Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

TV1

.PDF
Скачиваний:
13
Добавлен:
19.03.2015
Размер:
525 Кб
Скачать
☆

F1 Теорія імовірності, перший семестр

Вступ

З потреб азартних ігор виникла теорія ймовірностей. Нехай А – деяка подія. Тоді визначимо поняття частоти.

Частотою, з якою подія А з’являлася в серії з n експериментів, назвемо число hn ( A) = nnA , - де nA – кількість разів появи події А

Властивості частоти

1.0 ≤ hn ( A) ≤ 1, тобто частота завжди лежить в певних межах.

2.Нехай Ω = {ω t} – всі можливі результати експерименту (зліченна, скінчена,

континуальна). Тоді hn (Ω ) = nnΩ = 1

3. А , В – несумісні події, тобто такі, що одночасно не з’являються, позначається

A ∩ B = 0 , тоді частота h ( A U B) =

nAUB

=

nA + nB

= h ( A) +

h (B)

 

 

n

n

n

n

n

 

 

 

Скінчена імовірнісна схема

Будемо розглядати стохастичний експеримент зі скінченою множиною подій, які будемо називати елементарними, нескладними подіями.

Приклад. Підкидаємо гральні кубики (6 граней). Тоді ω i = i,i =

 

1,6

 

- елементарні, або

нескладні події. Елементарні події об'єднаємо в множину Ω =

{ω i =

i,i =

 

}-

1,6

простір елементарних подій. Нехай А – подія, що полягає у випаданні парної

кількості точок. Тоді A = {ω 2 ,ω

4 ,ω 6}

- є множиною сприятливих події.

 

 

Приклад. Підкидаємо монету двічі. Тоді простір елементарних подій

 

 

Ω

= { ЦЦ, ГЦ, ЦГ, ГГ}

 

 

, а деяка окрема подія , наприклад така, що полягає у випаданні

принаймні одного герба - B =

{ ГЦ, ЦГ, ГГ} .

 

 

 

 

 

 

Обєднання усіх елементарних множин Ω - простір елементарних подій.

Будь-яку підмножину

 

 

A Ω

називатимемо складною подією.

 

 

 

Нехай Ω

= {ω 1 ,ω 2 ,...,ω

 

 

n}

, тобто містить скінчену кількість елементів. Тоді візьмемо n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

чисел,

p1 , p2 ,..., pn : pi

 

≥

 

0,i =

 

,∑ pi = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

1, n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

На множині подій визначимо функцію ймовірності Р(·), так, що

A Ω

P( A) = ∑ pij , -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j= 1

де подія А складається з елементарних подій ω i1 ,...,ω ik .

 

 

 

 

 

 

 

- неможлива подія. (подія, ймовірність появи якої нуль), тобто така, що P( ) = 0 .

Властивості ймовірності.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

P(Ω

) =

1 - ймовірність достовірної події рівна одиниці.

 

 

 

 

 

 

2.

A

Ω

: 0 ≤

 

P( A) ≤

1 - ймовірність завжди в певних межах.

 

 

 

 

 

 

3.

P( A U B) =

 

P( A) + P(B) , A I B =

- адитивність ймовірності для несумісних множин.

4.ω 1 =

Ω 1 : P(ω 1 ) = p1

- ймовірність елементарної події.

 

 

 

 

 

 

Нехай

p

= p

2

= ... = p

n

=

1 , тобто всі події є рівноможливими.

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

F1 Теорія імовірності, перший семестр

Тоді P( A) =

 

 

 

A

 

 

 

−

кількість

елементів(потужність)

А

=

N (A)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кількість

елементів(потужність)

 

 

 

 

 

Ω

 

 

−

Ω

N(Ω )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Злічена імовірнісна схема

Нехай Ω = {ω 1 ,ω 2 ,...} , тобто маємо зліченну множину елементарних подій. Знову розглянемо подію A - будь-яку підмножину Ω . Візьмемо набір чисел (послідовність) :

pi ≥ 0,∑ pi = 1

i

Визначимо на підмножинах множини Ω функцію P( ) : P( A) = ∑ pi , причому P( ) = 0 .

i:ω i A

Ця функція має ті ж властивості, що й раніше.

