symbolisch und sagt, dass Cauchy-verteilt (zu und ) ist.[3]
Die spezielle Cauchy-Verteilung zu den Parametern und , also mit der Wahrscheinlichkeitsdichte
- ,
heißt Standard-Cauchy-Verteilung. Für eine standard-Cauchy-verteilte Zufallsvariable schreibt man entsprechend .
Eigenschaften
BearbeitenVerteilungsfunktion
BearbeitenDie Verteilungsfunktion der Cauchy-Verteilung ist
- .
Die Verteilungsfunktion der Standard-Cauchy-Verteilung lautet insbesondere ( )
- .
Erwartungswert, Varianz, Standardabweichung, Momente
BearbeitenDie Cauchy-Verteilung ist eine Verteilung, die weder Erwartungswert noch Varianz oder Standardabweichung besitzt, sie sind unbestimmt. Dementsprechend besitzt sie auch keine endlichen Momente und keine momenterzeugende Funktion.
Quantile
BearbeitenDie Quantile erhält man aus der Quantilfunktion
- .
Median, Modus, Quartilabstand
BearbeitenDie Cauchy-Verteilung besitzt den Median bei , den Modus ebenfalls bei , und den Quartilsabstand .
Symmetrie
BearbeitenDie Cauchy-Verteilung ist symmetrisch zum Parameter .
Entropie
BearbeitenDie Entropie beträgt .
Charakteristische Funktion
BearbeitenDie charakteristische Funktion der Cauchy-Verteilung ist .
Reproduktivität
BearbeitenDie Cauchy-Verteilung gehört zu den reproduktiven Wahrscheinlichkeitsverteilungen: Der arithmetische Mittelwert
aus standard-Cauchy-verteilten Zufallsvariablen ist selbst standard-Cauchy-verteilt. Insbesondere gehorcht die Cauchy-Verteilung also nicht dem Gesetz der großen Zahlen, das für alle Verteilungen mit existierendem Erwartungswert (siehe Satz von Etemadi) gilt. Ferner gilt auch der zentrale Grenzwertsatz nicht.
Invarianz gegenüber Faltung
BearbeitenDie Cauchy-Verteilung ist invariant gegenüber Faltung, das heißt, die Faltung einer Lorentz-Kurve der Halbwertsbreite und einem Maximum bei mit einer Lorentz-Kurve der Halbwertsbreite und einem Maximum bei ergibt wieder eine Lorentz-Kurve mit der Halbwertsbreite und einem Maximum bei . Somit bildet die Cauchy-Verteilung eine Faltungshalbgruppe.
Beziehung zwischen der Cauchy-Verteilung und der Standard-Cauchy-Verteilung
BearbeitenIst eine Zufallsvariable standard-Cauchy-verteilt, so ist die transformierte Zufallsvariable (mit und ) Cauchy-verteilt zu und . Umgekehrt gilt: Ist Cauchy-verteilt mit den Parametern und , dann ist standard-Cauchy-verteilt.
Beziehungen zu anderen Verteilungen
BearbeitenBeziehung zur stetigen Gleichverteilung
BearbeitenIst auf dem Intervall stetig gleichverteilt, dann ist standard-Cauchy-verteilt. Entsprechend ist Cauchy-verteilt mit den Parametern und . Dies motiviert das Beispiel der Pendel-Auslenkung.
Beziehung zur Normalverteilung
BearbeitenSind zwei unabhängige standardnormalverteilte Zufallsvariablen, dann ist der Quotient standard-Cauchy-verteilt.[4] Etwas allgemeiner gilt, dass der Quotient von zwei unabhängigen, zentrierten normalverteilten Zufallsvariablen Cauchy-verteilt ist.
Beziehung zur studentschen t-Verteilung
BearbeitenDie Standard-Cauchy-Verteilung ist der Spezialfall der studentschen t-Verteilung mit einem Freiheitsgrad .
Beziehung zur Lévy-Verteilung
BearbeitenDie Cauchy-Verteilung ist eine spezielle α-stabile Verteilung mit dem Exponentenparameter .
Anwendungsbeispiel
BearbeitenBei der Cauchy-Verteilung als Vertreter der Heavy-tailed-Verteilungen ist die Wahrscheinlichkeit für extreme Ausprägungen sehr groß. Sind die 1 % größten Werte einer standardnormalverteilten Zufallsvariablen mindestens 2,326, so beträgt bei einer standard-Cauchy-verteilten Zufallsvariablen die entsprechende Untergrenze 31,82. Möchte man die Auswirkung von Ausreißern in Daten auf statistische Verfahren untersuchen, verwendet man häufig Cauchy-verteilte Zufallszahlen in Simulationen.
Zufallszahlen
BearbeitenZur Erzeugung Cauchy-verteilter Zufallszahlen bietet sich die Inversionsmethode an. Die nach dem Simulationslemma zu bildende Pseudoinverse der Verteilungsfunktion lautet hierbei (siehe Kotangens). Zu einer Folge von Standardzufallszahlen lässt sich daher durch , oder wegen der Symmetrie auch durch , eine Folge standard-Cauchy-verteilter Zufallszahlen berechnen.
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ Wolfgang Bühler: Die Cauchy-Verteilung und das Gesetz der großen Zahlen. In: Monoid. Jahrgang 30, Nr. 103. Universität Mainz, 2010, S. 16–18 (uni-mainz.de [PDF]).
- ↑ Norbert Henze: Stochastik: Eine Einführung mit Grundzügen der Maßtheorie. Springer Spektrum, Berlin 2019, ISBN 978-3-662-59562-6, S. 144.
- ↑ Norbert Henze: Stochastik für Einsteiger. 13. Auflage. Springer, Berlin 2021, ISBN 978-3-662-63839-2, S. 314.
- ↑ Joseph K. Blitzstein Jessica Hwang: Introduction to Probability. CRC Press, 2015, ISBN 978-1-4665-7559-2, S. 294–295 (archive.org [PDF]).
Literatur
Bearbeiten- William Feller: An Introduction to Probability Theory and Its Applications: 1. 3. Auflage. Wiley & Sons, 1968, ISBN 0-471-25708-7.
- William Feller: An Introduction to Probability Theory and Its Applications: 2. 2. Auflage. John Wiley & Sons, 1991, ISBN 0-471-25709-5.
Weblinks
Bearbeiten- Universität Konstanz – Interaktive Animation
- Eric W. Weisstein: Cauchy Distribution. In: MathWorld (englisch).