Umk_TV_2009__MATAN_2
.pdf
быть [0;1]. Действительно, все значения F(x) принадлежат интервалу [0,1],
(0 |
1 |
1 sin x 1, |
так как sin x [-1;1]). |
|||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
И, наконец, lim |
F(x)=0, |
lim |
F(x)=1. |
|||
|
|
x |
x |
|||
Из всего сказанного следует, что предложенная функция может быть функцией распределения непрерывной случайной величины.
Плотность вероятности найдем из соотношения f(x)=F (x). Заметим, что
F(x) задана разными выражениями в области её определения, следовательно, и f(x) также будет описана разными выражениями на этих интервалах
|
0 |
при x |
|
, |
|
|
||
|
2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
при |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
f(x) = |
1 |
cos x |
x |
, |
||||
|
|
|||||||
2 |
|
2 |
. |
|
2 |
|
||
|
0 |
при x |
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
Построим графики f(x) и F(x) (рис.5.5)
Рис.5.5
Найдем математическое ожидание:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
M[ ]= |
|
xf (x)dx |
2 |
x |
1 |
cos xdx |
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
x sinx |
|
|
||||||||
2 |
2 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Найдем дисперсию:
|
|
|
|
|
|
2 |
|
0 . |
|
sin xdx |
||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
161
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
x M [ ] 2 |
|
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|||||||
D[ ]= |
f (x)dx |
|
x2 |
cos xdx |
x2 sin x |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
1 |
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
2 x cos x |
|
|
cos xdx |
|
|
|
||||||||||||||||
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
2 |
4 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
2 |
|
|
|
2 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
= |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
0,467. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
2 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Среднее квадратическое отклонение
= D η = 
π2 8 0,684. 2
Вероятность попадания в интервал |
|
|
0, |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
2 |
|
|
2 x sin xdx |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 |
|
|
|
2 sin x |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
π |
|
π |
|
|
1 |
|
π |
|
1 |
1 |
sin 0 |
1 |
|
||||
P 0 |
η |
|
|
F |
|
|
F (0) |
|
|
1 |
sin |
|
|
|
|
|
0,25. |
||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
6 |
|
6 |
|
|
2 |
|
6 |
|
2 |
|
|
4 |
|
||||
Пример 5.8. Случайная величина распределена по нормальному закону с плотностью вероятности
|
|
2 |
|
|
2 |
2 |
6х 4.5 . |
f(x)= |
|
|
|
е |
х |
||
|
|
|
|||||
2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Найти её математическое ожидание, дисперсию, среднее квадратическое отклонение, вероятность попадания в интервал [-2;-1]. Построить кривую плотности вероятности этой случайной величины.
Решение
1. По виду формулы плотности вероятности определяем, что случайная величина распределена по нормальному закону, для которого плотность
|
|
1 |
|
е |
x m 2 |
|
вероятности f(x) = |
|
|
2 2 . Приведем заданную функцию к |
|||
|
|
|
||||
|
|
|
||||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
стандартному виду: |
|
|
|
|
||
162
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
х 1.5 2 |
|
f(x)= |
|
2 |
|
е |
2х2 |
6х4.5 |
= |
|
1 |
е |
2 0.5 0.5 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|||||
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||||||
Отсюда следует, что m = -1.5; σ = 0.5. Известно, что параметр m – |
|||||||||||||
математическое ожидание M[ ], |
а σ - среднее квадратическое отклонение σ . |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Следовательно, M[ ] = -1.5, σ =0.5, D [ ] = |
2 =0.25. |
|
|
||||||||||
2. Найдем вероятность попадания заданной случайной величины в интервал [-2,-1]. По свойствам функции распределения вероятность попадания случайной величины в интервал α; β
(α η β) F(β) F(α) ,
где F(x) – функция распределения случайной величины. Для нормально распределенной случайной величины функция распределения F(x) может быть
выражена через её нормированную функцию Ф(х) формулой:
x m |
|
|||
F(x)= Ф |
|
. |
(5.5) |
|
|
||||
|
|
|
||
Функция Ф(х) табулирована (см. табл. В приложения).
Таким образом
|
β m |
|
α m |
|
|||
Р α η β Ф |
|
|
Ф |
|
. |
(5.6) |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||
Для решаемой задачи: α 2, β 1, m 1.5, =0,5 т.е.
|
1 ( 1.5) |
|
2 ( 1.5) |
Ф(1) |
Ф( 1). |
||
Р( 2 η 1) Ф |
|
|
Ф |
|
|
||
|
0.5 |
|
|
0.5 |
|
|
|
Учитывая, что Ф(-х)=1- Ф(х), и найдя в табл.В приложения Ф(1)=0.8413,
получим
Р( 2 -1)=2Ф(1)-1=0,6826.