Приклад. Побудуємо експеримент. Ω = {n : n ≥

2}- злічена множина. Візьмемо p

n

=

 

2

.

 

 

Тоді ймовірності відповідних множин :

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = {2,3,4,5} P( A)

= 15 , B = {2,4,…,2n,…}

P(B) =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Геометричне визначення ймовірностей

 

 

 

 

 

 

 

Нехай Ω - деяка обмежена підмножина n -вимірного простору.

 

 

 

 

 

 

 

Подія – будь-яка вимірна у розумінні Лебега підмножина Ω .

 

 

 

 

 

 

 

Клас усіх таких підмножин ( тобто подій) – А.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ймовірність події

A А визначається як функція події, що прямо пропорційна її мірі.

P( A) = c mes( A) , c =

const .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Знайдемо константу c з умови P(Ω ) = 1. Маємо 1 =

P(Ω ) = c mes(Ω ) c =

1

 

 

 

.

 

mes(Ω

 

)

 

P( A) = mes(A) - геометричне визначення ймовірності події А. mes(Ω )

Приклад. Задача Бюффона.

Площина розділена паралельними прямими на відстані 2l . На цю площину навмання кидається голка, довжина якої l .Знайти ймовірність того, що голка перепне одну з прямих.

Нехай u – відстань від середини голки до найближчої прямої,ϕ - кут між голкою і прямою.

Тоді весь простір Ω =

{(u,ϕ ) : 0 ≤ u ≤ l,0 ≤ ϕ

≤ π} , а подія, що нас цікавить А :

 

 

l

 

 

 

 

 

 

Ω

A =

(u,ϕ ) : u ≤

 

sinϕ

,0 ≤ ϕ

≤

π

 

u

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

l

sinϕ dϕ

 

 

 

 

mes( A)

 

2

 

1

P( A) =

=

 

 

=

 

0

 

 

 

 

mes(Ω )

 

 

π l

π

 

 

 

 

 

- ймовірність події А.

π

2

l

A

2

 

π

Якщо n раз підкидати голку, n – кількість разів, які вона перетне пряму, то mn ≈ π1 .

2

F1 Теорія імовірності, перший семестр

Звідси можна отримати наближене значення константи π . Зокрема, при n = 5000

π = 3,1459

Аксіоматика теорії ймовірностей

1. Клас підмножин (подій) множини Ω

- ζ

= { A : A Ω } – алгебра, якщо :

Ω

ζ

 

- містить простір елементарних подій.

A

ζ , B ζ A U B

ζ - містить об’єднання двох довільних подій.

A ζ

 

 

 

ζ

- містить доповнення до будь-якої події.

A

2. Клас підмножин( подій) ζ

множини Ω

 

- σ - алгебра, якщо

Ω

ζ

 

- містить простір елементарних подій.

{ A }

+∞

 

ζ =

∞

∞

 

 

 

1

U A ζ (I A ζ )

- містить зліченне об’єднання довільних подій.

n

 

n=

 

 

 

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

n= 1

 

 

 

A ζ

 

 

ζ

- містить доповнення до будь-якої події.

A

3.Числова функція P( ) на σ

- алгебрі ζ

 

– ймовірність, якщо

A

ζ

: P( A) ≥

0 - аксіома невід’ємності.

P(Ω

) =

 

1- аксіома нормованості.

 

 

 

{ An}

∞n= 1 ζ , Ai

 

 

∞

 

∞

I Aj ≠

,i ≠ j P(UAn ) = ∑P( An ) – злічена адитивність.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

n= 1

Аксіоми Колмогорова для визначення ймовірності – вимоги цих означень.

Властивості ймовірності.

1.

A

B P(B \ A) = P(B) − P( A)

2.

A

B P(A) ≤ P(B)

3.

