Лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности

А.А. Халафян

ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ

И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА

тексты лекций

Краснодар 2008

Статистическое определение вероятности

Существует большой класс событий, вероятности которых не могут быть вычислены с помощью классического определения. В первую очередь это события с неравновозможными исходами (например, игральная кость «нечестная», монета сплющена и т.д.). В таких случаях может помочь статистическое определение вероятности, основанное на подсчете частоты наступления события в испытаниях.

Определение 2.Статистической вероятностьюнаступления события А называется относительная частота появления этого события в n произведенных испытаниях [4], т.е.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru (А) = W(A) = m/n,

где лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru (А) – статистическое определение вероятности; W(A) – относительная частота; n – количество произведенных испытаний; m – число испытаний, в которых событие А появилось. Заметим, что статистическая вероятность является опытной, экспериментальной характеристикой.

Причем при n → ∞, лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru (А) → P(А), так, например, в опытах Бюффона (XVIII в.) относительная частота появления герба при 4040 подбрасываниях монеты, оказалось 0,5069, в опытах Пирсона (XIX в.) при 23000 подбрасываниях – 0,5005.

Геометрическое определение вероятности

Еще один недостаток классического определения, ограничивающий его применение, является то, что оно предполагает конечное число возможных исходов. В некоторых случаях этот недостаток можно устранить, используя геометрическое определение вероятности. Пусть, например, плоская фигура g составляет часть плоской фигуры G (рис.3).

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Рис.3

На фигуру G наудачу бросается точка. Это означает, что все точки области G «равноправны», в отношении попадания туда брошенной случайной точки. Полагая, что вероятность события А – попадание брошенной точки на g пропорциональна площади этой фигуры Sg и не зависит ни от ее расположения относительно области G, ни от формы g, найдем

Р(А) = Sg/SG

где SG – площадь области G. Но так как области g и G могут быть одномерны- ми, двухмерными, трехмерными и многомерными, то, обозначив меру области черезmeas, можно дать более общее определение геометрической вероятности

P = measg / measG.

Доказательство.

Р(В/А) = Р(ВÇА)/Р(А) = Р(АÇВ)/Р(А) = {P(a/b)Р(В)}/Р(А) = {Р(А)Р(В)}/Р(А) = Р(В).

Из определения 4 вытекают формулы умножения вероятностей для зависимых и независимых событий.

Следствие 1. Вероятность совместного появления нескольких событий равна произведению вероятности одного из них на условные вероятности всех остальных, причем вероятность каждого последующего события вычисляется в предположении, что все предыдущие события уже появились:

P(A1A2… An) = P(A1)PA1(A2)PA1A2(A3)… PA1A2… An-1(An).

Определение 6. События A1, A2, …, An независимы в совокупности, если независимы любые два из них и независимы любое из этих событий и любые комбинации (произведения) остальных событий.

Следствие 2. Вероятность совместного появления нескольких событий, независимых в совокупности, равна произведению вероятностей этих событий:

P(A1A2… An) = P(A1)P(A2)… P(An).

Доказательство.

P(A1A2… An) = P(A1·A2… An) = P(A1)P(A2… An).=…= P(A1)P(A2)… P(An).

Определение 7. Событие А12,… Аn образуют полную группу событий, если они попарно несовместны (Аi∩Аj = Ø, для любого i ≠ j)и в совокупности образуют Ω, т.е. лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Теорема 2.Если события А1,A2,… Аn образуют полную группу событий, Р(Аi) > 0 (так как не будет определено P(B/Ai)), то вероятность некоторого события B Î S определяется, как сумма произведений безусловных вероятностей наступления события Аi на условные вероятности наступления события B, т.е.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .(1)

Доказательство. Так как события Аi попарно несовместны, то их пересечение с событием B также попарно несовместны, т.е. B∩Аi и B∩Аj – несовместны при i ¹ j. Используя свойство дистрибутивности ((ÈАi)ÇВ = È(АiÇВ)), событие B можно представить как лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . Воспользуемся аксиомой сложения 3 и формулой умножения вероятностей, получим

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Формула (1) называется формула полной вероятности.

Из формулы полной вероятности легко получить формулу Байеса, при дополнительном предположении, что P(B)>0

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ,

где k = 1, 2, …, n.

