Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg...

28
22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema Cilj statističke analize: pronaći raspodelu verovatnoće (“model”) koja dovoljno dobro opisuje vezu X-P u osmotrenom nizu podataka uz pomoć odabrane raspodele, odrediti: verovatnoću pojave zadatog ekstrema, P(X) veličinu ekstrema zadate verovatnoće pojave, X(P) veličina ekstrema X verovatnoća pojave P raspodela verovatnoće velike vode (maksimumi) P{X x} = F(x) → obezbeđenost P{X > x} = 1 – F(x) → rizik, neobezbeđenost male vode (minimumi) P{X x} = F(x) → rizik, neobezbeđenost P{X > x} = 1 – F(x) → obezbeđenost Način izražavanja veze X-P vrednost slučajne promenljive x VEROVATNOĆA: funkcija raspodele ili verovatnoća neprevazilaženja F(x) = P{X x} verovatnoća prevazilaženja P{X > x} = 1 – F(x)

Transcript of Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg...

Page 1: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

1

Statistička analiza hidroloških ekstrema

Cilj statističke analize:

pronaći raspodelu verovatnoće (“model”) koja dovoljno dobro opisuje vezu X-P u osmotrenom nizu podataka

uz pomoć odabrane raspodele, odrediti:

verovatnoću pojave zadatog ekstrema, P(X)

veličinu ekstrema zadate verovatnoće pojave, X(P)

veličina ekstrema X

verovatnoća pojave P

raspodela verovatnoće

velike vode (maksimumi)

P{X ≤ x} = F(x) → obezbeđenost

P{X > x} = 1 – F(x) → rizik, neobezbeđenost

male vode (minimumi)

P{X ≤ x} = F(x) → rizik, neobezbeđenost

P{X > x} = 1 – F(x) → obezbeđenost

Način izražavanja veze X-P

vrednost slučajne promenljive

x

VEROVATNOĆA:

funkcija raspodele ili verovatnoća neprevazilaženja

F(x) = P{X x}

verovatnoća prevazilaženja

P{X > x} = 1 – F(x)

Page 2: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

2

Povratni period

Definiše se kao recipročna vrednost verovatnoće kritičnog događaja

predstavlja način izražavanja verovatnoće kritičnog događaja

predstavlja prosečan broj godina između dva prevazilaženja vrednosti

izražava se u godinama

velike vode (maksimumi)

primer: T(200 m3/s) = 50 god. znači da će se protok od 200 m3/s prevazići jednom u 50 godina (odnosno sa verovatnoćom 1/50 = 0.02 = 2%)

male vode (minimumi)

primer: T(0.4 m3/s) = 20 god. znači da će se protok manji od 0.4 m3/s javiti jednom u 20 godina (odnosno sa verovatnoćom 1/20 = 0.05 = 5%)

)(1

1

}{

1)(

xFxXPxT

)(

1

}{

1)(

xFxXPxT

Uslovi za statističku analizu

Uslovi koje hidrološki nizovi ekstrema moraju da ispune:

nezavisni podaci (slučajnost)

jednako raspoređeni, “istorodni” (homogenost)

Ispunjavanje uslova proverava se pomoću odgovarajućih statističkih testova

Smatra se da nizovi godišnjih ekstrema i pikova iznad praga u opštem slučaju ispunjavaju ove uslove

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1.1.1998. 1.1.1999. 1.1.2000. 31.12.2000.