P( A U B) = P( A) + P(B) − P( A I B)

4.P( A) = 1− P( A)

5.P( ) = 0

∞

6. Якщо An ↓ : A1 A2 ... An ... , IAn = , тоді lim P( An ) = 0, - властивість

n= 1

неперервності ймовірності.

Умовна ймовірність

Умовною частотою наз. частота події А, коли спостерігається подія В.

hn ( A/ B) =

nAB / n

=

hn (AB)

 

 

 

nB / n

hn (B)

P( A I B)

 

 

 

 

Умовною ймовірністю наз. P( A/ B) =

, за умови, що P(B) ≠ 0 .

P(B)

 

 

 

 

 

 

Приклад. Підкидаємо 2 гральні кості. Яка ймовірність того, що сума очок рівна 8, за умови, що на обох костях випали або парна, або непарна кількість очок.

Ω =

{(i, j),i =

1,6,

j =

1,6} | Ω |= 36

B =

{(i, j),i, j − парні;i, j − непарні}

A =

{(i, j),i + j = 8}

P( A ∩ B) = 365

P(B) = 1836

3

F1 Теорія імовірності, перший семестр

P( A/ B) = 536 = 5 1836 18

На основі умовної імовірності ми можемо побудувати новий імовірнісний простір

(B,ζ , P(/ B)) , де ζ B =

{A: A

 

ζ , A

B} . Перевіримо виконання аксіом. Дійсно

1) P(/ B) ≥

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) P(Ω / B) =

P(Ω I B)

=

P(B)

= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P(B)

P(B)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) P( UAn / B) = ∑P( An / B), Ai I Aj = .

 

 

 

 

 

 

 

 

n= 1

 

n= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Бачимо, що аксіоми виконуються.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запишемо деякі формули, які іноді формулюють як теореми.

 

 

 

P( A ∩ B) =

P( A/ B) P( B)

– формула добутку (теорема добутку).

 

 

 

P( A/ B) =

 

P( A ∩ B)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P(B)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цю формулу можна розповсюдити на випадок багатьох подій :

 

 

 

P(A1 ∩ A2 ∩ ...An ) = P(

A1) P

 

 

A2

 

 

 

A3

 

 

 

 

An

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

A ∩

A

...P

 

A ∩

A ...

∩

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

2

 

 

1

2 I

n− 1

 

Незалежні події

Події А та В називатимемо незалежними, якщо P( AB) = P( A) P(

B)

Приклад

A I B

А : точка, яка потрапить у квадрат, буде мати абсцису,

 

 

 

 

1

 

 

що

 

 

 

більша за a .

 

b

 

 

 

 

 

B : точка буде мати ординату, що більша b .

 

 

 

 

 

P( A ∩ B) = (1− a)( 1− b) = P(

A) (P )B

a1

Властивості незалежних подій.

1.Якщо P(B) > 0 , та A та B – незалежні, тоді P( A/ B) = P( A)

2.Властивість спадковості. Якщо А та В – незалежні, то незалежними будуть то A та B, A та B , A та B .

Події B1 ,..., Bn незалежні у сукупності, якщо для будь-яких індексів 1 ≤ i1 < ... < ir ≤ nr

ймовірність одночасного настання подій P(Bi1 ∩ ...∩ Bin ) = ∏r

P(Bik )

k = 1

 

Приклад Бернштейна Експеримент: на площину кидається тетраедр (4 грані: червона, синя, зелена,

трикольорова).Події Ч, С, З – з’явилась грань, на якій присутній червоний, синій, зелений кольори.

4

F1 Теорія імовірності, перший семестр

P(Ч ) = 24 = 12 = P(C) = P(З)

Р(Ч IС) = 14 = Р(Ч I З) = Р(З IС) = Р(Ч )Р(С) = Р(Ч )Р(З) = Р(З)Р(С)

Р(Ч IС I З) = 14 ≠ Р(Ч )Р(З)Р(С) = 18

Тобто ми бачимо що події Ч, С, З – не є незалежними в сукупності, але будь-які дві з них є незалежними (тобто попарно вони є незалежними).

