基本介紹
- 中文名：高斯誤差
- 發現時間：1809年
- 出處：《繞日天體運動的理論》
- 所屬領域：數學和天體力學
簡介,常態分配,
簡介
1809年，高斯（CarlFriedrichGauss，1777—1855）發表了其數學和天體力學的名著《繞日天體運動的理論》。在此書末尾，他寫了一節有關“數據結合”（datacombination）的問題，實際涉及的就是這個誤差分布的確定問題。
常態分配
設真值為，n個獨立測量值為。高斯把後者的機率取為（9）
其中為待定的誤差密度函式。到此為止他的作法與拉普拉斯相同。但在往下進行時，他提出了兩個創新的想法。
一是他不採取貝葉斯的推理方式，而徑直把使（9）式達到最大的，作為的估計，即使
（10）
成立的。現在我們把稱為樣本的似然函式，而把滿足（10）式的稱為的極大似然估計。這個稱呼是追隨費歇爾，因為他在1912年發表的一篇文章中，明確提到以上概念並非針對一般參數的情形。
如果拉普拉斯採用了高斯這個想法，那他會得出（在已定誤差密度（3）的基礎上）的估計是的中位數med（），即按大小排列居於正中的那一個（n為奇數時），或居於正中那兩個的算術平均（n為偶數時）。這個解不僅計算容易，且在實際意義上，有時比算術平均更合理。不過，即使這樣，拉普拉斯的誤差分布（3）大概也不可能取得高斯正態誤差那樣的地位。原因是是線性函式，在正態總體下有完善的小樣本理論，而med（）要用於推斷就難於處理。另外，這裡所談的是一個特定的問題——隨機測量誤差該有如何的分布。測量誤差是由諸多因素形成，每種因素影響都不大。按中心極限定理，其分布近似於正態是勢所必然。其實，早在1780年左右，拉普拉斯就推廣了狄莫弗的結果，得到了中心極限定理的比較一般的形式。可惜的是，他未能把這一成果用到確定誤差分布的問題上來。
高斯的第二點創新的想法是：他把問題倒過來，先承認算術平均是應取的估計，然後去找誤差密度函式以迎合這一點，即找這樣的，使有（10）式決定的就是。高斯證明（注2）：這隻有在
（11）
才能成立，這裡h>0是常數，這就是常態分配。
使用這個誤差分布，就容易對最小二乘法給出一種解釋。回到第四章的方程（3），其中，是觀測數據。記
按理論它們應為0，但因有測量誤差存在，實際不必為0，故可視為誤差。按高斯的第一個原則（極大似然），結合誤差密度（11），（）的機率為
要此式達到最大，必須取之值，使表達式達到最小，於是得到的最小二乘估計。要注意的是，這一點與待定常數之值無關。
高斯這項工作對後世的影響極大，它使常態分配同時有了“高斯分布”的名稱，且如第七章曾指出的，後世之所以多將最小二乘法的發明權歸之於他，也是出於這一工作。高斯是一個偉大的數學家，重要的貢獻不勝枚舉。但現今德國10馬克的印有高斯頭像的鈔票，其上還印有常態分配的密度曲線。這傳達了一種想法：在高斯的一切科學貢獻中，其對人類文明影響最大者，就是這一項。
在高斯剛作出這個發現之初，也許人們還只能從其理論的簡化上來評價其優越性，其全部影響還不能充分看出來。這要到20世紀正態小樣本理論充分發展起來以後。
拉普拉斯很快得知高斯的工作，並馬上將其與他發現的中心極限定理聯繫起來。為此，他在即將發表的一篇文章（發表於1810年）上加了一點補充，指出如若誤差可看成許多量的疊加，則根據他的中心極限定理，則誤差理應有高斯分布。這是歷史上第一次提到所謂“誤差學說”誤差是由大量的、由種種原因產生的元誤差疊加而成。後來到1837年，海根（G．Hagen）在一篇論文中正式提出了這個學說。其實，他提出的形式有相當大的局限性：海根把誤差構想成個數很多的、獨立同分布的“元誤差”之和，每個只取兩值，其機率都是，由此出發，按狄莫弗的中心極限定理，立即就得出誤差（近似地）服從常態分配。
拉普拉斯所指出的這一點有重大的意義，在於它給誤差的正態理論一個更自然合理，更令人信服的解釋。因為，高斯的說法有一點循環論證的氣味：由於算術平均是優良的，推出誤差必須服從常態分配；反過來，由後一結論又推出算術平均及最小二乘估計的優良性，故必須認定這二者之一（算術平均的優良性，誤差的正態性）為出發點，終覺有其不足之處。拉普拉斯的理論把這斷裂的一環連線起來，使之成為一個和諧的整體，實有著極重大的意義。
2.
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