Transcript Tikimyb_3
TIKIMYBIŲ TEORIJA 3 VIENMAČIAI ATSITIKTINIAI DYDŽIAI Atsitiktiniu dydžiu vadinamas dydis, kuris bandymo metu gali gauti tik vieną iš anksto nežinomą skaitinę reikšmę iš galimų reikšmių aibės. Pvz.: 1) Kavinėje apsilankiusių klientų skaičius per valandą. 2) Matuojamų detalių matmenys. Atsitiktinis dydis žymimas graikiškomis raidėmis, o jo įgyjamos reikšmės mažosiomis lotyniškomis raidėmis: A - ksi, - eta, - dzeta,... x, y , z ,... A Tikimybinėje erdvėje (,F,P) atsitiktinis dydis tai elementarių įvykių funkcija ξ=ξ(ω) .(ω- elementarus įvykis) Atsitiktinis dydis vadinamas diskrečiuoju, jei visos jo galimos reikšmės yra baigtinė arba skaiti aibė. A Nagrinėkime diskretų atsitiktinį dydį ξ, kuris įgyja reikšmes x1,x2,...,xn . Atlikus bandymą atsitiktinis dydis gali įgyti tik vieną reikšmę, vadinasi įvykiai ξ=x1, ξ=x2,..., ξ=xn sudaro pilnąją įvykių grupę, t.y. jei pažymėsime P x1 p1 , P x2 p2 ,...,P xn pn Tada n p i 1 i 1 A Atsitiktinio dydžio pasiskirstymu vadinama bet kokia priklausomybė, kuri nurodo ryšį tarp atsitiktinio dydžio reikšmių ir jų tikimybių. Jis gali būti nusakomas lentele, grafiku arba analizine išraiška: 1) Lentelė- pasiskirstymo lentelė (skirstinys) xi pi x1 p1 x2 p2 ... ... xn pn 2) Grafiku, pvz. pasiskirstymo daugiakampiu: pi p2 p1 x1 x2 xn xi A Atsitiktinio dydžio ξ pasiskirstymo funkcija vadinama funkcija, kuri yra apibrėžta visom realiom x reikšmėms ir lygi tikimybei, kad ξ įgis reikšmes mažesnes už x, t.y. F ( x) P( x) SAVYBĖS: 1. 0 F ( x) 1 ; 2. P(a b) F (b) F (a) ; 3. x1 x2 F ( x1 ) F ( x2 ) ; 4. lim F ( x) 0 ; x 5. lim F ( x) 1 . x Pavyzdys: Šaulio pataikymo tikimybė 0,3. Pataikęs šaulys gauna (+5) taškus, o nepataikęs (-2). Parašykite diskretaus ats.d. ξ“gautų taškų skaičius” pasiskirstymo dėsnį ir pasiskirstymo funkciją atlikus 4 šūvius. Sprendimas: Pažymėkime pataikymo tikimybe p=0,3, o nepataikymo q=1-0,3=0,7. Turime Bernulio eksperimentą, vadinasi: p0 P4 (0) C 0.3 0.7 0.24 0 4 0 4 (Nė karto nepataikė) Analogiškai apskaičiuojamos ir kitos tikimybės ir surašomos į lentelę: ξ -8 pi 0,24 0,41 0,26 -1 6 13 20 0,08 0,01 1 ξ -8 pi 0,24 0,41 0,26 0,08 0,01 0 0.24 0.65 F ( x) 0.91 0.99 1 , kai x 8 -1 6 13 20 1 , kai 8 x 1 , kai 1 x 6 , kai 6 x 13 , kai 13 x 20 , kai x 20 Skaitinės charakteristikos: 1) Vidurkis M xi pi i SAVYBĖS: 1) MC C , C const; 2) M (C ) CM ; 3) M ( ) M M ; 4) Jei ats.d. ir yra nepriklausomi M ( ) MM. 2) Dispersija D M ( M ) 2 x M 2 i i D - standartinis nuokrypis pi Savybės: 1) D 0; 2) DC 0; 3) D(C ) C 2 D ; 4) D M 2 ( M ) 2 ; 5) Jei ats.d. ir yra nepriklausomi D( ) D D . 