Формула повної ймовірності (ФПЙ)

Події H1 ,..., Hn утворюють повну групу подій, якщо: Hi ∩ H j = , i ≠ j (події попарно несумісні)

n

UH I = Ω (утворюють покриття простору елементарних подій).

I = 1

Hi - називаються гіпотезами.

Нехай деяка подія B U . Тоді можемо записати

P(B) =

P( B ∩ Ω )

=

 

n

 

=

n

 

=

n

B ∩ H)i . Звідси отримуємо.

P B ∩

UHi

P U( B ∩ H)i

 

∑P(

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

i= 1

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P(B)

n

 

 

 

 

Формула повної ймовірності.

 

 

= ∑P( B ∩ Hi)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

Задача. Нехай маємо N екзаменаційних питань. Серед них n умовно щасливих. Знайти ймовірність того, що студент, який іде другим на іспит, витягне щасливий білет. ◄Нехай у нас буде такі дві гіпотези :

 

H1

– перший студент витягне щасливий білет

 

 

 

 

 

 

 

H2

– перший студент витягне не щасливий білет

 

 

 

 

 

 

 

B –

студент, який іде другим на іспит, витягне щасливий білет

P(H1)

=

n

 

; P(H2 ) =

 

N − n

- ймовірності гіпотез. Розглянемо подію B .

N

 

N

 

 

 

 

 

 

 

n − 1

 

n

 

n

 

N − n

 

n

 

P(B) = P( B / H ) P( H) + P( B / H) (P H)

2

. P(B) =

 

+

 

=

►

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

2

 

N − 1 N

N − 1 N

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формула Байеса

 

 

 

 

 

 

Є повна група гіпотез H1,…,Hn . Знайдемо ймов окремої гіпотези, за умови, що сталася

подія В : P(Hi / B) =

P(Hi ∩

B)

 

=

 

P(B / Hi )P(Hi )

 

.

 

P(B)

 

n

 

 

 

 

 

 

∑ P(B / H j )P(H j

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j= 1

 

 

 

 

 

P(Hi

/ B) =

 

 

P(B / Hi )P(Hi )

 

- формула Байеса

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ P(B / H j )P(H j )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j= 1

 

 

 

Називають первісні (додослідні) імовірності гіпотез P(Hi ) – апріорні; післядослідні імовірності гіпотез P(B / Hi ) – апостеріорні.

5

F1 Теорія імовірності, перший семестр

Приклад

Нехай деякий прилад виробляється двома заводами, причому обсяг продукції другого в k разів більший. p1 і p2 - ймовірності того, що виріб виявився бракованим. Вироби пішли у

продаж. Яка ймов того, що ви купили прилад з другого заводу, якщо він виявився бракованим.

Гіпотези : H1 – бракований виріб першого заводу. H2 – другого.

P(H1) =

 

 

1

 

 

 

;

P(H2 )

=

 

 

 

k

 

 

. Нехай В – бракований виріб. Тоді

 

1

+

k

 

k

+

 

1

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

k p2

 

1

 

 

 

P(H1 / B) =

 

 

 

 

 

1+ k

 

 

 

=

 

 

 

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

p1

+

k p2

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p1 +

 

 

 

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+

k

1+

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дискретні випадкові величини.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розглянемо імовірнісний простір (Ω ,U , P) , Ω

=

{ω 1 ,...,ω n ,...} – дискретна множина,

 

U –σ - алгебра подій,

 

pi

– ймовірності елементарних подій.

 

Випадковою величиною назватимемо вимірну відносно P як міри дійсну функцію ξ (ω

)

на Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R {ω : ξ (ω )

< x}

 

 

Вимірність іншими словами :

x

U .

 

Нехай x1 <

x2 <

... – можливі значення в. в. ξ

. Ai = {ω

:ξ (ω ) = xi} .Оскільки xi – різні, то

 

події Ai ∩

Aj

=

, i ≠

 

 

j ., тобто є несумісними.