Q (

m3/s

)

n 1 = 5

Z 2

Z 3

Z 1

Z 5

Z 4

=

x B

Z 6

Z

M

n 2 = 4 n 3 = 3 ... n N = 4

godina 1 godina 2 godina 3 godina N

Z = X - x B

X 1

X 2

X 3

X

N

godišnji maksimumi/minimumi prekoračenja preko praga (pikovi)

Page 3: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

3

POSTUPAK statističke analize

PRILAGOĐAVANJE teorijskih raspodela osmotrenim podacima

formiranje EMPIRIJSKE RASPODELE >>>

proračun parametara TEORIJSKIH RASPODELA >>>

TESTIRANJE SAGLASNOSTI empirijske i teorijskih raspodela >>>

IZBOR najbolje raspodele >>>

F

x

F

x

osmotreni podaci – EMPIRIJSKA RASPODELA

prilagođavanje – TEORIJSKA RASPODELA

Fe(x) F (x)

POSTUPAK statističke analize

PRORAČUN teorijske raspodele

VEROVATNOĆE za zadatu vrednost, F(x)

KVANTILA (vrednosti za zadatu verovatnoću), x(F)

F

x

proračun KVANTILA

F (x)

F

x

proračun VEROVATNOĆE

F (x)

x

Fx

xF

F

Page 4: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

4

Empirijska raspodela

Proračun empirijske funkcije raspodele

potrebno oceniti funkciju raspodele F(x) tj. verovatnoću P{X x}

Kao kao empirijska funkcija raspodele može se koristiti

kumulativna relativna frekvencija

različite formule za kompromisnu verovatnoću

Empirijska raspodela

Kumulativna relativna frekvencija kao empirijska raspodela

xk – k-ti podatak u nizu uređenom u rastući redosled

k xk

1 29.3

2 33.3

3 35.7

4 36.2

5 37.2

... ...

41 80.3

122.041

5}2.37{}{ 5 XPxXP

hronološki niz

uređeni niz

nizuu podataka broj

podataka broj}{ k

k

x

n

kxXP

Page 5: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

5

Empirijska raspodela

Kumulativna relativna frekvencija kao empirijska raspodela

x1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0 F x( )

x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10

x

n

kxXP k }{

n

kxXP k

1}{

n = 10

“nešto između” = kompromisna verovatnoća

1}{ nxXP ?

Empirijska raspodela

Kompromisna verovatnoća po Hejzenu kao empirijska raspodela

k xk (k – 0.5) / n

1 x1 = xmin 0.5/40

2 x2 1.5/40

3 x3 2.5/40

4 x4 3.5/40

5 x5 4.5/40

...

38 x38 37.5/40

39 x39 38.5/40

40 x40 = xmax 39.5/40

n = 40

0125.040

5.05.0}{ min

nxXP

n

kxXP k

5.0}{

0125.0}{1}{

9875.040

5.391}{

maxmax

max

xXPxXP

n

nxXP

Page 6: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

6

Empirijska raspodela

Kompromisna verovatnoća po Vejbulu kao empirijska raspodela

k xk k / (n + 1)

1 x1 = xmin 1/41

2 x2 2/41

3 x3 3/41

4 x4 4/41

5 x5 5/41

...

38 x38 38/41

39 x39 39/41

40 x40 = xmax 40/41

n = 40

0244.041

1

1

1}{ min

nxXP

1}{

n

kxXP k

0244.0}{1}{

9756.041

40

1}{

maxmax

max

xXPxXP

n

nxXP

Empirijska raspodela

Formule kompromisne verovatnoće

Autor Kompromisna verovatnoca

a Koristi se za

Weibull 0 sve raspodele

Hazen 0.5 sve raspodele

Blom 0.375 normalna i log-normalna

raspodela

Gringorten 0.44 Gumbelova raspodela

Cunnane 0.4 sve raspodele

Opšta formula

n

ixXP i

5.0}{

1}{

n

ixXP i

25.0

375.0}{

n

ixXP i

12.0

44.0}{

n

ixXP i

2.0

4.0}{

n

ixXP i

an

aixXP i

21}{

Page 7: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

7

Teorijske raspodele verovatnode u hidrologiji

Normalna i log-normalna raspodela

Gumbelova raspodela

Pirson III i log-Pirson III raspodela

Opšta raspodela ekstremnih vrednosti

nazad >

primer >

Normalna raspodela

Gustina raspodele:

μ, σ – parametri raspodele

Funkcija raspodele:

neintegrabilna funkcija

računa se na osnovu tablica standardne normalne raspodele

x

xxf ,

2

)(exp

2

1)(

2

2

duu

xF

x

2

2

2

)(exp

2

1)(

x

f(x)

μ

F(x)

x

1

0

0.5

μ

Page 8: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

8

Normalna raspodela

Parametri raspodele

μ – srednja vrednost (μ = μ’1)

σ – standardna devijacija (σ2 = μ2)

Osobine – momenti raspodele

μ’1 = μ (srednja vrednost)

μ2 = σ2 (σ – standardna devijacija)

Cs = μ3 / σ3 = 0 (koeficijent asimetrije)

Važna osobina: simetričnost (Cs = 0)

x

f(x)

μ μ – parametar

lokacije

σ – parametar razmere

σ1

σ2

F(x)

x

1

0

0.5

μ

σ1

σ2

Normalna raspodela

Standardna normalna raspodela = normalna raspodela sa parametrima μ = 0 i σ = 1

Standardizovana normalna promenljiva:

Funkcija raspodele: Φ(z) = FZ(z) = P{Z ≤ z}

XZ

Tablice standardne normalne raspodele

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

gustina raspodele

φ(z)

0

0.5

1

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

funkcija raspodele

Φ(z)

standardna normalna promenljiva z

Φ(z) z Φ(z) z

0.001 -3.09 0.999 3.09

0.002 -2.88 0.998 2.88

0.005 -2.58 0.995 2.58

0.01 -2.33 0.99 2.33

0.02 -2.05 0.98 2.05

0.05 -1.64 0.95 1.64

0.1 -1.28 0.9 1.28

0.2 -0.84 0.8 0.84

0.3 -0.52 0.7 0.52

0.4 -0.25 0.6 0.25

0.5 0 0.5 0

Page 9: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

9

Normalna raspodela

Važne osobine normalne raspodele

P{–1 < Z ≤ 1} = Φ(1) – Φ(–1) = 0.841 – 0.159 = 0.683

P{–2 < Z ≤ 2} = Φ(2) – Φ(–2) = 0.977 – 0.023 = 0.954

P{–3 < Z ≤ 3} = Φ(3) – Φ(–3) = 0.9987 – 0.0014 = 0.9973

68% 95% 99.7%

Normalna raspodela

Proračun normalne raspodele preko standardne normalne raspodele:

xxZP

xZPxXPxF }{}{)(

xxF )(

-3

3

-2

2

-1

0

1

2

2

3

3

z

x

φ(z), f(x)

XZ

σμ ZX

Z – broj standardnih devijacija u odstupanju od srednje vrednosti

Page 10: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

10

Normalna raspodela

Proračun normalne raspodele preko standardne normalne raspodele – primer:

μ = 120, σ = 20

x = 120, z = (150 – 120)/20 = 1.5

933.0)5.1(20

120150)150()(

ΦΦ

σ

μΦ

xFxF

-3

3

-2

2

-1

0

1

2

2

3

3

z

x

φ(z), f(x)

Normalna raspodela

Određivanje parametara na osnovu uzorka

Postupak proračuna

F = NORMSDIST(z) z = NORMSINV(F)

)()(TAB

xFzS

xxzx

x

Φ

xSzxxzzxF TAB

)()( Φ

xS

x

Page 11: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

11

Log-normalna raspodela

Primena normalne raspodele na logaritmovane podatke

ako slučajna promenljiva Y = log X prati normalnu raspodelu, tada X prati log-normalnu raspodelu

parametri: srednja vrednost i standardna devijacija logaritmovanog niza

YY ,

F(y)

y = log x

1

0

0.5

μY

Log-normalna raspodela

Određivanje parametara na osnovu uzorka

Postupak proračuna

F = NORMSDIST(z) z = NORMSINV(F)

yY

Y

S

y

)()()(logTAB

xFyFzS

yyzxyx XY

y

Φ

yyX xSzyyzzxF 10)()(

TAB Φ

Page 12: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

12

Gumbelova raspodela

Gustina raspodele:

Funkcija raspodele:

Inverzna funkcija raspodele:

Drugi nazivi:

dvostruko eksponencijalna raspodela

raspodela ekstremnih vrednosti I tipa

x

uxuxxf ,expexp

1)(

uxxF expexp)(

)]lnln([)( FuFx

Gumbelova raspodela

Parametri:

α – parametar razmere

u – parametar lokacije

Osobine:

srednja vrednost μ(u,α)

standardna devijacija σ(u,α)

koef. asimetrije Cs = 1.14

x

f(x)

u

α1

α2 > α1

u – parametar lokacije

α – parametar razmere

6

5772.0u

Page 13: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

13

Gumbelova raspodela

Standardna Gumbelova raspodela

Gumbelova raspodela sa parametrima u = 0, α = 1

Smena:

Funkcija raspodele:

Inverzna funkcija raspodele:

yeeyF)(

)lnln()( FFyG

uXYG

Cs = 1.14

y

f(y)

0

Gumbelova raspodela

Određivanje parametara na osnovu uzorka

Postupak proračuna

F = EXP(–EXP(–y)) y = –LN(–LN(F))

x

x

S

Sxu

78.0

45.0

)()( xFeyFux

yx Xe

Y

y

yuxFyyFxF YX )lnln()()(

Page 14: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

14

Pirsonova raspodela III tipa

Troparametarska gama raspodela

Gustina raspodele:

Parametri:

– parametar oblika, b – parametar razmere, g – parametar lokacije

g

b

g

b bg

xex

xf x ,)(

1)( /)(

1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x

f(x

)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x

f(x

)

= 1

= 2

= 4

b = 1

b = 2 b = 4

β = 1 γ = 0

α = 2 γ = 0

Pirsonova raspodela III tipa

Osobine:

momenti:

asimetrična

za Cs = 0 postaje normalna raspodela

troparametarska - lakše prilagođavanje

Proračun

Tablice faktora frekvencije KP(F, Cs)

/2sC

)()( FKFX P

bgb

2,, sC

Page 15: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

15

Pirsonova raspodela III tipa

Određivanje parametara na osnovu uzorka

Postupak proračuna

Csx > 0: F = GAMMADIST((x – γ)/β, α,1,TRUE) x = γ + β * GAMMAINV(F,α,1) Csx < 0: F = 1 – GAMMADIST((x – γ)/β, α,1,TRUE) x = γ + β * GAMMAINV(1 – F, α,1)

bg

b xcS

c

sxx

sx

,2

,42

)( za TAB

xFc

S

xxKx X

sx

x

P

xPPsx

X SKxxKc

xF za TAB

)(

KP – faktor

frekvencije

Log-Pirson III raspodela

Log-Pirson III raspodela

ako slučajna promenljiva Y = log X prati Pirson III raspodelu, tada X prati log-Pirson III raspodelu

primena Pirson III raspodele na logaritmovane podatke

Page 16: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

16

Log-Pirson III raspodela

Određivanje parametara na osnovu uzorka

Postupak proračuna

Csy > 0: F = GAMMADIST((y – γ)/β, α,1,TRUE) y = γ + β * GAMMAINV(F,α,1) Csy < 0: F = 1 – GAMMADIST((y – γ)/β, α,1,TRUE) y = γ + β * GAMMAINV(1 – F, α,1)

bg

b ycS

c

syy

sy

,2

,42

)()(log za TAB

xFyFc

S

yyKxyx XY

sy

y

P

yyPP

syX xSKyyK

cxF 10)(

za TAB

nazad >

Opšta raspodela ekstremnih vrednosti

Drugi nazivi:

GEV raspodela (General Extreme Value distribution)

Dženkinsonova raspodela

Funkcija raspodele:

za k = 0, GEV raspodela se svodi na Gumbelovu:

Inverzna funkcija raspodele:

uxxF expexp)(

0,1exp)(

/1

k

uxkxF

k

α

0],)ln(1[)( kFk

uFx kα

Page 17: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

17

Opšta raspodela ekstremnih vrednosti

Parametri:

k – parametar oblika

α – parametar razmere

u – parametar lokacije

Osobine:

α = 1 u = 0

Opšta raspodela ekstremnih vrednosti

Određivanje parametara na osnovu uzorka

Postupak proračuna

Γ(.) = EXP(GAMMALN(.)) F = EXP(–((1–ky)^(1/k))) y = 1–(–LN(F))^k

)]1(1[,)]1()21([ 2/12

kk

xukk

kSx

Γ

α

ΓΓα

])1[(exp)( /1 kkyxFux

yx

α

α yuxFyxF k)ln(1)(

k 2/32

3

)]1()21([

)1(2)1()21(3)31()sgn(

kk

kkkkkCs

Page 18: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

18

Izbor teorijske raspodele

Izbor najbolje teorijske raspodele

na osnovu primenljivosti teorijske raspodele da li osobine teorijske raspodele

odgovaraju osobinama uzorka (npr. asimetrija)

na osnovu testova saglasnosti emirijske i teorijske raspodele

vizuelna provera na papiru verovatnoće

nazad >

Testiranje saglasnosti

Saglasnost empirijske i teorijske raspodele

empirijska raspodela Fe(x)

teorijska raspodela Ft(x)

Test Kolmogorova-Smirnova

H0: raspodele su saglasne, Ha: raspodele nisu saglasne

kontrolna statistika Dmax = max |Ft(x) – Fe(x)|

kriterijum:

Dmax < Dkr → raspodele su saglasne

Dmax > Dkr → raspodele nisu saglasne

Dkr zavisi od dužine uzorka n i praga značajnosti α:

n α = 10% α = 5% α = 2% α = 1%

20 0.265 0.294 0.329 0.352

40 0.189 0.210 0.235 0.252

Page 19: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

19

Testiranje saglasnosti

Test Kramer – fon Mizesa (ili nω2 test)

H0: raspodele su saglasne, Ha: raspodele nisu saglasne

kontrolna statistika

kriterijum:

nω2 < nω2kr → raspodele su saglasne

nω2 > nω2kr → raspodele nisu saglasne

nω2kr zavisi od praga značajnosti α:

n

i

ieit

n

i

it xFxFnn

ixF

nn

1

2

1

22 )()(

12

15.0)(

12

α = 10% α = 5% α = 2.5% α = 1%

nω2 0.348 0.462 0.581 0.744

nazad >

Grafički prikaz funkcija raspodele

Dijagram F(x) u aritmetičkoj razmeri

Funkcije raspodele se prikazuju na dijagramima (papirima) verovatnoće

Na papirima verovatnoće zavisnost F(x) se linearizuje

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 200 400 600 800 1000

x

F(x

)

oblasti teškog očitavanja

verovatnoće

Page 20: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

20

Dijagram normalne verovatnode

Standardizovana normalna promenljiva Z i verovatnoća Φ(z) su u jednoznačnoj vezi

Linearna veza između standardizovane i originalne promenljive: X = μ+ σZ

Φ(z)

z

1

0

0.5

0

X

z 0

μ

x

z z

Dijagram normalne verovatnode - konstrukcija

F (z ) z F (z ) z

0.001 -3.090 0.5 0.000

0.002 -2.878 0.6 0.253

0.005 -2.576 0.7 0.524

0.01 -2.326 0.75 0.674

0.02 -2.054 0.8 0.842

0.025 -1.960 0.9 1.282

0.05 -1.645 0.95 1.645

0.1 -1.282 0.975 1.960

0.2 -0.842 0.98 2.054

0.25 -0.674 0.99 2.326

0.3 -0.524 0.995 2.576

0.4 -0.253 0.998 2.878

0.999 3.090

0.3 0.1 0.01 0.001 0.7 0.9 0.999

Funkcija raspodele F(x)

