Pareto-Verteilung

Die Pareto-Verteilung, benannt nach dem italienischen Ökonom Vilfredo Pareto, ist eine stetige Wahrscheinlichkeitsverteilung auf einem rechtsseitig unendlichen Intervall . Sie ist skaleninvariant und genügt einem Potenzgesetz. Für kleine Exponenten gehört sie zu den endlastigen Verteilungen.

Die Verteilung wurde zunächst zur Beschreibung der Einkommensverteilung Italiens verwendet. Pareto-Verteilungen finden sich charakteristischerweise dann, wenn sich zufällige, positive Werte über mehrere Größenordnungen erstrecken und durch das Einwirken vieler unabhängiger Faktoren zustande kommen. Verteilungen mit ähnlichen Eigenschaften sind die Zipfverteilung und das Benfordsche Gesetz.

Begriffsgeschichte 
Im zweiten Band des Cours d’économie politique von Vilfredo Pareto (1897) legt dieser dar, dass die Anzahl der Personen, welche innerhalb eines Staates ein höheres Einkommen als ein Schwellenwert  besitzen, näherungsweise proportional zu  ist, wobei der Parameter  länderübergreifend etwa 1,5 beträgt. Diese Vorgabe definiert bis auf eine Skalierung die nach Pareto benannte Wahrscheinlichkeitsverteilung (über die kumulierte Verteilungsfunktion). Auch zahlreiche andere empirische Verteilungen lassen sich gut als Pareto-Verteilung beschreiben, zum Beispiel Stadtgrößen oder Schadenshöhen in der Versicherungsmathematik.

Definition 

Eine stetige Zufallsvariable  heißt Pareto-verteilt  mit den Parametern  und , wenn sie die Wahrscheinlichkeitsdichte
 
besitzt.

Dabei ist  ein Parameter, der den Mindestwert der Verteilung beschreibt. Dieser ist auch gleichzeitig der Modus der Verteilung, also die Maximalstelle der Wahrscheinlichkeitsdichte. Mit steigendem Abstand zwischen  und  sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass  den Wert  annimmt. Der Abstand zwischen den beiden Werten wird als Quotient, das heißt als Verhältnis zwischen beiden Größen, bestimmt.

 ist ein Parameter, der das Größenverhältnis der Zufallswerte in Abhängigkeit von ihrer Häufigkeit beschreibt. Mit  wird der Quotient potenziert. Bei einem größeren  verläuft die Kurve deutlich steiler, das heißt, die Zufallsvariable  nimmt große Werte mit geringerer Wahrscheinlichkeit an.

Die Wahrscheinlichkeit, mit der die Zufallsvariable  einen Wert kleiner oder gleich  annimmt, errechnet sich damit mit der Verteilungsfunktion  für alle :
 .

Damit errechnet sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariable  Werte größer als  annimmt, durch:
 .
Die Verteilung gehört somit zu den endlastigen Verteilungen.

Eigenschaften

Erwartungswert 
Der Erwartungswert ergibt sich zu

Quantile

Median 
Der Median ergibt sich zu

Überprüfung des Paretoprinzips 
Analog erhält man für das beim Paretoprinzip gefragte 4. Quintil
 .
Der Erwartungswert , eingeschränkt auf Werte größer als das 4. Quintil, genügt für  der Gleichung
 .

Für , den von Pareto als typisch angesehenen Wert, ergibt sich ein Erwartungswert, der , d. h. ca. 58 %, des gesamten Erwartungswertes ausmacht. Würde das Einkommen einer Bevölkerung also einer Pareto-Verteilung mit dem Parameter 1,5 entsprechen, so würden die 20 % mit den höchsten Einkommen nur 58 % des gesamten Einkommens verdienen – nicht 80 %, wie es das Paretoprinzip suggeriert.
Dagegen gilt für  die 80-%-20-%-Regel.

Varianz 
Die Varianz ergibt sich zu

Standardabweichung 
Aus der Varianz ergibt sich für  die Standardabweichung

Variationskoeffizient 
Aus Erwartungswert und Standardabweichung erhält man für  sofort den Variationskoeffizienten

Schiefe 
Für die Schiefe erhält man für 
 
Für  ist die Pareto-Verteilung rechtsschief entsprechend der Definition über das zentrale Moment 3. Ordnung. Für  divergiert das 3. Moment, auch wenn die Verteilung wie eine typische rechtsschiefe Verteilung aussieht. Für  ist der Median stets kleiner als der Erwartungswert, im Sinne der Pearsonschen Definition ist die Verteilung rechtsschief; für  sind die Quantilskoeffizienten positiv, d. h. auch im Sinne der Definition über die Quantile ist die Verteilung rechtsschief.

Momente 
Allgemein erhält man für das -te Moment

Charakteristische Funktion 
Die charakteristische Funktion ergibt sich zu:

 

Dabei ist  die unvollständige Gammafunktion.

Momenterzeugende Funktion 
Die momenterzeugende Funktion ist für die Pareto-Verteilung nicht in geschlossener Form angebbar.

Entropie 
Die Entropie ergibt sich zu: .

Zipfsches Gesetz 
Das Zipfsche Gesetz ist mathematisch mit der Pareto-Verteilung identisch (- und -Achse sind vertauscht). Während die Pareto-Verteilung die Wahrscheinlichkeit bestimmter Zufallswerte betrachtet, fokussiert das Zipfsche Gesetz die Wahrscheinlichkeit, mit der Zufallswerte eine bestimmte Position in der Rangfolge der Häufigkeit einnehmen.

