Кіріспе
Көптеген нақты деректер жиынтықтарында жетекші санның кішкентай болуы мүмкін деген байқау. Бенфорд заңы, сондай-ақ Ньюкомб-Бенфорд заңы, аномальды сандар заңы немесе бірінші сан заңы деп те аталады, бұл сандық деректердің көптеген жиынтықтарында жетекші санның кішкентай болуы мүмкін деген байқау. Заңға сәйкес жиынтықтарда 1 саны жетекші маңызды сан ретінде шамамен 30% жағдайда кездеседі, ал 9 саны – 5% азырақ кездеседі. Сандардың тегіс таралуында әрбір сан шамамен 11,1% жиілікпен кездесер еді. Бенфорд заңы екінші, үшінші цифрлардың, цифрлардың комбинацияларының және т.б. таралуы туралы да болжамдар жасайды. Оң жақтағы графикте 10-дық жүйе үшін Бенфорд заңы көрсетілген, бұл кез келген (толық) сан негізінде сандарды көрсетуге қатысты жалпыланған заңның шексіз көптеген жағдайларының бірі болып табылады, бұл құбылыстың 10-дық жүйенің артефакті болуы мүмкін деген мүмкіндікті жоққа шығарады. 1995 жылы жарияланған қосымша жалпыламалар n-ші жетекші сан үшін де, алғашқы n санның бірлескен таралуы үшін де ұқсас тұжырымдарды қамтиды, соңғысы маңызды сандардың статистикалық тәуелді шама екенін көрсетеді. Бұл нәтиже электр энергиясы есептері, көше мекенжайлары, акция бағалары, үй бағалары, халық саны, өлім-жітім көрсеткіштері, өзендердің ұзындығы, физикалық және математикалық тұрақтылар сияқты әртүрлі деректер жиынтықтарына қолданылатыны көрсетілді. Табиғи деректер туралы басқа да жалпы қағидалар сияқты, мысалы, көптеген деректер жиынтықтары қалыпты таралыммен жақсы жуықталады, Бенфорд заңының қолданылатын көптеген жағдайларын көрсететін мысалдар мен түсіндірмелер бар, бірақ Бенфорд заңының қолданылатын көптеген басқа жағдайлары да қарапайым түсіндіруге қарсы тұрады. Бенфорд заңы мәндер бірнеше шамалық дәрежеде тараған кезде, әсіресе сандарды құру процесі қуат заңымен сипатталғанда (бұл табиғатта жиі кездеседі) ең дәл болады. Бұл заң физик Франк Бенфордтың құрметіне аталған, ол оны 1938 жылы «Аномальды сандар заңы» атты мақаласында айтқан, бірақ бұл заңды бұрын 1881 жылы Саймон Ньюкомб айтқан. Нүктелі сызық P(d) тегіс таралуды көрсетеді. (SVG суретінде әрбір нүкте үшін мәнді көрсету үшін графикке келгенде курсорды жылжытыңыз.) Бенфорд заңының кеңейтілген нұсқасы ондықтан басқа негіздердегі бірінші цифрлардың таралуын болжайды, шын мәнінде, kез келген b ≥ 2 негізі үшін. Жалпы түрі: 1=b = 2, 1 (екілік және бірлік) сандық жүйелері үшін Бенфорд заңы дұрыс, бірақ тривиальды: Барлық екілік және бірлік сандар (0 немесе бос жиынтығынан басқа) 1 цифрынан басталады. (Дегенмен, Бенфорд заңының екінші және кейінгі цифрларға жалпыламасы, тіпті екілік сандар үшін де, тривиальды емес.)