Доказательство.P(Аk/B) = P(Аk ∩ B)/P(B) лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Вероятности событий P(Аi ), i =1, 2, …, n называются априорными вероятностями, т.е. вероятностями событий до выполнения опыта, а условные вероятности этих событий P(Аk/B), называются апостериорными вероятностями, т.е. уточненными в результате опыта, исходом которого послужило появление события В.

Задача. В торговую фирму поступили сотовые телефоны последних моделей от трех производителей Alcatel, Siemens, Motorola в соотношении 1 : 4 : 5. Практика показала, что телефоны, поступившие от 1-го, 2-го, 3-го производителя, не потребуют ремонта в течение гарантийного срока соответственно в 98 %, 88 % и 92 % случаев. Найти вероятность того, что поступивший в продажу телефон не потребует ремонта в течение гарантийного срока, проданный телефон потребовал ремонта в течение гарантийного срока, от какого производителя вероятнее всего поступил телефон.

Пример 1.

Очки на гранях игральной кости
Вероятности 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6

Пример 2.

Монета Орёл Решка
Вероятность 0,5 0,5

Определение 1. Случайной величиной вероятностного пространства {Ω, S, P} называется любая функция X(w), определенная для wÎΩ, и такая, что для всех действительных х ( лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ) множество {w: X(w) < x}принадлежит полю S. Другими словами для любого такого события w определена вероятность P(X(w) < x) = P(X < x).

Случайные величины будем обозначать прописными латинскими буквами X, Y, Z, …, а значения случайных величин – строчными латинскими буквами x, y, z...

Определение 2. Случайная величина X называется дискретной, если она принимает значения только из некоторого дискретного множества. Другими словами, существует конечное или счетное число значений x1, x2, …, таких, что P(X = xi) = рi ³ 0, i = 1, 2…, причем å pi = 1.

Если известны значения случайной величины и соответствующие им вероятности, то говорят, что определен закон распределения дискретной случайной величины.

Если составлена таблица, в верхней части которой располагаются значения случайных величин, а в нижней части соответствующие им вероятности, то получим ряд распределения случайной величины, который задает закон распределения дискретной случайной величины.

Пример 3. Составим ряд распределения выпадения герба при 2 подбрасываниях монеты. Возможные исходы – ГГ, ГР, РГ, РР. Из возможных исходов видно, что герб может выпасть 0, 1 и 2 раза, с соответствующими вероятностями – ¼, ½, ¼. Тогда ряд распределения примет вид

Xi :0 1 2

рi :¼ ½ ¼

Определение 3.Функцией распределения случайной величины X называется функция F(x), зависящая от х Î R и принимающая значение, равное вероятности события w, что X < x, т.е.,F(x) = P{w: X(w) < x } = P(X < x ).

Из определения следует, что любая случайная величина имеет функцию распределения.

Равномерное распределение

Определение 1. Случайная величина Х, принимающая значения 1, 2, …, n, имеет равномерное распределение, если Pm = P(Х = m) = 1/n,

m = 1, …, n.

Очевидно, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Рассмотрим следующую задачу.В урне имеется N шаров, из них M шаров белого цвета. Наудачу извлекается n шаров. Найти вероятность того, что среди извлечённых будет m белых шаров.

Нетрудно видеть, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Распределение Пуассона

Определение 4. Случайная величина Х имеет распределение Пуассона с параметром l, если лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , m = 0, 1, …

Покажем, что Σpm = 1. лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Биномиальное распределение

Определение 5.Случайная величина X имеет биномиальное распределение, если лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , m = 0, 1, …, n,

где n – число испытаний по схеме Бернулли, m – число успехов, р – вероятность успеха в единичном исходе, q = 1–p.

Распределение Бернулли

Определение 6.Случайная величина Х имеет распределение Бернулли, если P(Х = m) = Pm = pmqn-m, m = 0, 1, …, n.

При больших m и n становится проблематичным вычисление по формуле Бернулли. Поэтому в ряде случаев удается заменить формулу Бернулли подходящей приближенной асимптотической формулой. Так если n – велико, а р мало, то лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Теорема Пуассона. Если n ® ¥, а p ® 0, так что np ® l, то лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Доказательство. Обозначим ln = np, по условию теоремы лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , тогда

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

При n ® ¥, lnm ® lm, лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Отсюда получаем утверждение теоремы. Рn(m) ® лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru при n ® ¥.