 

 

 

α = {A }+∞

 

- називається розбиттям, яке породжує випадкова величина в просторі

 

i i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

елементарних подій, якщо Ω =

UAi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{ ГГ, ЦГ, ГЦ, ЦЦ}

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад. Ω

=

.ξ (u)

= 1,2,3

- де u – число гербів, що з’явились.

 

Розглянемо функцію

χ A (ω

 

)

 

1,ω

 

A

. Тоді вихідну в.в. можемо подати, як

 

 

=

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,ω

 

A

 

 

 

 

 

 

ξ (ω ) = ∑ xi χ Ai( ω )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема випробувань Бернуллі

 

Нехай маємо Ω

 

= {ω :ω

=

 

(ω 1 ,...,ω n ), ω

i = 0 1} .U - алгебра усіх можливих підмножин.

Визначимо два числа

 

 

p0

≥

 

0 , p1 ≥

0

,

p0 + p1 =

1 , де p0 – ймовірність появи неуспіху,

p1

– ймовірність появи успіху. Тобто ми робимо n незалежних випробувань, результатом

кожного з яких може бути або успіх “1”, або неуспіх “0”, з ймовірностями p1

та p0

відповідно.

 

p(ω ) = p( ω 1 ,..,ω n) = pω 1 pω 2 ...pω n . Нехай ξ (ω ) =

 

 

 

 

 

n

Оскільки ω i

- незалежні то

∑ω i .

ξ (ω

)

- може набувати значень від 1 до n .визначимо події :

i= 1

 

Ai =

{ω

: ξ (ω

) = i } = {ω : ω 1 +

...+ ω n = i }. Тоді можемо записати виіхдну в.в., як

6

 

 

F1 Теорія імовірності, перший семестр

n

 

 

ξ (ω ) = ∑iχ Ai( ω )

. Визначимо ймовіності P(ω )

= p1i p0n− i . Тоді очевидно, що

i= 0

 

 

P(ξ (ω ) = i) = Cni p1i p0n− i .

 

Позначивши p1 =

p, p0 = q отримуємо P(ξ = i) =

Cni pi qn− i . Цей розподіл називають

біномінальним. Отже схема випробувань Бернуллі – це експеримент, що розглянуто вище,

де описувана в.в має бінімінальний розподіл.

Закон розподілу

Законом розподілу в.в. ξ називається ймовірність того, що вібулася подія ξ B , яка розглядається як числова функція множини B . Символічно P(ξ B) .

Закон розподілу визначається точками x1 < x2 < K< xn < K, та їх ймовірностями

pi =

P(ξ =

 

xi ) . i =

1,... .(інколи в літературі цю таблицю називають розподілом)

x1

 

x2

 

 

x3

 

…

 

 

 

 

p1

 

p2

 

 

p3

 

…

 

 

 

 

Приклади.

 

 

 

 

 

 

 

1. Вироджений розподіл Ia

 

 

 

Ia (B)

=

1,a

B

;

F(x) =

0, x ≤

a

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

0,a B

 

 

1, x >

2. Біноміальний розподіл Bpn . Також називається гіпергеометричним.

F(x) = Cnk pk(1− p) n− k k = 0, n

3.

Геометричний розподіл Число неуспіхів до появи першого успіху в схемі Бернуллі.

 

P{ξ = k} =

(1−

p) pk , p

( 0,1) ,k = 0,1,...

 

 

4.

Розподіл Пуассона Pλ . Виникає як граничний до біноміального.

 

P{ξ = m} =

 

µ m

e

− µ

, µ >

0,m =

0,1,...

 

 

5.

