Olasılık yoğunluk fonksiyonu

Olasılık kuramı ve istatistik bilim dallarında bir rassal değişken X için olasılık yoğunluk fonksiyonu bir reel sayılı sürekli fonksiyonu olup f ile ifade edilir ve şu özellikleri olması gereklidir:
  üzerinde pozitif veya sıfır değerleri alır;
  üzerinde integral değeri bulunabilir;
  koşuluna uyar, yani eğri altındaki tüm alan bire eşittir.

Xin a ve b değerleri arasındaki olasılık, yani  şu ifade kullanılarak hesaplanır:

Yani olasılık değeri f(x) integralini  f(x) fonksiyonunu X=a ve X=b değerleri arasında entegrasyonu ile elde edilir.

Örneğin: 
X rassal değişkeninin [4.3,7.8] aralığında olasılık şöyle bulunur:

Ayrık dağılım ile sürekli dağılım arasındaki bağlantı 

Bu maddenin başlangıcında verilmiş olasılık yoğunluk fonksiyonu tanımın bir sürekli dağılım ile ilişkili değişkenin [a; b] aralığı ile ilişkili çift-değerli ayrık değişkenler seti kullanılarak yapılmıştır.

Diğer bazı aralıklı rassal değişkenleri temsili, Dirac delta fonksiyonu aracılığı ile olasılığın yoğunluğun bulunması suretiyle de yapılabilir. Örneğin, bir çift-değerli her biri ½ olasılığı olan -1 ve 1 değerli bir rassal değişken ele alınsın. Bu değişkenle ilişkili olasılık yoğunluğu şöyle verilir: 

Daha genel olarak, eğer bir ayrık değişken reel sayılar arasından 'n' tane değişik değer alınsın; o halde bunlarla ilişkili olasılık yoğunluk fonksiyonu şudur:

Burada  değişken ait değerler olur ve  bu değerlerle ilişkili olasılıklardır.

Bu ifade bir ayrık değişken için istatistiksel özellikleri (örneğin ortalama, varyans, çarpıklık, basıklık) sürekli dağılım için geliştirilmiş formülleri kullanarak hesaba başlayarak sonuçların bulunmasını sağlar.

Matematiksel olmayan olasılık yoğunluk tanımı 

Bir olasılık dağılımı için yoğunluk fonksiyonu ancak ve ancak yığmalı dağılım fonksiyonu F(x) mutlak süreklilik gösteriyorsa mümkündür. Bu halde F için nerede ise her yerde türev bulunabilir ve F için alınan birinci türev olasılık ile yoğunluk şöyle bulunur:

Eğer bir olasılık dağılım için yoğunluk bulunması mümkün ise rassal değişken için her bir nokta değer (a) için olasılık 0 olacaktır.

Her olasılık dağılımı için bir yoğunluk fonksiyonu bulunamaz. Başta ayrık rassal değişkenler için olasılık yoğunluk fonksiyonu yoktur. Hiçbir noktaya pozitif olasılık vermeyen, yani hiç aralık parçası olmayan Kantor dağılımı için de yoğunluk fonksiyonu bulunmaz.

Bir yığmalı dağılım fonksiyonunun türevi ile olasılık yoğunluk fonksiyonu arasındaki ilişkinin karmaşık matematik biçimlerden biraz aranmış açıklaması istatistiksel fizik dalında geliştirilmiştir ve bu genellikle olasılık yoğunluk fonksiyonu tanımı olarak kullanılabilir. Bu tanım şöyle yapılır:

dt sonsuz derece küçük bir sayı olarak alınsın. in (t, t + dt) aralığında bulunacağı  ifadesine eşittir; yani

Moment, beklenen değer ve varyans 

Sürekli X rassal değişkeni için ninci momenti E(Xn) gösterilip şu ifade ile verilir:

Beklenen değer o zaman birinci moment olup şöyle verilir:

Varyans ise şöyle verilir:

Bu ifade açılırsa

olur.

Çoklu değişkenlerle ilişkili olasılık fonksiyonu 

Sürekli rassal değişkenler olan  için, bu değişkenlerinin tümünü kapsayan rassal vektör için bir olasılık yoğunluk fonksiyonu tanımlamak mümkündür. Buna ortak olasılık yoğunluk fonksiyonu adı verilir. n değişkenli bu yoğunluk fonksiyonu matematik notasyon biçimleriyle şöyle tanımlanır.  değişkenlerin değerleriyle tanımlanan n-boyutlu uzayda bulunan herhangi bir D sahası alınsın; bu değişken setinin D sahası içine düşen bir realizasyonun bulunacağının olasılığı şöyle verilir:

i=1, 2, …,n için tek bir değişken  ile ilişkili olasılık yoğunluk fonksiyonu 
 olarak ifade edilsin. Bu olasılık yoğunluğu  
rassal değişkenlerle ilişkili olasılık yoğunluklarından n - 1 tane diğer değişkenlerle entegrasyonu suretiyle elde edilir:

Bağımsızlık 

Sürekli rassal değişken olan  birbirlerinden bağımsız olmaları için

koşuluna tam olarak uymaları gerekir.

Eğer n elemanlı bir rassal değişken vektörünün ortak olasılık dağılımı tek bir değişken için n değişik fonksiyona faktörize edilebilirse; yani

ise, o halde, n değişkenin hepsi birbirlerinden bağımsızlık gösteriyor demektir. Bu halde her bir fonksiyon için marjinal olasılık yoğunluk fonksiyonu şöyle verilir:

Örneğin 

Çoklu boyutlu olasılık yoğunluk fonksiyonlarının verilen tanımını biraz daha açığa kavuşturmak için basit bir örneğin alınsın; bu iki bilinmeyenli bir rassal vektör olsun. Koordinatları  olan iki boyutlu rassal vektör,  olarak isimlendirilsin. Pozitif x ve pozitif y kuadrantları içinde  için olasılık elde etmek şöyle

olur.

Kaynakça 
 
fr: İlk defa olasılık kuramı ile değişkenler hesabını bileştiren temel eser.
 
de:Olasılık kuramının ilk defa modern ölçü-teorisi temeline konulması. İngilizce tercümesi Foundations of the Theory of Probability olarak 1950de yayınlanmıştır.

Ayrıca bakınız 

 Olasılık dağılımı
 Olasılık kütle fonksiyonu
 Rassal değişken

Yoğunluk fonksiyonu