Benford's law, also known as the Newcomb–Benford law, the law of anomalous numbers, or the first digit law, is an observation that in many real life sets of numerical data, the leading digit is likely to be small. In sets that obey the law, the number 1 appears as the leading significant digit about 30% of the time, while 9 appears as the leading significant digit less than 5% of the time. Uniformly distributed digits would each occur about 11.1% of the time. Benford's law also makes predictions about the distribution of second digits, third digits, digit combinations, and so on. The graph to the right shows Benford's law for base 10, one of infinitely many cases of a generalized law regarding numbers expressed in arbitrary (integer) bases, which rules out the possibility that the phenomenon might be an artifact of the base 10 number system. Further generalizations published in 1995 included analogous statements for both the nth leading digit and the joint distribution of the leading n digits, the latter of which leads to a corollary wherein the significant digits are shown to be a statistically dependent quantity. It has been shown that this result applies to a wide variety of data sets, including electricity bills, street addresses, stock prices, house prices, population numbers, death rates, lengths of rivers, and physical and mathematical constants. Like other general principles about natural data—for example, the fact that many data sets are well approximated by a normal distribution—there are illustrative examples and explanations that cover many of the cases where Benford's law applies, though there are many other cases where Benford's law applies that resist simple explanations. Benford's Law tends to be most accurate when values are distributed across multiple orders of magnitude, especially if the process generating the numbers is described by a power law (which is common in nature). The law is named after physicist Frank Benford, who stated it in 1938 in an article titled "The Law of Anomalous Numbers", although it had been previously stated by Simon Newcomb in 1881. The dotted line shows P(d) were the distribution uniform. (In the SVG image, hover over a graph to show the value for each point.)]] An extension of Benford's law predicts the distribution of first digits in other bases besides decimal; in fact, any base b ≥ 2. The general form is
For 1=b = 2, 1 (the binary and unary) number systems, Benford's law is true but trivial: All binary and unary numbers (except for 0 or the empty set) start with the digit 1. (On the other hand, the generalization of Benford's law to second and later digits is not trivial, even for binary numbers.)
Түсіндірмелері
Бенфорд заңы бірнеше мәнді қамтитын деректерге ең дәл қолданылады. Жалпы ереже ретінде, деректер қаншалықты көп мәнді біркелкі қамтыса, Бенфорд заңы соғұрлым дәл қолданылады. Мысалы, Бенфорд заңы Ұлыбританиядағы елді мекендердің халқын көрсететін сандар тізіміне қолданылатынын күтуге болады. Бірақ егер "елді мекен" 300 мен 999 аралығындағы халқы бар ауыл деп анықталса, онда Бенфорд заңы қолданылмайды. Төменде көрсетілген ықтималдық таралымдарын логарифмдік шкалаға сүйеніп қарастырайық. Әр жағдайда, қызыл түстің жалпы ауданы бірінші цифрдың 1 болу ықтималдығын, ал көк түстің жалпы ауданы бірінші цифрдың 8 болу ықтималдығын көрсетеді. Бірінші таралымда қызыл және көк түсті аудандардың мөлшері әрбір қызыл және көк түсті жолақтың еніне шамамен пропорционалды. Сондықтан, осы таралымнан алынған сандар шамамен Бенфорд заңына сәйкес келеді. Ал екінші таралымда қызыл және көк түсті аудандардың арақатынасы әрбір қызыл және көк түсті жолақтың ендерінің арақатынасынан мүлдем өзгеше. Керісінше, қызыл және көк түстің салыстырмалы аудандары еніне қарағанда жолақтардың биіктігімен анықталады. Осыған сәйкес, осы таралымдағы бірінші цифрлар Бенфорд заңының талаптарын мүлдем қанағаттандырмайды.
Крейгер-Кафри энтропиясының түсіндірмесі
1970 жылы Вольфганг Кригер қазір Кригер генераторы теоремасы деп аталатын теореманы дәлелдеді. Кригер генераторы теоремасын Кафри шар-қорап моделіндегі, 0, 1, ..., n цифрлары бар белгілі бір базада n цифры, өзара әрекеттеспейтін n шардан тұратын Кафри қорабына тең деп қарауға болады. Басқа ғалымдар мен статистиктер Бенфорд заңына қатысты энтропиялық түсіндірмелер ұсынды.
