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边缘分布的定义与公式详解

2025/4/18 20:57:03 来源:https://blog.csdn.net/m0_69522810/article/details/147126338  浏览:    关键词:边缘分布的定义与公式详解
1. 边缘分布的定义

边缘分布(Marginal Distribution)是多维随机变量中某个单一变量的概率分布,它通过“忽略”其他变量的影响,仅关注该变量的统计特性。例如,对于二维随机变量(X,Y)X 的边缘分布描述了X单独的概率行为,而不考虑Y的取值。

数学定义

  • 联合分布函数:F(x,y)=P(X\leq x,Y\leq y)
  • X的边缘分布函数F_X(x)=\lim_{y\to\infty}F(x,y)=P(X\leq x)
  • Y的边缘分布函数F_Y(y)=\lim_{x\to\infty}F(x,y)=P(Y\leq y)

对于连续型变量,**边缘概率密度函数(PDF)**通过对联合密度函数积分得到:

f_X(x)=\int_{-\infty}^{+\infty}f(x,y)dy

f_Y(y)=\int_{-\infty}^{+\infty}f(x,y)dx

2. Copula与联合分布的构造

根据 Sklar定理,任何联合分布F(x_1,x_2,\ldots,x_n)均可分解为:

F(x_1,x_2,\ldots,x_n)=C\left(F_1(x_1),F_2(x_2),\ldots,F_n(x_n)\right)

  • F_i(x_i)是第i个变量的边缘分布函数。
  • C:[0,1]^n\to[0,1]是 Copula 函数,描述变量间的相关性结构。

联合概率密度函数(PDF) 则为:

f(x_1,x_2,\ldots,x_n)=c\left(F_1(x_1),\ldots,F_n(x_n)\right)\cdot\prod_{i=1}^nf_i(x_i)

其中c是 Copula 的密度函数,f_i(x_i)是各变量的边缘密度函数。

3. 实际例子:二维联合分布建模

假设风电出力W和光伏出力S的边缘分布分别为 Weibull分布 和 Beta分布,其概率密度函数为:

Weibull分布

f_W(w)=\frac{k}{\lambda}\left(\frac{w}{\lambda}\right)^{k-1}e^{-(w/\lambda)^k}\quad(w\geq0)

Beta分布

f_S(s)=\frac{s^{\alpha-1}(1-s)^{\beta-1}}{B(\alpha,\beta)}\quad(0\leq s\leq1)

其中B(\alpha,\beta)是 Beta 函数。

选择 Gaussian Copula 描述两者的相关性,其 Copula 函数为:

C(u,v;\rho)=\Phi_\rho\left(\Phi^{-1}(u),\Phi^{-1}(v)\right)

其中:

  • \Phi_{\rho}是均值为0、协方差矩阵为\rho的二维正态分布函数。

  • \Phi^{-1}是标准正态分布的逆函数。

  • u=F_W(w),v=F_S(s)是风电和光伏的边缘分布函数值。

4. 总结
  • 边缘分布是分析单一变量统计特性的基础,通过积分或极限从联合分布中提取。

  • Copula函数通过分离边缘分布与相关性,灵活构建联合分布,适用于非对称、非线性相关场景(如风光出力)。

  • 实际建模需结合领域知识选择边缘分布(如Weibull/Beta)和Copula类型(如Gaussian/Frank)。

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