0.5

1. Linearna veza između standardizovane i originalne promenljive: X = μ + σ Z

2. Jednoznačna veza između standardizovane normalne promenljive i funkcije raspodele: Z – F(z)

- 3 - 2 - 1 0 1 2 3

Standardizovana normalna promenljiva z

Slu

;ajn

a pro

men

ljiv

a x

0.99

Φ(z)

z

1

0

0.5

0

Page 21: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

21

Papir normalne verovatnode

“Komercijalni” papir normalne verovatnoće

0.9

99

0.9

98

0.9

95

0.9

9

0.9

8

0.9

5

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

5

0.0

2

0.0

1

0.0

05

0.0

02

0.0

01

-3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

z

F = P {X ≤ x }

Dijagram normalne verovatnode

Ako se tačke empirijske raspodele na papiru normalne verovatnoće grupišu oko prave linije, tada se smatra da normalna raspodela dobro opisuje taj niz

Povratni period T (god)

0.99

9

0.99

8

0.99

5

0.99

0.98

0.950.

9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.05

0.02

0.01

0.00

5

0.00

2

0.00

1

2 5 10 20 50 100

200

500

1000

0

5

10

15

20

25

30

Funkcija raspodele F (x ) = P {X < x }

Q (

m3 /s

)

Empirijska raspodela

Normalna raspodela

Page 22: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

22

Dijagram log-normalne verovatnode

Dijagram normalne verovatnoće sa osom za X u logaritamskoj raspodeli

10

100

1000

10000

-3 -2 -1 0 1 2 3 4

Standardna normalna promenljiva z

Pro

tok

(m

3/s

)

osmotreni niz

LN raspodela

0.005 0.01 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 0.99 0.99

Funkcija raspodele F (x )

0.999

log x = y = σy· z + μy

Standardizovana Gumbelova promenljiva y

Slu

čaj

na p

rom

enlj

iva

x

Funkcija raspodele ( )F x

Verovatnoća prevazilaženja { > } = 1 ( ) = 1/P X x F x T-

Povratni period (godina)T

0

200

400

600

800

1000

1200

-2

0.001

-1

0.01

0.99

0

0.1

0.9

0.3

0.7

0.5

0.5

2

1

0.7

0.3

2

0.9

0.1

10

3 4 5

0.99

0.01

100

0.95

0.05

20

0.98

0.02

50

6 7

0.999

0.001

1000

0.998

0.002

500

0.995

0.005

200Dijagram Gumbelove verovatnode

1. Linearna veza između standardizovane i originalne promenljive: X = u + α YG

2. Jednoznačna veza između standardizovane promenljive i funkcije raspodele: YG = –ln(–ln F))

Page 23: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

23

Dijagrami verovatnode

Ocena podobnosti raspodele

na dijagramu normalne verovatnoće:

z

x

Cs > 0

Cs = 0

Cs < 0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Q (

m3/s

)

Primer Sava – Sremska Mitrovica

originalni niz X

logaritmovani niz Y = log X

broj podataka 51 51

srednja vrednost 4187 3.6147

standardna devijacija 781.3 0.07936

koeficijent varijacije 0.187 0.022

koeficijent asimetrije 0.623 0.196

Page 24: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

24

Primer

Proračun parametara raspodela

Normalna raspodela:

Log-normalna raspodela:

Gumbelova raspodela:

X Y = log X

broj podataka 51 51

srednja vrednost 4187 3.6147

standardna devijacija 781.3 0.07936

koeficijent asimetrije 0.623 0.196 /sm3.781

/sm4187

3

3

xS

x

07936.0

6147.3

yY

Y

S

y

/sm4.6093.78178.078.0

/sm38353.78145.0418745.0

3

3

x

x

S

Sxu

Primer

Proračun parametara raspodela

Pirson III raspodela:

Log-Pirson III raspodela:

X Y = log X

broj podataka 51 51

srednja vrednost 4187 3.6147

standardna devijacija 781.3 0.07936

koeficijent asimetrije 0.623 0.196

/sm1678623.0

3.78124187

2

3.2432

623.03.781

2

31.10623.0

44

3

22

g

b

sx

x

sxx

sx

c

Sx

cS

c

804.2196.0

07936.026147.3

2

007771.02

196.007936.0

2

31.104196.0

4422

g

b

sy

y

syy

sy

c

Sy

cS

c

Page 25: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

25

Primer

Proračun teorijskih raspodela

protok za F(x) = 0.95

Normalna raspodela:

Log-normalna raspodela:

/sm54723.781645.14187

645.1)95.0(95.0)(

3

XL TAB,

x

X

Szxx

zxF

/sm556210

74524.307936.0645.16147.3

645.1)95.0(95.0)(

3

XL TAB,

y

y

X

x

Szyy

zxF

Primer

Proračun teorijskih raspodela

protok za F(x) = 0.95

Gumbelova raspodela:

Pirson III raspodela:

/sm56454.609970.23835

970.2)95.0lnln()95.0(95.0)(

3

yux

yxFX

/sm55953.781802.14187

802.1)623.0,95.0(

819.1)7.0,95.0(,797.1)6.0,95.0(95.0)(

3

TAB

xP

sxP

sxPsxPX

Skxx

cFk

cFkcFkxF

/sm55953.243098.161678

098.1695.0)(

3

XL

bg

b

g

ux

ux

xFX 1)10.311,.95,GAMMAINV(0

Page 26: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

26

Primer

Proračun teorijskih raspodela

protok za F(x) = 0.95

Log-Pirson III raspodela:

/sm561710

74953.307936.0699.16147.3

699.1)196.0,95.0(

700.1)2.0,95.0(,673.1)1.0,95.0(95.0)(

3

TAB

y

yP

syP

syPsyPX

x

Skyy

cFk

cFkcFkxF

/sm561700777.066.1218041.2

66.12195.0)(

3

XL

bg

b

g

uy

uy

xFX 1)104.31,.95,GAMMAINV(0

Primer

Sava – Sremska Mitrovica

Rezultati proračuna kvantila od 95%

Raspodela Protok sa F(x) = 0.95

(m3/s)

Normalna 5472

Log-normalna 5562

Gumbelova 5645

Pirson III 5595

Log-Pirson 3 5617

Page 27: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

27

Primer

Sava – Sremska Mitrovica

Saglasnost empirijske i teorijske raspodele – test Kolmogorova-Smirnova

Dmax

N LN G P3 LP3

0.088 0.072 0.072 0.065 0.067

Dkr

N α = 10% α = 5% α = 2% α = 1%

51 0.171 0.190 0.213 0.228

Primer

Sava – Sremska Mitrovica

izbor najbolje raspodele: kontrola osobina raspodela

originalni niz X

logaritmovani niz Y = log X

broj podataka 51 51

srednja vrednost 4187 3.6147

standardna devijacija 781.3 0.07936

koeficijent varijacije 0.187 0.022

koeficijent asimetrije 0.623 0.196

P3 LP3, možda LN

Page 28: Statistička analiza hidroloških ekstrema - hikom.grf.bg ...hikom.grf.bg.ac.rs/stari-sajt/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/... · 22.10.2015 1 Statistička analiza hidroloških ekstrema

22.10.2015

28

Primer

Sava – Sremska Mitrovica

izbor najbolje raspodele: saglasnost empirijske i teorijske raspodele

Dmax

N LN G P3 LP3

0.088 0.072 0.072 0.065 0.067

najbolje slaganje

Primer

Sava – Sremska Mitrovica

izbor najbolje raspodele: vizuelna provera na papiru verovatnoće

0.9990.990.950.90.80.50.20.001 0.01 0.05 0.1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

F(x)

x =

Q (

m3

/s)

N LN

G P3

LP3 emp