Көбейтудегі ауытқулар
Бенфорд заңының көптеген нақты мысалдары көбейту флуктуацияларынан туындайды. Мысалы, егер акция бағасы 100 доллардан басталса, және әр күні 0,99 мен 1,01 аралығында кездейсоқ таңдалған коэффициентке көбейтілсе, онда ұзақ уақыт өткен соң оның бағасының ықтималдық үлестірімі Бенфорд заңын күнінен-күнге жоғары дәлдікпен қанағаттандырады. Бұның себебі – акция бағасының логарифмі кездейсоқ қозғалысқа ұшырайды, сондықтан уақыт өте келе оның ықтималдық үлестірімі кеңейе түседі және тегіс болады (жоғарыда қараңыз). Белгілі бір үлестірімдерден (IQ көрсеткіштері, адамдардың бойы) алынған сандар үшін Бенфорд заңы қолданылмайды, себебі бұл өзгергіштер қалыпты үлестірілімге бағынады, ал қалыпты үлестірілімдер Бенфорд заңын қанағаттандырмайды, өйткені олар бірнеше мәнді қамти алмайды және олардың логарифмдерінің мантиссалары біркелкі (немесе шамамен) таратылмайды. Дегенмен, егер осы үлестірімдерден сандарды "араластырса", мысалы, газет мақалаларынан сандарды алса, Бенфорд заңы қайтадан пайда болады. Бұл математикалық тұрғыдан да дәлелдеуге болады: егер біреу қайта-қайта корреляцияланбаған жиынтықтан "кездейсоқ" ықтималдық үлестірімін таңдап, содан кейін осы үлестіріме сәйкес санды кездейсоқ таңдаса, нәтижедегі сандар тізімі Бенфорд заңына бағынады. Бенфорд заңының күнделікті өмірдегі сандарда пайда болуына ұқсас ықтималдық түсіндірме біркелкі үлестірімдердің қоспаларын қарастырғанда оның табиғи түрде пайда болатынын көрсету арқылы ұсынылды.
Өзгермеушілік
Ұзындықтар тізімінде, тізімдегі сандардың бірінші цифрларының таралуы барлық ұзындықтар метр, ярд, фут, дюйм және т.б. бірліктерде берілгеніне қарамастан, әдетте ұқсас болуы мүмкін. Бұл валюта бірліктеріне де қатысты. Бірақ мұндай болмайтын жағдайлар да бар. Мысалы, ересек адамдардың бойы метрмен өлшенгенде көбінесе 1 немесе 2 цифрымен басталады, ал футпен өлшенгенде 4, 5, 6 немесе 7 цифрымен басталады. Алайда, көптеген мәндік диапазондарда біркелкі таратылған ұзындықтар тізімінде – мысалы, ғылыми мақалаларда келтірілген, молекулалардың, бактериялардың, өсімдіктердің және галактикалардың өлшемдерін қамтитын 1000 ұзындық тізімінде – ұзындықтар метрмен немесе футпен жазылғанына қарамастан, бірінші цифрлардың таралуы бірдей болады деп күтуге болады. Егер деректер жинағының бірінші цифрларының таралуы масштабтық инвариантты (деректердің берілген бірліктеріне тәуелсіз) болса, онда ол әрқашан Бенфорд заңымен сипатталады. Мысалы, жоғарыда аталған ұзындықтар тізіміндегі бірінші (нөлдік емес) цифрдың таралуы, өлшем бірлігі фут немесе ярд болған жағдайда да бірдей болуы керек. Бірақ бір ярдта үш фут бар, сондықтан ярдтағы ұзындықтың бірінші цифры 1 болу ықтималдығы футтағы ұзындықтың бірінші цифры 3, 4 немесе 5 болу ықтималдығымен тең болуы керек; сонымен қатар, ярдтағы ұзындықтың бірінші цифры 2 болу ықтималдығы футтағы ұзындықтың бірінші цифры 6, 7 немесе 8 болу ықтималдығымен тең болуы керек. Мұны барлық мүмкін өлшем шкалаларына қолдану Бенфорд заңының логарифмдік таралуын береді. Бенфорд заңының бірінші цифрларға қатысты нұсқасы сандық жүйелер үшін негіз инвариантты болып табылады. Сома инварианттылығы, кері инварианттылық, қосу және алу инварианттылығының шарттары мен дәлелдемелері бар.
Бухгалтерлік алаяқтықты анықтау
1972 жылы Хал Вариан бұл заңның мемлекеттік жоспарлау шешімдерін негіздеу үшін ұсынылған әлеуметтік-экономикалық деректер тізімдеріндегі мүмкін алаяқтықты анықтауға пайдалы болатынын айтты. Егер деректерді жалған құрастырған адамдар цифрларды теңдей таратуға ұмтылса деген болжам негізінде, деректердегі бірінші цифрдың жиілік таралуын Бенфорд заңы бойынша күтілетін таралыммен салыстыру арқылы кез келген аномалиялық нәтижелерді анықтауға болады.