3) Moda- ats.d. reikšmė, kuri dažniausiai pasikartoja, t.y p(M0)=pmax ξ- unimodalusis ats.d. jei moda viena ir daugiamodalusis jei modų daugiau nei dvi. 4) Mediana- ats.d. vidurinė reikšmė, t.y. 1 P( Me ) P( Me ) ir F(Me) 2 A Atsitiktinį dydį ξ vadinamas tolydžiuoju, jei jo pasiskirstymo funkcija F(x) yra tolydi ir diferencijuojama, be to P(ξ=xi)=0. Tolydaus atsitiktinio dydžio ξ tankiu (tankio funkcija) vadinama jo pasiskirstymo funkcijos išvestinė, t.y. A p( x) F ( x) SAVYBĖS: 1) p( x) 0; x 2) F(x) p(x)dx; - b 3) P(a b) p( x)dx; a 4) p( x)dx 1. Skaitinės charakteristikos: 1) Vidurkis M xp( x)dx 2) Dispersija D M ( M ) 2 3) Moda 4) Mediana x M 2 p( x)dx Pavyzdys: Duota pasiskirstymo funkcija 0 , x 1 2 F ( x) ax b , 1 x 3 1 ,x3 Raskite: a, b, P(ξ>2). Sprendimas: 2ax , 1 x 3 p ( x) 0 , kitur p( x)dx 1 1 3 1 3 0dx 2axdx 0dx 1 2 3 x 2a 2 1 1 8a 1 1 a 8 Kadangi F(x) tolydi, tai kai x=3 turi F(3)=1 1 2 (3 ) b 1 8 1 b 8 0 , x 1 1 2 1 F ( x) x , 1 x 3 8 8 1 ,x3 P( 2) 1 P( 2) 1 P 2 P( 2) 1 5 1 1 F (2) 1 4 8 8 8 DISKRETIEJI SKIRSTINIAI Binominis skirstinys • Sakome, kad atsitiktinis dydis X yra pasiskirstęs pagal binominį dėsnį su parametrais n ir 0<p<1, jei jis įgyja reikšmes 0, 1, 2, ..., n su tikimybe PX k k k nk Cn p q , q 1 p • Pavyzdžiui, jei gamybos procesas stabilus, tai gaminių su defektais skaičius gali būti laikomas binominiu atsitiktiniu dydžiu. Binominis skirstinys • Panaudojus reklamą, prekių pardavimas padidėja arba nepadidėja. • Išdygusių sėklų skaičius iš n pasėtų. • Teigiamų rezultatų, gautų gydant 25 ligonius, skaičius. Binominis skirstinys • Vidurkis MX n kPX k k 0 • Dispersija n k k nk kC n p q np k 0 DX npq • Binominio atsitiktinio dydžio X labiausiai tikėtina reikšmė k0 randama iš nelygybių n 1 p 1 k0 n 1 p Puasono skirstinys • Jei atsitiktinis dydis gali įgyti reikšmes k 0,1, 2, ir tų reikšmių tikimybės yra P X k k k! e , 0 k sakoma, kad skirstinys yra Puasono. Žymima taip: X ~ P Puasono skirstinys • Puasono atsitiktinio dydžio vidurkis ir dispersija atitinkamai yra lygios MX , DX Puasono skirstinys • Ekonomikoje Puasono skirstinys naudojamas retiems įvykiams aprašyti: – banke yra daug sąskaitų, o stebimą valandą ateina tik maža dalis visų klientų, todėl klientų skaičių galima aprašyti Puasono skirstiniu; – požeminio elektros kabelio gedimų skaičius vieno kilometro intervale, taip pat aprašomas Puasono skirstiniu; – brokuotų tam tikros produkcijos gaminių skaičiaus skirstinys taip pat Puasono; Puasono skirstinys (pavyzdys) • Vidutiniškai pirmadieniais į darbą neateina 3 darbuotojai. Kokia tikimybė, kad šį pirmadienį į darbą neateis ne mažiau kaip 2 darbuotojai? • Taikysime Puasono skirstinį, kai MX 3 ,t.y. 3 k 3 3 P X k e , k! Px 2 1 Px 0 Px 1 1 e3 3e3 0,8 Geometrinis skirstinys • Tegu vieną kartą daromo