Формула Пуассона хорошо приближает формулу Бернулли, если npq £ 9. Если же произведение npq велико, то для вычисления Рn(m) используют локальную теорему Муавра–Лапласа.

Локальная теорема Муавра – Лапласа.Пусть pÎ(0;1) постоянно, величина лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru равномерно ограничена, т.е. $с, |xm|<с. Тогда

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ,

где b(n;m) – бесконечно малая величина, причем лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Из условий теоремы следует, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ,

где лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Для вычисления Рn(m) по формуле, приведенной рнее, используют таблицы функции

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Задача 1. В магазин одежды один за другим входят трое посетителей. По оценкам менеджера, вероятность того, что вошедший посетитель совершит покупку, равна 0,3. Составить ряд числа посетителей, совершивших покупку.

Решение.

xi
рi 0,343 0,441 0,189 0,027

Задача 2. Вероятность поломки произвольного компьютера равна 0,01. Построить ряд распределения числа вышедших из строя компьютеров с общим числом 25.

Решение.

xi
рi (Пуассон) 0,778 0,196 0,024 0,002 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
рi (Бернулли) 0,779 0,195 0,022 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Задача 3. Автомобили поступают в торговый салон партиями по 10 шт. В салоне подвергаются контролю качества и безопасности только 5 из 10 поступивших автомобилей. Обычно 2 из 10 поступивших машин не удовлетворяют стандартам качества и безопасности. Чему равна вероятность, что хотя бы одна из 5 проверяемых машин будет забракована.

Решение. Р = Р(1) + Р(2) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru + лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru =0,5556 + 0,2222 = 0,7778

Доказательство.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Задача 1. Вероятность того, что случайно выбранный прибор нуждается в дополнительной настройке, равна 0,05. Если при выборочной проверке партии приборов обнаруживается, что не менее 6 % отобранных приборов нуждаются в регулировке, то вся партия возвращается для доработки. Определить вероятность того, что партия будет возвращена, если для контроля из партии выбрано 500 приборов.

Решение.Партия будет возвращена, если число отобранных приборов, нуждающихся в настройке, будет больше 6%, т.е. m1 = 500 × 6/100 = 30. Далее: p = 0,05: q = 0,95; np = 25; лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru 4,87. За успех считаем, если прибор требует дополнительной настройки.

Применим интегральную теорему Муавра–Лапласа.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Задача 2. Определить, сколько надо отобрать изделий, чтобы с вероятностью 0,95 можно было утверждать, что относительная частота бракованных изделий будет отличаться от вероятности их появления не более чем на 0,01.

Решение.Для решения задачи выберем в качестве математической модели схему Бернулли и воспользуемся формулой (4). Надо найти такое n, чтобы выполнялось равенство (4), если e = 0,01, b = 0,95, вероятность р неизвестна.

Ф(хb) = (1 + 0,95) / 2 = 0,975. По таблице приложения найдем, что хb = 1,96. Тогда по формуле (4) найдем n = ¼ × 1,962/0,012 = 9600.

Равномерное распределение

Определение 5. Непрерывная случайная величина Х, принимающая значение на отрезке [a,b], имеет равномерное распределение, если плотность распределения имеет вид

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (1)

Нетрудно убедиться, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ,

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Если случайная величина равномерно распределена, то вероятность того, что она примет значение из заданного интервала [x; x+∆] не зависит от положения интервала на числовой прямой и пропорциональна длине этого интервала

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Покажем, что функция распределения Х имеет вид

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (2)

Пусть хÎ (–¥,a), тогда F(x) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Пусть хÎ [a,b], тогда F(x) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Пусть х Î (b,+¥], тогда F(x) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru = 0 + лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Найдем медиану x0,5. Имеем F(x0,5) = 0,5, следовательно

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . Итак, медиана равномерного распределения совпадает с серединой отрезка [a, b]. На рис.1 приведен график плотности р(х) и функции распределения F(x)

для равномерного распределения.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Рис. 1

Нормальное распределение

Определение 7. Непрерывная случайная величина имеет нормальное распределение, с двумя параметрами a, s, если

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , s>0. (5)

Тот факт, что случайная величина имеет нормальное распределение, будем кратко записывать в виде Х ~ N(a;s).

