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Spezielle stetige Verteilungen

Rayleigh-Verteilung (Betragsverteilung 2. Art)

Mithilfe der Rayleigh-Verteilung wird die Verteilung des Betrages zweier unabhängiger normalverteilter Zufallsgrößen mit der Standardabweichung σ = b beschrieben. Zum Beispiel folgt der Wert des Radius eines Kreises, dessen x- und y-Koordinaten normalverteilt sind, einer Rayleigh-Verteilung. Ein anderer Anwendungsfall ist die Beschreibung der 10-Minuten-Mittelwerte von Windgeschwindigkeiten. Da die Rayleigh-Verteilung die Verteilung von Beträgen beschreibt, wird sie auch als Betragsverteilung 2. Art bezeichnet. Sie wird zur Bewertung der Prozesssicherheit im Rahmen der statistischen Prozesskontrolle in Kapitel 15 eingesetzt.

Die Wahrscheinlichkeitsdichte f(x) der Rayleigh-Verteilung ist definiert als

(4.201)

Daraus ergibt sich die Verteilungsfunktion F(x) zu

(4.202)

Bild 4.32 zeigt die Wahrscheinlichkeitsdichte f(x) und die Verteilungsfunktion F(x) der Rayleigh-Verteilung für verschiedene Werte des Parameters b.

Bild 4.32: Wahrscheinlichkeitsdichte f(x) und Verteilungsfunktion F(x) der Rayleigh-Verteilung

Die Rayleigh-Verteilung besitzt einen Mittelwert von

(4.203)

Die Varianz der Rayleigh-Verteilung ergibt sich zu

(4.204)

Damit weist bei der Rayleigh-Verteilung das Verhältnis des Mittelwertes μ zur Standardabweichung σ immer den festen Wert

(4.205)

auf.

Beispiel: Abstand einer Bohrung zu ihrer Sollposition

Als Beispiel für die Anwendung der Rayleigh-Verteilung wird die Lage einer Bohrung betrachtet, die mittels einer Fertigungseinrichtung in eine Metallplatte gebohrt wird. Die Lage der Bohrungen unterliegt den Fertigungstoleranzen der Bohreinrichtung. Durch den Maschinenhersteller ist bekannt, dass die Abweichung der x- und y-Koordinaten vom Sollwert jeweils durch eine Normalverteilung mit einem Mittelwert μx = µy = 0 μm und einer Standardabweichung von σx = σy = 0.25 mm beschrieben werden kann.

Aus dem Satz von Pythagoras folgt, dass der Abstand Δz der Bohrung vom definierten Sollwert beschrieben werden kann durch

(4.206)

Die Verteilung der Größe Δz ist eine Rayleigh-Verteilung mit dem Parameter b = 0.25. Diese ist in Bild 4.33 zu sehen.

Bild 4.33: Verteilung des Abstandes Δz einer Bohrung zu ihrer Sollposition