bandymo sėkmės tikimybė 0 p 1. Nepriklausomus bandymus kartojame tol, kol sulaukiame pirmos sėkmės. Atsitiktinis dydis X yra bandymų skaičius iki pirmos sėkmės. Sakysime, kad X turi geometrinį skirstinį. P X k 1 p k 1 p, k 1,2, Geometrinis skirstinys • Vidurkis ir dispersija 1 1 p MX , DX 2 p p Geometrinis skirstinys (pavyzdys) • Naftos kompanijos atstovai žino, kad tiriamajame rajone 80% gręžinių naftos neturi. Kokia tikimybė rasti naftos gręžiant penktą kartą? Kiek vidutiniškai gręžimų reiks išgręžti, kol bus rasta nafta? • Tegu X – padarytų gręžinių skaičius iki naftos radimo. Atsitiktinis dydis X turi geometrinį skirstinį su parametru p 0,2 Todėl ieškomoji tikimybė PX 5 0,2 0,84 0,08192 o vidurkis MX 1 5 0,2 TOLYDIEJI SKIRSTINIAI Normalusis (Gauso) skirstinys • Atsitiktinis dydis X pasiskirstęs pagal normalųjį skirstinį su parametrais m ir σ, jei jo tankio funkcija 1 px e 2 x m 2 2 2 x R o pasiskirstymo funkcija 1 F x 2 x e x m 2 2 2 dx Normalusis (Gauso) skirstinys • Normalusis skirstinys žymimas N m,2 • Kai m 0, 1 normalusis skirstinys vadinamas standartiniu normaliuoju skirstiniu. px 1 2 x2 e 2 F x 1 2 x x e 2 2 dt Normalusis (Gauso) skirstinys • Normalusis dėsnis nusako skirstinį tokio atsitiktinio dydžio, kuris gaunamas sumuojant didelį skaičių kitų nepriklausomų atsitiktinių dydžių, tarp kurių nėra dominuojančių. • Normalusis skirstinys gerai aprašo žmonių ūgį, svorį, vidutinę oro temperatūrą, vidutinį pelną, intelekto koeficientą. Normalusis (Gauso) skirstinys • Normaliojo atsitiktinio dydžio vidurkį ir dispersiją skaičiuojame pagal formules MX DX x x m 2 1 2 x m 2 2 2 e 1 2 dx m x m 2 e 2 2 dx 2 Normalusis (Gauso) skirstinys • Normaliojo skirstinio tankio funkcijos grafiko padėtis plokštumoje priklauso nuo vidurkio dydžio, o forma nuo dispersijos Normalusis (Gauso) skirstinys • Apskaičiuosime tikimybę, kad atsitiktinis dydis X a, b: bm a m P ( a x b) • Skaičiavimuose kartais naudojama Laplaso funkcija ( x) 1 2 x e 0 t2 2 ( x ) ( x ) 1 ( x ) ( x ) 2 dt Normalusis (Gauso) skirstinys. Trijų σ taisyklė • Tikimybė, kad normaliai pasiskirstęs atsitiktinis dydis nukryps nuo vidurkio ne daugiau kaip σ lygi 0,68 • Tikimybė, kad normaliai pasiskirstęs atsitiktinis dydis nukryps nuo vidurkio ne daugiau kaip 2 σ lygi 0,95 • Tikimybė, kad normaliai pasiskirstęs atsitiktinis dydis nukryps nuo vidurkio ne daugiau kaip 3 σ lygi 0,997 0.68, kai t 1 P X m t 0.95, kai t 2 0.997, kai t 3 Eksponentinis skirstinys • Sakome, kad atsitiktinis dydis pasiskirstęs pagal eksponentinį dėsnį, jei : x 0, 0, p x x e , x 0. F x x e x x dx e x d x e 0 x 0, 0, F x x 1 e , x 0. x x 0 1 e x Eksponentinis skirstinys • Eksponentinis pasiskirstymas plačiai