Қылмыстық сот процестерінде қолдану
АҚШ-та Бенфорд заңына сүйенген дәлелдер федералдық, штаттық және жергілікті деңгейдегі қылмыстық істерде қабылданған.
Сайлау деректері
Мичиган университетінің саясаттанушысы және статистикалық сарапшысы Уолтер Мебайн сайлау сот-медицинасында екінші цифр Бенфорд заңы сынағын (2BL тесті) алғаш қолданды. Мұндай талдау сайлау нәтижелеріндегі бұрмашылықтарды анықтаудың қарапайым, бірақ толыққанды сенімді әдіс емес деп саналады. Әдебиетте Бенфорд заңының сайлауға қолданылуын қолдайтын ғылыми консенсусқа қол жеткізілген жоқ. 2011 жылы саяси ғалымдар Джозеф Деккерт, Михаил Мягков және Питер С. Ордешук жүргізген зерттеуде Бенфорд заңы сайлау алаяқтығының статистикалық индикаторы ретінде проблемалық және жаңылыстыратын болып дәлелденді. Олардың әдісі Мебайн тарапынан сынға алынды, бірақ ол Бенфорд заңын сайлау деректеріне қолдануда көптеген ескертулер бар екендігімен келісті. Бенфорд заңы 2009 жылғы Иран сайлауында алаяқтыққа дәлел ретінде пайдаланылды. Мебайн жасаған талдау көрсетті, сайлау жеңімпазы президент Махмуд Ахмадинежадтың дауыс санауының екінші цифрлары Бенфорд заңының күтілетін нәтижесінен айтарлықтай өзгеше болды, сондай-ақ жарамсыз бюллетеньдері өте аз болған сайлау учаскелері нәтижелерге үлкен әсер етті, бұл бюллетеньдерді толтырудың кең таралғанын көрсетеді. Тағы бір зерттеуде бутстрап симуляциялары арқылы кандидат Мехди Карруби Бенфорд заңы бойынша күтілгенінен екі есе көп 7 цифрымен басталатын дауыс санауына ие болғаны анықталды, ал Колумбия университетінің талдауы әділ сайлауда 2009 жылғы Иран президенттік сайлауында анықталғандай, жеткіліксіз тікелей жатқан цифрлар мен соңғы цифрлардың жиілігіндегі күдікті ауытқулардың пайда болу ықтималдығы 0,5 пайызға дейін төмендегенін көрсетті. Бенфорд заңы 2003 жылғы Калифорния губернаторының сайлауы, 2000 және 2004 жылғы АҚШ президенттік сайлауы және 2009 жылғы Германия федералды сайлауы бойынша сот-медициналық аудит пен алаяқтықты анықтау үшін де қолданылды; Бенфорд заңы сынағы "алдамшылықты анықтау үшін статистикалық тест ретінде қарастыруға лайық" деп танылды, бірақ "көптеген дауыстарға елеулі әсер еткен бұрмалауларға сезімтал емес".
Макроэкономикалық деректер
Сондай-ақ, Грекия үкіметі евроаймаққа кіру алдында Еуропалық Одаққа ұсынған макроэкономикалық деректер ел мүшелікке қабылданғаннан кейін бірнеше жыл өткен соң Бенфорд заңы арқылы, әдетте, жалған екені анықталды.
