NexTutor
Wirtualne laboratorium/Matematyka/Prawdopodobieństwo/Prawo Benforda — pierwsza cyfra
Wielkie odkrycie 1938 — Benford

Prawo Benforda — pierwsza cyfra

Rozszerzenie tematu statystyki i logarytmów. W wielu naturalnych zbiorach danych pierwszą cyfrą jest 1 aż w ~30% przypadków, a 9 tylko w ~5% — rozkład jest logarytmiczny: P(d)=log₁₀(1+1/d). Odstępstwo zdradza sfałszowane dane, dlatego prawo Benforda używane jest w audytach. Spopularyzował je Frank Benford w 1938 r. (wcześniej Newcomb, 1881).

Matematyka · Prawdopodobieństwo · Prawo Benforda — pierwsza cyfra (1938)
Zbiór danych — rozkład pierwszej cyfry:Populacje miast
W naturalnych danych (populacje, rachunki, długości rzek) pierwszą cyfrą liczby częściej jest:
pierwsza cyfra 1
30,0%
pierwsza cyfra 9
4,2%
stosunek 1 : 9
7.1×
zgodność z Benfordem
tak

Co się właśnie stało?

W wielu naturalnych zbiorach danych — populacjach miast, kwotach rachunków, długościach rzek, stałych fizycznych — pierwsza cyfra NIE jest rozłożona równomiernie (nie po ~11% każda). Zamiast tego cyfra 1 pojawia się na początku aż w ~30% przypadków, a cyfra 9 tylko w ~5%. Rozkład jest logarytmiczny — to prawo Benforda.

Wzór Benforda:

P(d)=log10(1+1d)P(d)=\log_{10}\left(1+\dfrac{1}{d}\right)

gdzie d{1,2,,9}d\in\{1,2,\dots,9\} to pierwsza cyfra. Stąd P(1)=log10230,1%P(1)=\log_{10}2\approx 30{,}1\%, P(2)17,6%P(2)\approx 17{,}6\%, …, P(9)=log101094,6%P(9)=\log_{10}\tfrac{10}{9}\approx 4{,}6\%. Prawdopodobieństwa maleją „schodkowo" od 1 do 9 i sumują się do 100%100\%.

Skąd się to bierze?

Intuicyjnie: aby liczba wzrosła ze 100100 do 200200 (pierwsza cyfra 1), musi się podwoić, ale by wzrosła z 900900 do 10001000 (znów pierwsza cyfra 1), wystarczy przyrost o ~11%. Dane rosnące wykładniczo (obejmujące wiele rzędów wielkości) „spędzają więcej czasu" z małą pierwszą cyfrą. Dlatego prawo spełniają nawet czysto matematyczne ciągi jak potęgi dwójki 2n2^n czy liczby Fibonacciego — możesz to sprawdzić w kontrolce powyżej.

Historia

Zjawisko zauważył astronom Simon Newcomb w 1881 r. — spostrzegł, że pierwsze strony drukowanych tablic logarytmicznych (te z cyfrą 1) są bardziej zużyte niż końcowe. Prawo spopularyzował fizyk Frank Benford w 1938 r., analizując ponad 20 000 liczb z bardzo różnych źródeł (od powierzchni rzek po masy atomowe).

Wykrywanie oszustw (niezmiennik w praktyce)

Najważniejsze zastosowanie: sztucznie sfałszowane dane — fikcyjne rachunki w księgowości, zmanipulowane wyniki wyborów — zwykle nie spełniają prawa Benforda, bo oszust wymyśla „równomiernie losowe" cyfry. Odstępstwo empirycznego rozkładu od krzywej log10(1+1d)\log_{10}(1+\tfrac{1}{d}) zdradza manipulację. Dlatego prawo Benforda to realne narzędzie audytorów i śledczych do wykrywania fałszerstw finansowych i wyborczych (wybierz „Sfałszowane" powyżej, by zobaczyć płaski, podejrzany rozkład).

Po co Ci to na maturze:

To piękne połączenie logarytmów i rachunku prawdopodobieństwa z realnym zastosowaniem. Pokazuje, że rozkład bywa nierównomierny wbrew intuicji, i uczy krytycznego patrzenia na dane. Zapamiętaj wzór P(d)=log10(1+1d)P(d)=\log_{10}(1+\tfrac{1}{d}) oraz to, że logarytm dziesiętny odpowiada tu za „ważenie" rzędów wielkości.

Zapamiętaj: w naturalnych danych rozciągniętych na wiele rzędów wielkości pierwsza cyfra ma rozkład logarytmiczny P(d)=log10(1+1d)P(d)=\log_{10}(1+\tfrac{1}{d}) — cyfra 1 dominuje (~30%), cyfra 9 jest najrzadsza (~5%). Zbyt „równy" rozkład zdradza sfałszowane liczby.

Model poglądowy · Rozkłady reprezentatywne / deterministyczne · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Która cyfra najczęściej jest pierwsza w naturalnych danych?

Cyfra 1 — pojawia się na pierwszym miejscu aż w ~30% przypadków, a 9 tylko w ~5%.

Jak brzmi wzór prawa Benforda?

P(pierwsza cyfra = d) = log₁₀(1 + 1/d) — rozkład logarytmiczny.

Do czego służy prawo Benforda?

Do wykrywania oszustw — sfałszowane dane (rachunki, wyniki wyborów) zwykle nie spełniają tego rozkładu.