 

m!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гіпергеометричний Розподіл

 

 

 

 

 

Припустимо що в урні N – куль, серед них n білих та N − n - чорних

 

Навмання з урни витягнуті k куль. Нехай ξ - кількість білих куль серед

 

k витягнутих . Знайдемо розподіл величини ξ . Кількість взагалі можливих

 

наборів по k куль рівна CNk

; серед них мається Cnr CNk −− rn наборів які мають рівно

 

r - білих куль. Тому

P{ξ =

r} =

Cnr CNk −−

rn

(0 ≤ r ≤ min(n, k))

 

CNk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поняття про вибірковий імовірнісний простір

Якщо ми розглядаємо випадкову величину без прив’язування до конкретного вигляду імовірнісного простору (нас він не цікавить), то під ним можна розуміти вибірковий

імовірнісний простір Ω ξ = {x1 , x2 ,...},U-σ - алгебра (U = β(Ω ξ )) Pξ ( A) = ∑ pi . В

i:xi A

такому просторі наша випадкова величина (в розумінні функції) буде виглядати як тотожне відображення ξ : Ω ξ → Ω ξ .

7

F1 Теорія імовірності, перший семестр Ця модель наз вибірковим ймовірносним простором.

Математичне Сподівання.

Дискретна випадкова величина (тут і далі в.в.) наз. сумованою (сумуємою, сумматорною), якщо

 

+∞

ряд (1)

∑ξ (wk ) p( wk) – збігається абсолютно, де ξ (wk ) – значення в.в.,

p(wk )

k = 1

– ймовірність появи цього знчення.

2. Значення ряду (1) наз. математичним сподіванням (тут і далі МС) в.в. Симоволічно

Mξ

Властивості МС:

 

A

,тоді M χ

 

( w) =

 

χ ( w) (p w) =

(p )w

1) Нехай

 

w =

 

 

 

χA(

)

1, w

 

 

 

∑

 

∑

 

 

A

 

A

 

A

 

 

 

0, w

 

 

 

w Ω

 

w A

2)

M(ξ + η ) = Mξ + Mη

– адитивність.

 

 

 

◄ M(ξ + η ) = ∑(ξ (w) + η( w) ) p( w) = ∑ξ( w) p( w) + ∑(η )w (p )w = Mξ + Mη ►

 

 

w Ω

 

 

w Ω

 

w Ω

 

 

3)

MCξ = CMξ

◄ MCξ = ∑Cξ (w) p(

w) = C ∑ξ(

w) p( w) = CMξ

► - дистрибутивність.

 

 

 

 

w Ω

 

 

 

w Ω

 

 

4)

MC = C

 

◄С: p{ξ = C} = 1►

 

 

 

 

5)

ξ ≥ η Mξ

≥ Mη – монотонність

 

 

 

 

◄ M(ξ − η ) = ∑(ξ (w) − η( w) ) p( w) ≥ (т.я. ξ − η ≥ 0 , p(w) ≥ 0 ) ≥ 0 M(ξ − η ) ≥ 0

 

 

w Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

Mξ ≥ Mη ►

 

 

 

 

 

 

 

 

6)

Нехай ξ

≥ 0, M ξ = 0 , тоді P{ξ

=

0}

=

1

 

 

◄ 0 = Mξ =

∑ξ (w) p( w)

ξ( w) p(

w)

=

0

Нехай ξ ≠

0 , тоді Ω = Ω

ξ = 0 UΩ ξ ≠ 0 , w Ω ξ ≠ 0 ,

 

 

w Ω

 

∑ p(w)

 

 

 

 

 

 

p(w) = 0 Тоді P(Ω ξ ≠ 0 ) =

=

0 , звідки P{ξ =

0} = 1 ►

 

w Ω ξ ≠ 0

Вираз значення МС через розподіл випадкової величини.

Нехай маємо в.в. ξ (ω

) . Розглянемо множини Ai =

{w | ξ (w) =

xi}

. Тоді

+∞

( w) , (i ≠

j)(Ai IA j =

 

∞

 

 

ξ (w) = ∑ xi χ Ai

). Зауважимо, що U A i =

Ω

. Запишемо

i= 1

 

 

 

i = 1

 

 

 

 

∞

∞

∞

 

 

Mξ = ∑ξ (w) p( w) = ∑ ∑ξ( w) p( w)

= ∑ xi ∑(p )w =

∑ xi{p ξ = }xi

 

w Ω

i= 1 w Ai

i= 1 w Ai

i= 1

 