taikomas patikimumo teorijoje, masinio aptarnavimo teorijoje. Eksponentinis skirstinys (pavyzdys) • Gatvių apšvietimo lempų tarnavimo laiko vidurkis lygus 500 dienų, o standartinis nuokrypis 50 dienų. Kam lygu tikimybė, kad lempa švies: a) nuo 400 iki 600 dienų; 600 500 400 500 P400 X 600 F F F 2 F 2 50 50 2 F 2 1 2 0,977 1 0,954 b) trumpiau negu 400 dienų; 400 500 0 500 P X 400 P0 X 400 F F 50 50 F 2 F 10 1 F 2 1 F 10 F 10 F 2 1 0,977 0,023. Tolygusis skirstinys • Atsitiktinio dydžio X skirstinys vadinamas tolygiuoju intervale a, b , jei 1 , a xb px b a x a, b. 0, x a, 0, x a F x , a x b, b a x b. 1, χ2 (chi kvadratu) skirstinys • χ2 (chi kvadratu) skirstinį su n laisvės laipsnių turi atsitiktinis dydis 2 2 2 2 n X1 X 2 X n • čia X 1 , X 2 , , X n yra nepriklausomi, standartinį normalųjį skirstinį turintys atsitiktiniai dydžiai X i ~ N 0;1 χ2 (chi kvadratu) skirstinys • Nors χ2 skirstinio tankio funkcija gana sudėtinga, tačiau jo parametrai nusakomi paprastomis formulėmis: M n, D 2n 2 2 χ2 (chi kvadratu) skirstinys p(t) P 1 12;n x 2 • Kvantilis 1- ;n parenkamas taip, kad neužbrūkšniuotos dalies plotas būtų lygus 1 . • χ2 skirstinio reikšmės priklausomai nuo ir laisvės laipsnių skaičiaus n pateikiamos lentelėje χ2 (chi kvadratu) skirstinys (pavyzdys) • Chi kvadrato skirstinio laisvės laipsnių skaičius lygus 20, o P c1 220 c2 1 0,95 Kaip rasti tokius dydžius c1 ir c2, kai • Kadangi P 220 c1 P 220 c2 P220 c1 P220 c2 1 1 2 2 P 20 c1 P 20 c2 0,025 2 P 220 c1 P c1 220 c2 P 220 c2 1 χ2 (chi kvadratu) skirstinys (pavyzdys) Taigi c1 yra 2 lygmens kvantilis c1 02,025;20 9,59 2 P 20 P 220 2 c2 1 P 20 c2 2 c2 1 1 0,025 0,975 2 c2 02,975;20 34,2. Stjudento skirstinys • Tarkime, kad nepriklausomi atsitikt. dydžiai X ir X i i 1,2, , n yra standartiniai normalieji dydžiai: X ~ N 0;1, X i ~ N 0;1 • Atsitiktinio dydžio t skirstinys vadinamas Stjudento skirstiniu su n laisvės laipsniu. t X n 2 X i i 1 n Stjudento skirstinys • Stjudento skirstinio reikšmių lentelė sudaryta priklausomai nuo tikimybės α ir laisvės laipsnių skaičiaus n. • Joje pateiktos kvantilių t reikšmės. 1 ; n 2 t f(t) 2 ;n P 1 t 2 ;n t 1 ;n 2 x t 1 ; n 2 Stjudento skirstinys • Atsitiktinis dydis X turi Stjudento skirstinį su 12 laisvės laipsnių. Lygmenį p 0,975 atitinka kvantilis t0,975;12 2,18 • Kitaip sakant Pt 2,18 0,975 Fišerio skirstinys • Fišerio skirstinį su m ir n laisvės laipsnių turi atsitiktinis dydis Fm; n Y X 2 1 Y22 Ym2 2 1 X 22 X n m 2 2 Xm m X n2 n n čia Y1, Y2 , , Ym , X1, X 2 ,, X n yra nepriklausomi, standartinį normalųjį skirstinį turintys atsitiktiniai dydžiai Yj , X i ~ N 0;1. Fišerio skirstinio 1-α lygmens kvantilius galima rasti lentelėje. AČIŪ UŽ DĖMESĮ