163
3. Построим кривую плотности вероятности. Для этого на графике построим сначала кривую нормированной плотности вероятности (на рис. 5.6
штриховая линия 1), т.е. φ(x) |
|
1 |
|
|
х2 |
|
|
|
|
е |
2 . Затем сожмем её по оси ординат и |
||
|
|
|
||||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
растянем по оси абсцисс в σ раз (т.е. максимум увеличится в два раза).
Получим пунктирную линию 2. И, наконец, сдвинем по оси абсцисс на величину m влево, т.е. в данном случае максимум графика будет в точке х=-1,5.
Окончательный результат на рисунке изображен сплошной линией.
Рис. 5.6
Пример 5.9. Найти математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение случайной величины, распределенной по нормальному закону,
если P{X>60}=0,98 и P{X<90}=0,84.
Решение. Для определения искомых числовых характеристик следует найти параметры распределения предлагаемой случайной величины, так как для нормально распределенной случайной величины математическое ожидание совпадает с параметром m, а среднее квадратическое отклонение с параметром
σ. Для этого воспользуемся формулой, выражающей вероятность попадания случайной величины в данные в условиях интервалы через функцию распределения. Преобразуем задания в условии задачи равенства:
из P{x>60}= 0,98 получим р{х 60} = 1- р(х>60) = 1-0,98. Отсюда
164
P{x 60}=0,02.
По формуле (5.5) преобразуем левую часть , получим
F(60)= Ф( 60 m )= 0,02.
Теперь по таблицам Ф(х) (табл. В приложения) необходимо найти значение х,
при котором Ф(х) равняется 0,02. Такого значения в таблице нет, это означает,
что искомое значение – отрицательное. Используя формулу |
|
|||||
|
|
Ф(-х)= 1-Ф(х), |
(5.7) |
|||
можно записать |
|
|
|
|
|
|
Ф( |
60 m |
)= 1-Ф( |
m 60 |
)= 0,02, |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
т.е. Ф( m 60 )= 0,98.
По табл.В приложения находим, что Ф(х)= 0,98 соответствует
значению х=2,056, т.е. m 60 = 2,056.
Таким образом |
m-2.056 =60. |
|
|
|||||
Из второго |
условия следует P{X<90}=F(90)=Ф( |
90 m |
) = |
|||||
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приложения |
|
находим |
аргумент |
для значения |
функции |
|||
|
90 m |
=0,995 |
, |
отсюда |
m+0,995 |
σ =90. Таким |
образом |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уравнений относительно параметров m и σ:
m 2.056 60,m 0,995 90
Находим из системы искомые параметры: 3,051 σ m=60+2,05 9,83 80,15.
Итак, =80,15, а σ =9,83.
0,84 ; по табл. В
0,84 и получаем получаем систему
=30, |
σ 9,83, |
Элементы математической статистики
165
Перед тем как приступить к решению второй половины третьей задачи,
следует изучить такие понятия, как: выборка, случайные числа; случайные
числа распределенные по определенному закону; эмпирические
(экспериментальные) ряд и функция распределения; оценки параметров распределения; метод жребия моделирования дискретной величины; критерии Пирсона оценки достоверности гипотезы; доверительные вероятности и интервалы. Следует разобрать примеры 5.10, 5.11.
Коротко рассмотрим, в чем заключается метод жребия моделирования дискретной случайной величины. Пусть событие А может произойти с вероятностью р, и пусть очередное значение случайного числа – ri (случайное число – значение непрерывной случайной величины, равномерно распределенной в интервале [0,1]). Если ri р , то оно принадлежит интервалу
0, p , поэтому считаем, что событие А наступило. Если ri р, то считается, что
событие А не наступило.
Поскольку значения случайной величины ни что иное как случайные
события, процедура моделирования дискретной случайной величины с
заданным законом распределения аналогична моделированию случайного события.