Покажем, что p(x) – плотность

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru (показано в лекции 6).

График плотности нормального распределения (рис. 3) называют нормальной кривой (кривой Гаусса).

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Рис.3

Плотность распределения симметрична относительно прямой х = a. Если х ® ¥, то р(х) ® 0. При уменьшении s график «стягивается» к оси симметрии х = a.

Нормальное распределение играет особую роль в теории вероятностей и ее приложениях. Это связано с тем, что в соответствии с центральной предельной теоремой теории вероятностей при выполнении определенных условий сумма большого числа случайных величин имеет «примерно» нормальное распределение.

Так как лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru – плотность нормального закона распределения с параметрами а = 0 и s =1, то функция лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru = Ф(х), с помощью которой вычисляется вероятность лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , является функцией распределения нормального распределения с параметрами а = 0 и s =1.

Функцию распределения случайной величины Х с произвольными параметрами а, s можно выразить через Ф(х) – функцию распределения нормальной случайной величины с параметрами а = 0 и s =1.

Пусть Х ~ N(a;s), тогда

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (6)

Сделаем замену переменных под знаком интеграла лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , получим

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

F(x) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (7)

В практических приложениях теории вероятностей часто требуется найти вероятность того, что случайная величина примет значение из заданного отрезка лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . В соответствии с формулой (7) эту вероятность можно найти по табличным значениям функции Лапласа

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (8)

Найдем медиану нормальной случайной величины Х ~ N(a;s). Так как плотность распределения р(х) симметрична относительно оси х = а, то

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru р(х < a) = p(x > a) = 0,5.

Следовательно, медиана нормальной случайной величины совпадает с параметром а:

Х0,5 = а.

Задача 1. Поезда в метро идут с интервалом в 2 мин. Пассажир выходит на платформу в некоторый момент времени. Время Х, в течение которого ему придется ждать поезд, представляет собой случайную величину, распределенную с равномерной плотностью на участке (0, 2) мин. Найти вероятность того, что пассажиру придется ждать ближайший поезд не более 0,5 мин.

Решение. Очевидно, что p(x) = 1/2. Тогда, Р0,5 = Р(1,5<X<2) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru = 0,25

Задача 2. Волжский автомобильный завод запускает в производство новый двигатель. Предполагается, что средняя длина пробега автомобиля с новым двигателем – 160 тыс. км, со стандартным отклонением – σ = 30 тыс.км. Чему равна вероятность, что до первого ремонта число км. пробега автомобиля будет находиться в пределах от 100 тыс. км. до 180 тыс. км.

Решение. Р(100000< X < 180000) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru Ф(2/3)–Ф(–2) = 0,2454 + 0,4772 = 0,7226.

Свойства дисперсии

1.Дисперсия постоянной C равна 0,DC = 0, С = const.

Доказательство. DC = M(С – MC)2 = М(С – С) = 0.

2. D(CX) = С2DX.

Доказательство. D(CX) = M(CX)2 – M2(CX) = C2MX2 – C2(MX)2 = C2(MX2 – M2X) = С2DX.

3. Если X и Y – независимые случайные величины, то

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Доказательство.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

4. Если Х1, Х2, … не зависимы, то лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Это свойство можно доказать методом индукции, используя свойство 3.

5. лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Доказательство. D(X – Y) = DX + D(–Y) = DX + (–1)2D(Y) = DX + D(Y).

6. лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Доказательство. D(C+X) = M(X+C–M(X+C))2 = M(X+C–MX–MC)2 = M(X+C–MX–C)2 = M(X–MX)2 = DX.

Пусть лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru – независимые случайные величины, причем лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Составим новую случайную величину лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , найдем математическое ожидание и дисперсию Y.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ; лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

То есть при n®¥ математическое ожидание среднего арифметического n независимых одинаково распределенных случайных величин остается неизменным, равным математическому ожиданию а, в то время как дисперсия стремится к нулю.

Это свойство статистической устойчивости среднего арифметического лежит в основе закона больших чисел.

Нормальное распределение

Пусть X имеет нормальное распределение. Раннее, в лекции 11 (пример 2) было показано, что если

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , то Y ~ N(0,1).