Beziehung zu anderen Verteilungen

Beziehung zur Exponentialverteilung 
Wenn  eine Pareto-verteilte Zufallsvariable  mit den Parametern  und  ist, dann ist  exponentialverteilt  mit dem Parameter .

Beziehung zur verschobenen Pareto-Verteilung 

Wenn  eine Pareto-verteilte Zufallsvariable ist, dann genügt  einer verschobenen Pareto-Verteilung.

Ungleichverteilungsmaße und das Pareto-Prinzip 

Da die (Wahrscheinlichkeitsdichte der) Pareto-Verteilung ein einzelnes Maximum beim kleinsten Wert  hat, weisen Pareto-verteilte Größen das aus dem Pareto-Prinzip (auch 80-zu-20-Regel) bekannte Phänomen der Ungleichverteilung auf: Kleinere Werte sind recht häufig, große Werte hingegen sehr selten. Wie stark dieser Effekt ausgeprägt ist, hängt vom Parameter  ab.

Im Städte-Beispiel (siehe Abbildung in der Einleitung) tragen wenige Großstädte überproportional zur Gesamtbevölkerung bei, während eine sehr große Zahl kleiner Städte nur wenige Einwohner stellt.

Zur Quantifizierung dieses Phänomens existieren verschiedene Ungleichverteilungsmaße. Für die Berechnung von Ungleichverteilungsmaßen beschreiben Verteilungen der Form „ zu “  zwei Quantile, wobei die Breite des ersten Quantils der Höhe des zweiten Quantils und die Höhe des ersten Quantils der Breite des zweiten Quantils gleicht. Ein Beispiel für diese Art, Verteilungen darzustellen, ist das oft zitierte „80-20-Prinzip“. Es gilt beispielsweise, wenn 80 % einer Gruppe über 20 % der Ressourcen der Gruppe verfügen, und 20 % dieser Gruppe 80 % der Ressourcen nutzen können.

In der Lorenz-Kurve stellt sich dieser Sachverhalt in der Gestalt eines „stehenden“ und eines „liegenden“ Quantils dar.  und  müssen dabei jeweils im Bereich von 0 bis 1 liegen und es gilt: . Der Gini-Koeffizient und die Hoover-Ungleichverteilung sind in diesem Fall gleich:
 
Für eine 80:20-Verteilung ergibt sich somit ein Gini-Koeffizient bzw. ein Hoover-Koeffizient von 0,6 bzw. 60 %.
 
Für diese Zwei-Quantile-Verteilungen ist dann auch der Theil-Index (ein Entropie-Maß) einfach zu berechnen:
 

Das Paretoprinzip kann als Merkhilfe für den Wertebereich des Theil-Index dienen. Der Index hat bei einer Gleichverteilung von 0,5:0,5 (50 % zu 50 %) einen Wert von 0 und nimmt bei etwa 0,82:0,18 (82 % zu 18 %) den Wert 1 an. Das liegt ganz in der Nähe der Verteilung von 80 % zu 20 %. Oberhalb der Verteilung von 82 % zu 18 % ist der Theil-Index größer als 1.

Erkennen von Pareto-Verteilungen 

Ob eine Verteilung eine Pareto-Verteilung ist, kann man grafisch anhand doppelt-logarithmischer Darstellungen der Verteilungen abschätzen.

Die Wahrscheinlichkeitsdichte der Pareto-Verteilung kann man als Potenzgesetz  schreiben:
 

Auch  kann man in die Form  bringen:
 

Der (einfach) logarithmierte Graph  solcher Potenzgesetze ist
 

Nach Logarithmieren der -Achse mit  (d. h., der tatsächliche -Wert beträgt , häufig wird die Achse jedoch direkt mit den -Werten beschriftet) erhält man
 
was eine Gerade mit Anstieg  ist.

Im nebenstehenden Diagramm ist  für das Städtebeispiel doppelt-logarithmisch dargestellt. Man erkennt gut, dass der Graph über weite Teile tatsächlich gerade verläuft, mit einem Anstieg , woraus sich der Parameter  ergibt.

Folglich lautet der Exponent der Dichtefunktion , in guter Übereinstimmung mit der Literatur.

Für die Darstellung wurde  verwendet, weil es ein kumulatives Maß ist, das durch Aufsummierung (in der Theorie: Integrieren) vieler Einzelwerte entsteht, wodurch die Streuung einzelner Werte weniger stark ins Gewicht fällt. Bei Verwendung des Histogramms hingegen ist eine Summierung vieler Werte nur mit einer verringerten Anzahl der Intervalle zu realisieren, wodurch die Verteilung unrealistisch grob würde.

Literatur 
 Rainer Schlittgen: Einführung in die Statistik. Analyse und Modellierung von Daten. 10., durchgesehene Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München u. a. 2003, ISBN 3-486-27446-5, S. 231, ().
 Karl Mosler, Friedrich Schmid: Wahrscheinlichkeitsrechnung und schließende Statistik. 2., verbesserte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2006, ISBN 3-540-27787-0, S. 99, ().
 Vilfredo Pareto: Cours d’Économie Politique. 2 Bände. Rouge, Lausanne 1896–1897. Band 1 in Originalsprache. Band 2 in Originalsprache.

Weblinks 

 Benford’s law, Zipf’s law, and the Pareto distribution in Terence Taos Blog.

Einzelnachweise 

Absolutstetige Wahrscheinlichkeitsverteilung
Univariate Wahrscheinlichkeitsverteilung