Бағалық цифрлар талдау
Зерттеушілер 2002 жылы еуро енгізілгенге дейін және кейін тұтыну тауарларының бағаларын зерттеуде Бенфорд заңы арқылы психологиялық бағалау үлгілерін анықтауға қолданды. Егер психологиялық бағалау болмаса, тауар бағасының алғашқы екі немесе үш цифры Бенфорд заңына сәйкес келуі керек деген идея болды. Осылайша, цифрлардың таралуы Бенфорд заңынан ауытқыса (мысалы, көптеген 9-дар болса), бұл саудагерлер психологиялық бағалауды қолданған болуы мүмкін екенін көрсетеді. 2002 жылы еуро жергілікті валюталарды алмастырған кезде, қысқа мерзім ішінде тауарлардың бағасы жергілікті валютадағы бағалардан еуроға ауыстырылды. Психологиялық бағалауды бір уақытта еуро және жергілікті валютадағы бағаларға қолдану мүмкін болмағандықтан, ауысу кезеңінде психологиялық бағалау бұрын қолданылған болса да, бұзылуға ұшырады. Ол тек тұтынушылар тағы да бір валютаға, осы жолы еуроға, үйренгеннен кейін ғана қайта орнатылуы мүмкін. Зерттеушілер күткендей, бірінші цифрдың таралуы Бенфорд заңына сәйкес келді, бірақ екінші және үшінші цифрлардың таралуы еуро енгізілгенге дейін Бенфорд заңынан айтарлықтай ауытқыды, енгізілген кезде ауытқу азайды, ал енгізілгеннен кейін қайтадан артты.
Геномдық деректер
Эукариоттар мен прокариоттарда ашық оқу кадрларының саны және геном мөлшерімен байланысы әртүрлі: біріншілерінде логарифмдік-сызықтық байланыс, ал екіншілерінде сызықтық байланыс байқалады. Осы мәліметті тексеру үшін Бенфорд заңы қолданылды және екі жағдайда да деректермен өте жақсы сәйкестік көрсетті.
Ғылыми алаяқтықты анықтау
Жарияланған мақалалардағы регрессия коэффициенттерінің тесті Бенфорд заңымен сәйкес екенін көрсетті. Салыстыру тобынан статистикалық деректерді өңдеу сұралды. Өңделген нәтижелер Бенфорд заңының бірінші цифрларға қатысты ережесіне сәйкес келді, бірақ екінші цифрларға қатысты ережесін сақтамады.
Бенфорд заңы бойынша таратылатын үлестірулер
Кейбір белгілі шексіз бүтін сандар тізбектері Бенфорд заңымен дәл сәйкес келеді (тізбектің көбірек мүшелері қосылғанда асимптотикалық лимитте). Олардың ішінде Фибоначчи сандары, факториалдар, 2-нің дәрежелері және кез келген басқа санның дәрежелері бар. Шекті диапазон ішіндегі жай сандар жалпыланған Бенфорд заңына бағынады, ал диапазонның мөлшері шексізге жақындағанда біртектілікке жақындайды. Жергілікті телефон нөмірлерінің тізімі Бенфорд заңын бұзады. Бенфорд заңы 1960 және 1970 жылғы халық санақтары бойынша АҚШ-тың бес штатындағы кемінде 2500 тұрғыны бар елді мекендердің халқы үшін бұзылады, онда тек 19%-ы 1 цифрынан басталады, ал 20%-ы 2 цифрынан басталады, себебі 2500-ге дейін шектеу статистикалық қиыстықты тудырады. Бірнеше ондық разрядты қамтымайтын таралымдар Бенфорд заңына бағынбайды. Мысалдар: бой, салмақ және IQ көрсеткіштері.
Танымал мәдениетте
Бенфорд заңы жиырма бірінші ғасырдағы кейбір танымал ойын-сауықтарда сюжеттік құрал ретінде қолданылды. Телевизиялық криминалды драма «NUMB3RS» 2006 жылғы «Жүгіргіш адам» атты эпизодында бірнеше қарақшылықты шешуге көмектесу үшін Бенфорд заңын пайдаланды. 2016 жылғы «Бухгалтер» фильмі робототехникалық компаниядан қаржы ұрлау дерегін анықтау үшін Бенфорд заңына сүйенді. 2017 жылғы Netflix сериалы «Озарк» Бенфорд заңы арқылы картель мүшесінің қаржылық есептерін талдап, алаяқтықты жариялады. 2021 жылғы Джереми Робинсонның «Бескірме 2» романы кейіпкерлердің симуляцияда ма, әлде шындықта ма екенін анықтау үшін Бенфорд заңын қолданды. Майк Мейденнің Том Клэнсидің «Контакт нүктесі» романында Пол Браун (Hendley Associates компаниясының сот бухгалтері) бухгалтерлік кітаптардағы алаяқтықты анықтау әдістерін талқылағанда Джек Райанға Бенфорд заңы туралы түсіндірді.