MATLAB Normal Distribution Confidence Intervals: Obtaining Reliable Estimates of Normal Distribution Parameters

发布时间: 2024-09-14 15:19:11 阅读量: 9 订阅数: 17
# Introduction to Normal Distribution in MATLAB The normal distribution, also known as the Gaussian distribution, is a continuous probability distribution that is widely present in nature and scientific research. Its probability density function is: ``` f(x) = (1 / (σ√(2π))) * exp(-(x - μ)² / (2σ²)) ``` Where μ represents the mean of the normal distribution and σ represents the standard deviation. The normal distribution has the following characteristics: - **Symmetry:** The distribution curve is symmetric about the mean μ. - **Bell-shaped curve:** The distribution curve is bell-shaped, with a maximum value at the mean μ. - **Asymptotic behavior:** The distribution curve gradually approaches the horizontal line on both sides, meaning the probability density gradually decreases. # Parameter Estimation of the Normal Distribution ### 2.1 Maximum Likelihood Estimation #### 2.1.1 Construction of the Likelihood Function The likelihood function is a function of the model parameters given the observed data. In the context of the normal distribution, the likelihood function is expressed as: ``` L(μ, σ^2 | x_1, x_2, ..., x_n) = (2πσ^2)^(-n/2) * exp(-∑(x_i - μ)^2 / (2σ^2)) ``` Where: * μ is the mean of the normal distribution * σ^2 is the variance of the normal distribution * x_1, x_2, ..., x_n are the observed data #### 2.1.2 Solution Methods for Parameter Estimation The maximum likelihood estimation (MLE) is a method for estimating model parameters by maximizing the likelihood function. For the normal distribution, MLE estimates can be analytically solved: **Mean Estimation:** ``` μ_MLE = (1/n) * ∑x_i ``` **Variance Estimation:** ``` σ^2_MLE = (1/(n-1)) * ∑(x_i - μ_MLE)^2 ``` ### 2.2 Bayesian Estimation #### 2.2.1 Selection of the Prior Distribution Bayesian estimation is a method that combines prior distribution and observed data. The prior distribution represents prior beliefs about the parameters. For the normal distribution, the conjugate prior distribution is commonly chosen, which is: * Mean prior: Normal distribution N(μ_0, σ_0^2) * Variance prior: Inverse Gamma distribution Inv-Gamma(α, β) #### 2.2.2 Derivation of the Posterior Distribution By combining the prior distribution and the likelihood function, we can obtain the posterior distribution: **Mean Posterior:** ``` μ_post | x_1, x_2, ..., x_n ~ N(μ_n, σ_n^2) ``` Where: ``` μ_n = (σ_0^2 * μ_0 + σ^2_MLE * μ_MLE) / (σ_0^2 + σ^2_MLE) σ_n^2 = (σ_0^2 * σ^2_MLE) / (σ_0^2 + σ^2_MLE) ``` **Variance Posterior:** ``` σ^2_post | x_1, x_2, ..., x_n ~ Inv-Gamma(α + n/2, β + ∑(x_i - μ_MLE)^2 / 2) ``` # Theoretical Basis of Confidence Intervals for Normal Distribution #### 3.1.1 Concepts of Confidence Level and Confidence Interval **Confidence Level:** The confidence level represents the degree of confidence in the accuracy of the estimated value. It is usually expressed as a percentage, such as 95% or 99%. The higher the confidence level, the greater the confidence in the estimated value. **Confidence Interval:** The confidence interval is an interval that contains the estimated value, with a specified confidence level probability. In other words, the confidence interval represents the probability that the estimated value falls within that interval. #### 3.1.2 Formulas for Confidence Intervals of Normal Distribution For the normal distribution, confidence intervals can be calculated using the following formula: ``` [μ - z * σ/√n, μ + z * σ/√n] ``` Where: * μ is the mean of the normal distribution * σ is the standard deviation of the normal distribution * n is the sample size * z is the z-score corresponding to the confidence level For example, for a 95% confidence level, the z-score is 1.96. ### 3.2 Implementation of Confidence Intervals in MATLAB #### 3.2.1 Normal Distribution Parameter Estimation Functions MATLAB provides the `normfit` function to estimate the parameters of the normal distribution.
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