 

 

∞

 

 

xi}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mξ =

∑ xi p{ξ

=

 

- Формула обчислення МС в.в по її розподілу

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад: Нехай маємо в.в., що має розподіл Пуассона ξ ~ P(λ),λ >

P{ξ =

k} =

λk e−

λ

, k =

0,1,2,...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

k

e

−

λ

∞

λ

k − 1

∞

i

 

Тоді Mξ =

∑k

λ

 

= e− λ λ

∑

 

 

= (позн. k − 1 = i )= e− λ λ ∑ λ

 

=

k!

(k − 1)!

 

 

 

k = 0

 

 

k = 1

i= 0 i!

 

1. Mξ n – n -тий момент.

0 ,

e− λ λeλ = λ

8

F1 Теорія імовірності, перший семестр

2.Mξ n – абсолютний n -тий момент.

3.M(ξ − Mξ ) n – центральний момент ступеня n.

4.M ξ − Mξ n – абсолютний центральний момент ступеня n.

5.Дисперсія – (другий момент) Dξ = M(ξ − Mξ ) 2 .(інколи назив варіацією V(ξ ) )

Перший момент : M(ξ − Mξ ) = 0 – завжди.

σ = Dξ – середнє квадратичне відхилення.(використовується, бо має такі ж одиниці виміру, що і сама в.в., а не “в квадраті”, як дисперсія).

Властивості дисперсії:

1)

Dξ =

Mξ 2 − (Mξ ) 2 - вираз дисперсії через математичне сподівання.

Dξ = M(ξ − Mξ ) 2 = M(ξ 2 − 2ξ Mξ + Mξ 2 ) = Mξ 2 − 2(Mξ ) 2 + ( Mξ) 2 = Mξ 2 − ( Mξ) 2 Q

2)

Dξ ≥ 0 - невід’ємність.

3)

P{ξ =

C}

= 1

DC = 0 - дисперсія константи рівна 0.

4)

D Cξ

=

C2 Dξ

- константа виноситься з квадратом.

5)

D(ξ +

C) = Dξ

- зсув в.в. не змінює її дисперсію.

Багатовимірні Закони Розподілу.

Нехай (Ω , U,P)

 

ймовірнісний простір, ξ 1 ,ξ 2 ,...,ξ n

- в.в., ξ (w) = (ξ 1( w) ,ξ 2(

w) ,...,ξ (n

w) )

-

 

випадковий вектор з компонентами, що є випадковими величинами.

 

 

 

 

 

 

 

n

-вимірний закон розподілу для величин ξ 1 ,ξ 2 ,...,ξ n – це ймовірність виду

 

 

 

 

 

P{ξ

 

B}

= P{(ξ(1 w) ,ξ(2 )w ,...,ξ(n )w )

B} ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

яка розглядається, як функція деякої підмножини n -вимірного евклідового простору

 

 

Позначення: P{ξ 1 = x1 j

,ξ 2 = x2 j

2

,...,ξ n

= xn j

} =

Pj

, j

,..., j

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

∑Pj1 , j2 ,..., jn

n

1

2

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, що Pj1 , j2 ,..., jn

 

≥

0 , та

 

= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нехай: (x1 j

 

 

 

 

 

)

j1 , j2 ,..., jn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, x2 j

2

,..., xn j

n

- вектор значеннь в.в.ξ 1 ,ξ 2 ,...,ξ n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По n -вимірному закону розподілу ВВ завжди можна знайти одновимірний.

