Дискретные случайные величины. 4.1. Определение дискретной случайной величины.

4.1. Определение дискретной случайной величины.

Величина, которая в результате испытания может принять то или иное значение, заранее неизвестно, какое именно, называется случайной величиной.

Дискретной случайной величиной называется такая переменная величина, которая может принимать конечную или бесконечную совокупность значений, причем принятие ею каждого из значений есть случайное событие с определенной вероятностью.

Соотношение, устанавливающее связь между отдельными возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями, называется законом распределения дискретной случайной величины. Если обозначить возможные числовые значения случайной величины Х через х , х , ... ..., а через вероятность появления значения , то дискретная случайная величина полностью определяется следующей таблицей 4.1:

Таблица 4.1

			...
	p1		...

где значения х , х ,..., ,записываются, как правило, в порядке возрастания. Таблица называется законом или рядом распределения дискретной случайной величины Х. Поскольку в верхней строчке ряда распределения записаны все значения случайной величины Х, то нижняя строчка обладает тем свойством, что

(4.1)

Графическое изображение ряда распределения называется многоугольником распределения (полигоном распределения) (рис. 4.1):

Рис.4.1.

Для этого по оси абсцисс откладывают значения случайной величины, по оси ординат - вероятности значений. Полученные точки соединяют отрезками прямой. Построенная фигура и называется многоугольником распределения вероятностей.

Дискретная случайная величина может быть задана функцией распределения .

Функцией распределения случайной величины Х называется функция F (x), выражающая вероятность того, что Х примет значение, меньшее чем х:

(4.2)

- здесь для каждого значения х суммируются вероятности тех значений , которые лежат левее точки х.

Функция F (x) есть неубывающая функция;

Для дискретных случайных величин функция распределения F(x) есть разрывная ступенчатая функция, непрерывная слева (рис. 4.2):

F(x)

p₃

p₂

p1

x₁ x₂ 0 х₃ x _j

Рис.4.2.

Вероятность попадания случайной величины Х в промежуток от до (включая ) выражается формулой:

(4.3)

Числовые характеристики.

Математическим ожиданием дискретной случайной величины называется:

( 4.4)

В случае бесконечного множества значений в правой части (4.4) находится ряд, и мы будем рассматривать только те значения Х, для которых этот ряд абсолютно сходится.

М(Х) представляет собой среднее ожидаемое значение случайной величины. Оно обладает следующими свойствами:

1) М(С)=С, где С=const

2) M (CX)=CM (X) (4.5)

3) M (X+Y)=M(X)+M(Y), для любых Х и Y.

4) M (XY)=M (X)M(Y), если Х и Y независимы.

Для оценки степени рассеяния значений случайной величины около ее среднего значения M(X)=авводятся понятия дисперсии D(X) и среднего квадратического (стандартного) отклонения . Дисперсией называется математическое ожидание квадрата разности (X- ), т.е. :

D(X)=M(X- )²= p_i,

где =М(X); определяется как квадратный корень из дисперсии, т.е. .

Для вычисления дисперсии пользуются формулой:

(4.6)

Свойства дисперсии и среднего квадратического отклонения:

1) D(C)=0, где С=сonst

2) D(CX)=C²D(X), (CX)= çCç (X) (4.7)

3) D(X+Y) =D(X)+D(Y),

если Х и У независимы.

Размерность величин и совпадает с размерностью самой случайной величины Х, а размерность D(X) равна квадрату размерности случайной величины Х.

4.3. Математические операции над случайными величинами.

Пусть случайная величина Х принимает значения с вероятностями а случайная величина Y- значения с вероятностями Произведение КX случайной величины Х на постоянную величину К - это новая случайная величина, которая с теми же вероятностями , что и случайная величина Х, принимает значения, равные произведениям на К значений случайной величины Х. Следовательно, ее закон распределения имеет вид таблица 4.2:

Таблица 4.2

			...
			...

Квадрат случайной величины Х, т.е. , - это новая случайная величина ,которая с теми же вероятностями, что и случайная величина Х, принимает значения, равные квадратам ее значений.

Сумма случайных величин Х и У - это новая случайная величина, которая принимает все значения вида с вероятностями , выражающими вероятность того, что случайная величина Х примет значение а У - значение , то есть

(4.8)

Если случайные величины Х и У независимы, то:

(4.9)

Аналогично определяются разность и произведение случайных величин Х и У.

Разность случайных величин Х и У - это новая случайная величина, которая принимает все значения вида , а произведение - все значения вида с вероятностями, определяемыми по формуле (4.8), а если случайные величины Х и У независимы, то по формуле (4.9).

4.4. Распределения Бернулли и Пуассона.

Рассмотрим последовательность n идентичных повторных испытаний, удовлетворяющих следующим условиям:

1. Каждое испытание имеет два исхода, называемые успех и неуспех.

Эти два исхода - взаимно несовместные и противоположные события.

2. Вероятность успеха, обозначаемая p, остается постоянной от испытания к испытанию. Вероятность неуспеха обозначается q.

3. Все n испытаний - независимы . Это значит, что вероятность наступления события в любом из n повторных испытаний не зависит от результатов других испытаний.

Вероятность того, что в n независимых повторных испытаниях, в каждом из которых вероятность появления события равна , событие наступит ровно m раз ( в любой последовательности), равна

(4.10)

где q=1-р.

Выражение (4.10) называется формулой Бернулли.

Вероятности того, что событие наступит:

а) менее m раз,

б) более m раз,

в) не менее m раз,

г) не более m раз - находятся соответственно по формулам:

Биномиальным называют закон распределения дискретной случайной величины Х - числа появлений события в n независимых испытаниях, в каждом из которых вероятность наступления события равна р; вероятности возможных значений Х = 0,1,2,..., m,...,n вычисляются по формуле Бернулли (таблица 4.3).

Таблица 4.3

Число успехов Х=m				...	m	...	n
Вероятность Р				...		...

Так как правая часть формулы (4.10) представляет общий член биноминального разложения , то этот закон распределения называют биномиальным. Для случайной величины Х, распределенной по биноминальному закону, имеем:

M(X)=nр (4.11)

D(X)=nрq (4.12)

Если число испытаний велико, а вероятность появления события р в каждом испытании очень мала, то вместо формулы (4.10) пользуются приближенной формулой:

(4.13)

где m - число появлений события в n независимых испытаниях, ( среднее число появлений события в n испытаниях).

Выражение (4.13) называется формулой Пуассона. Придавая m целые неотрицательные значения m=0,1,2,...,n, можно записать ряд распределения вероятностей, вычисленных по формуле (4.13), который называется законом распределения Пуассона (таблица 4.4):

Таблица 4.4

M				...	m	...	n
Pn;m				...		...

Распределение Пуассона часто используется, когда мы имеем дело с числом событий, появляющихся в промежутке времени или пространства. Например, число машин, прибывших на автомойку в течении часа, число дефектов на новом отрезке шоссе длиной в 10 километров, число мест утечки воды на 100 километров водопровода, число остановок станков в неделю, число дорожных происшествий.

Если распределение Пуассона применяется вместо биномиального распределения, то n должно иметь порядок не менее нескольких десятков, лучше нескольких сотен, а nр< 10.

Математическое ожидание к дисперсии случайной величины, распределенной по закону Пуассона, совпадают и равны параметру , которая определяет этот закон, т.е.

M(X)=D(X)=n×p= . (4.14)