Отсюда лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , и тогда лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , поэтому найдем сначала DY.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Следовательно

DX = D(sY+a) = s2DY = s2, sx = s. (2)

Распределение Пуассона

Как известно лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Ранее мы показали, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , воспользуемся формулой лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Следовательно,

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru (4)

Равномерное распределение

Известно, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Ранее мы показали, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , воспользуемся формулой лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ,

тогда

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (5)

Доказательство.

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Последний интеграл в цепочке равенств равен 0, так как из условия задачи следует, что p(MX+t) – четная функция относительно t (p(MX+t) = p(MX-t)), а t2k+1 – нечетная функция.

Так как плотности нормального и равномерного законов распределений симметричны относительно х = МХ, то все центральные моменты нечетного порядка равны 0.

Теорема 2.Если X~N(a,s), то лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Чем больше моментов случайной величины известно, тем более детальное представление о законе распределения мы имеем. В теории вероятностей и математической статистике наиболее часто используются две числовые характеристики, основанные на центральных моментах 3-го и 4-го порядков. Это коэффициент асимметрии и эксцесс случайной величины.

Определение 3. Коэффициентом асимметрии случайной величины Х называется число b = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Коэффициент асимметрии является центральным и начальным моментом нормированной случайной величины Y, где лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . Справедливость этого утверждения следует из следующих соотношений:

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Асимметрия случайной величины Х равна асимметрии случайной величины Y = αХ + β

c точностью до знака α, лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . Это следует из того, что нормирование случайных величин aХ+ b и Х приводит к одной и той же случайной величине Y с точностью до знака

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Если распределение вероятностей несимметрично, причем «длинная часть» графика расположена справа от центра группирования, то β(х) > 0; если же «длинная часть» графика расположена слева, то β(х) < 0. Для нормального и равномерного распределений β = 0.

В качестве характеристики большей или меньшей степени «сглаженности» кривой плотности или многоугольника распределения по сравнению с нормальной плотностью используется понятие эксцесса.

Определение 4. Эксцессом случайной величины Х называется величина

g = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Эксцесс случайной величины Х равен разности начального и центрального моментов 4-го порядка нормированной случайной величины лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru и числа3, т.е. лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . Покажем это:

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Эксцесс случайной величины Х равен эксцессу случайной величины

Y = αХ + β.

Найдем эксцесс нормальной случайной величины Х.

Если Х~N(a,s), то лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ~ (0,1).

Тогда

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Таким образом, эксцесс нормально распределенной случайной величины равен 0. Если плотность распределения одномодальна и более «островершинна», чем плотность нормального распределения с той же дисперсией, то g(Х) > 0, если при тех же условиях менее «островершинна», то g(Х) < 0.

Закон больших чисел

Закон больших чисел устанавливает условия сходимости среднего арифметического случайных величин к среднему арифметическому математических ожиданий.

Определение 1. Последовательность случайных величин лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru называется сходящейся по вероятности p к числу b, если

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

Сходимость по вероятности коротко обозначают так: лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Теорема 2. (Закон больших чисел в форме Чебышева) Пусть лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru – последовательность независимых случайных величин, дисперсии которых равномерно ограничены сверху, т.е. лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru ; математические ожидания конечны, тогда

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Доказательство. Так как DXi £ c, i = 1, 2, …, n, то лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . Используя формулу (5) (следствие 2), имеем

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Так как вероятность любого события не превышает единицы, получим двойное неравенство

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Перейдем в этом неравенстве к пределу при лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru и получим

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Интервальная оценка

Если получена точечная оценка неизвестного параметра по выборке, то говорить о полученной оценке как об истинном параметре довольно рискованно. В некоторых случаях, целесообразнее, получив разброс оценки параметра, говорить об интервальной оценке истинного значения параметра. В качестве иллюстрации сказанного рассмотрим построение доверительного интервала для математического ожидания нормального распределения.