 

 

 

 

 

P{ξ i =

xji } =

 

 

 

∑Pj1, j2 ,..., jn - маргінальний розподіл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j1,.., ji− 1, ji+ 1,.., jn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Закон розподілу не визначає повністю усіх випадкових величин . Нехай

 

 

 

 

 

 

ξ 1 X1 ,ξ 2

X2 ,...,ξ n

Xn , тоді

Ω =

X1× X2 × ...× Xn

, та U = {A | A Ω } , де

 

 

 

 

p(w) =

Pj

, j

,..., j

. Тоді (Ω

 

ξ , Uξ , Pξ

)

- вибірковий простір для сукупності з n в.в. ξ i (wj

) = xij

,

ξ (w) : Ω

1

2

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

ξ

→ Ω

ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Незалежні випадкові величини

 

 

 

 

 

 

В.в. ξ 1 ,ξ 2 ,...,ξ n

 

– незалежні, якщо для будь-якого набору їх значень (x1 j

, x2 j

,..., xn j

n

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

виконується P{ξ 1 = x1 j1

,ξ 2 = x2 j2

,...,ξ n

= xn jn} =

∏n

P{ξ i = xiji}

 

 

 

 

 

 

i= 1

Властивості незалежних ВВ:

9

F1 Теорія імовірності, перший семестр

 

а) P{ξ 1

 

 

 

B1 ,ξ 2

 

B2 ,...,ξ n

Bn} =

∏n

P{ ξ i

 

 

B} i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (ξ ), g(η)

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) ξ ,η

– незалежні, тоді

 

– незалежні, де

f та g борелівські функції.

 

 

 

 

 

 

 

◄ P{ f (ξ ) = u, g(η) = v} = P{ξ = f − (1 u) ,η = g −(1 )v}

= P{ f (ξ ) = u} P{ g( η) = v} ►

 

 

 

 

Додаткові Властивості МС:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нехай: ξ ,η – незалежні дискретні ВВ, ξ ,η

 

– сумовані, тоді їх добуток ξη теж сумовний,

 

та Mξη

=

 

 

Mξ

Mη

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

◄ Mξ Mη = ∑ xi P(Ai )∑ y j P(B j ) = ∑ xi y j P(Ai ) P(B j ) = ∑ xi y j P(Ai IB j ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑ xi y j

 

∑P(w) = ∑ ∑ξ( w) P( w) η( w) = ∑(ξ )w (P )w(η )w ►

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j

w Ai IB j

 

 

 

 

 

i, j w Ai IB j

 

 

 

 

 

 

w Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Використовуючи метод мат. індукції можна отримати Mξ 1ξ 2 ...ξ n

=

Mξ ...Mξ n .

 

 

 

 

Теорема Нехай ξ 1 ,...,ξ n

– незалежні випадкові величини і Mξ i2 <

∞

, тоді

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D ∑ξ i

 

 

= ∑D(ξ i ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

i

 

 

 

 

n

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

i

2

 

 

 

n

 

i

i

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

◄ D

∑

ξ

 

 

 

∑

ξ

− M

 

∑

ξ

 

 

=

M

∑

(ξ

)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= M

 

 

 

 

 

 

 

 

− Mξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

2

+ 2∑( ξ i` −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

2

+ 2∑M( ξ i − Mξ i) (ξ j − Mξ j )

незал.

 

= M

∑(ξ i − Mξ i )

 

Mξ i) (ξ j − Mξ j )

= ∑M (ξ i − Mξ i )

 

=

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j> i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

j> i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑M (ξ i − Mξ i ) 2 = ∑Dξ i ►

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нерівність Чебишова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема Нехай ξ

- в.в., та Dξ

 

- її дисперсія. Тоді має місце нерівність P{

 

ξ − Mξ

 

≥ ε} ≤

Dξ

 

 

 

 

 

 

 

ε 2

 

 

 

 

 

 

Цю нерівність називають нерівністю Чебишова.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,

 

 

x

 

 

≥

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

◄ Введемо χ ε (x) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- характеристичну функцію множини | x |≥ ε . Тоді

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

x

 

<

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P{

 

ξ − Mξ

 

≥ ε} = Mχ ε (ξ − Mξ ) =

1

Mε 2 χ ε (ξ − Mξ ) ≤

 

 

1

M (ξ − Mξ ) 2

χ

ε ( ξ − Mξ) ≤

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

≤

1

M (ξ

 

 

− Mξ ) 2 =

 

D(ξ )

►

 

 

 

ε 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]