Мы показали, что лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru – наилучшая оценка (абсолютно корректная) для математического ожидания МХ = Q, поэтому лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru является абсолютно корректной оценкой также и для параметра a = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru нормального распределения

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

по выборке объема n. Предположим, что задана выборка Хi, i= лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . Дисперсия генеральной совокупности известна и равна s2. Как далеко может находиться случайная величина лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru от неизвестного математического ожидания Q, оценкой которого она является? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим случайную величину лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , представляющую отклонение лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru от Q. Отклонение D может изменяться от 0 до +¥, но нас интересует, прежде всего, вероятность того, что отклонение D не превысит предельной ошибки e допустимого уровня

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (8)

В формуле (8) только величина лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru является случайной, поэтому вероятность Р зависит только от распределения лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Очевидно, что события A = {–e<Q– лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <e} и B = {–e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <Q<e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru } эквивалентны, так как если произойдет событие А, то произойдет и событие В и наоборот. Поэтому

Р{–e+Q< лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <e+Q} = Р{–e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <Q<e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru }. (9)

Таким образом, если лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru – функция распределения непрерывной, случайной величины лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , то

Р{–e+Q< лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <e+Q}= лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ruлекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru (10)

Определим функцию распределения лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru случайной величины лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , где хi Î N(q,s2). Известно, что линейная функция от нормальных случайных величин является нормальной. Поэтому лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru – нормальная, а нормальная случайная величина задается двумя параметрами – математическим ожиданием и дисперсией, но

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Таким образом, плотность распределения лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru имеет вид

лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

Поэтому Р{-e+Q< лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <e+Q}= лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

В полученном интеграле произведем замену переменных u= лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , получим

Р{-e+Q< лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <e+Q}= лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru

где Ф(z) – функция распределения нормированной нормальной случайной величины.

Таким образом,

Р{-e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru <Q<e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru }= лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru . (11)

Если обозначить -e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru = Q1, e+ лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru = Q2, то получим интервал (Q1, Q2), который накрывает с вероятностью, равной лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , неизвестную величину Q и эта вероятность не зависит от Q, т.е., она одна и та же для любых значений Q. Чтобы найти сам интервал, надо по выборке вычислить лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru и задать e.

Можно по заданной вероятности Р найти концы интервала. Для этого надо воспользоваться формулой лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , где t – значение аргумента функции Лапласа, при котором Ф(t ) = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru , e = лекция 1. теории вероятностей. история возникновения. классическое определение вероятности - student2.ru .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Колемаев В.А., Староверов О.В., Турундаевский В.Б. Теория вероятностей и мате-

матическая статистика. М.: Высшая Школа, 1991.

2. Елисеева И.И., Князевский В.С., Ниворожкина Л.И., Морозова З.А. Теория статистики с основами теории вероятностей. М.: Юнити, 2001.

3. Секей Г. Парадоксы в теории вероятностей и математической статистике. М.: Мир, 1990.

4. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Юнити, 2001

5. Смирнов Н.В. Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука,1969.

6. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая Школа, 1988.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1. ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ. КЛАССИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ.. 3

ЛЕКЦИЯ 2. ТЕОРЕМЫ СЛОЖЕНИЯ И УМНОЖЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ. СТАТИСТИЧЕСКОЕ, ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ.. 8

ЛЕКЦИЯ 3. АКСИОМАТИЧЕСКОЕ ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ. АКСИОМАТИКА КОЛМОГОРОВА.. 14

ЛЕКЦИЯ 4. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА. ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ.. 17

ЛЕКЦИЯ 5. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН.. 21

ЛЕКЦИЯ 6. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ТЕОРЕМА МУАВРА–ЛАПЛАСА, ТЕОРЕМА БЕРНУЛЛИ.. 26

ЛЕКЦИЯ 7. НЕПРЕРЫВНЫЕ СЛУЧАЙНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ... 29

ЛЕКЦИЯ 8. ПОНЯТИЕ МНОГОМЕРНОЙ СЛУЧАЙНОЙ ВЕЛИЧИНЫ... 35

ЛЕКЦИЯ 9. ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МНОГОМЕРНОЙ СЛУЧАЙНОЙ ВЕЛИЧИНЫ... 39

ЛЕКЦИЯ 10. СВОЙСТВА ПЛОТНОСТИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ДВУМЕРНОЙ СЛУЧАЙНОЙ ВЕЛИЧИНЫ 43

ЛЕКЦИЯ 11. ФУНКЦИИ ОТ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН.. 48

ЛЕКЦИЯ 12. ТЕОРЕМА О ПЛОТНОСТИ СУММЫ ДВУХ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН.. 52

ЛЕКЦИЯ 13. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТЬЮДЕНТА, ФИШЕРА .ЧИСЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНЫ

Наши рекомендации