Пусть дискретная случайная величина задана теоретическим
рядом распределения.
|
х1 |
х2 |
х3 |
… |
хn |
|
|
|
|
|
|
pi |
р(х1) |
р(х2) |
р(х3) |
… |
р(хn) |
|
|
|
|
|
|
Присваиваем случайной величине значение х1, если значение случайного числа ri p(х1), значение х2, если p(х1)<ri p(х1)+p(х2), т.е. в общем случае, если
m 1 |
p(хi) r j |
m |
, то случайной величине присваивается значение хm . |
|
p xi |
||
i 1 |
|
i 1 |
|
|
Пример |
5.10. Дискретная случайная величина задана рядом |
|
распределения, приведенным в табл. 5.3.
166
|
|
|
|
Таблица 5.3 |
|
|
|
|
|
|
|
хi |
0 |
5 |
10 |
|
15 |
|
|
|
|
|
|
pi |
0.6189 |
0.0896 |
0.2547 |
|
0.0368 |
|
|
|
|
|
|
1. Построить модель этой случайной величины для партии из 25 приборов
(методом жребия получить её 25 значений); найти экспериментальные ряд и
функцию распределения, построить их графики.
2. Найти оценки математического ожидания, дисперсии и среднего
квадратического отклонения.
3. С помощью критерия Пирсона оценить соответствие
экспериментального распределения теоретическому при уровнях значимости
1=0.01, 2= 0.05.
Решение. 1. Приступим к построению модели данной случайной величины. Этот процесс будем осуществлять методом жребия с помощью случайных чисел rj, т.е. значений случайной величины равномерно распределенной в интервале 0,1 . Эти значения приведены в табл.Д
Приложения. Моделируемые |
значения |
случайной величины обозначим Zj |
(j = 1, 2, …, 25). Заметим, что |
каждое |
из них следует рассматривать как |
случайную величину. |
|
|
Для рассматриваемой случайной |
величины правило моделирования |
|
заключается в том, чтобы определить какое значение будет принимать случайная величина в зависимости от попадания случайного числа в интервал.
примет значение:
0, если rj 0.6189,
5, если 0.6189 rj <0.7085,
10, если 0.7085 rj < 0.9631,
15, если ri = 0.9631.
Для удобства использования правило можно свести в табл. 5.4 или изобразить на рис. 5.7.
Таблица 5. 4
167
|
Интервал |
zj |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z=0 |
|
|
Z=5 |
|
|
Z=10 |
|
Z=15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0;0.619 |
0 |
0 |
0.619 |
|
|
0.70 |
0.963 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
2 |
0.619; 0.708 |
5 |
1.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ri |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.7 |
|
|
|
|||||
3 |
0.708; 0.963 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
0.963; 1.000 |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Замечание. Поскольку в табл. 5.4 даны только 2 знака мантиссы, |
||||||||||||||
значения границ интервалов округлили до трех знаков после запятой. |
|||||||||||||||
|
Приступая к моделированию , |
возьмем |
первое |
число |
|
из табл. Д |
|||||||||
Приложения. Для того, чтобы начало было случайным, воспользуемся днем рождения решающего задачу. Допустим, он родился 9 марта. Поэтому начнем с
9-й строки 3-го столбца. Это число 67, следовательно, r1 = 0.67, оно принадлежит второму интервалу 0.619;0.708 , поэтому х1 = 5. Таким образом,
найдена стоимость ремонта первого прибора. Аналогично моделируются стоимости остальных приборов. Далее случайные числа будем выбирать двигаясь, например, по строкам влево или вправо. Второе число 43, т.е. r2 = 0.43,
оно из интервала 0;0.619 , поэтому х2=0. Сведем процесс нахождения реализаций в табл. 5.5.
|
|
|
|
|
Таблица 5.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
rj |
zj |
j |
rj |
|
zj |
1 |
0.67 |
5 |
13 |
0.35 |
|
0 |
2 |
0.43 |
0 |
14 |
0.98 |
|
15 |
3 |
0.97 |
15 |
15 |
0.95 |
|
10 |
4 |
0.04 |
0 |
16 |
0.11 |
|
0 |
5 |
0.43 |
0 |
17 |
0.68 |
|
5 |
6 |
0.62 |
5 |
18 |
0.77 |
|
10 |
7 |
0.76 |
10 |
19 |
0.12 |
|
0 |
8 |
0.59 |
0 |
20 |
0.17 |
|
0 |
9 |
0.63 |
5 |
21 |
0.17 |
|
0 |
10 |
0.57 |
0 |
22 |
0.68 |
|
5 |
11 |
0.33 |
0 |
23 |
0.33 |
|
0 |
12 |
0.21 |
0 |
24 |
0.73 |
|
10 |
|
|
|
25 |
0.79 |
|
10 |
168
Найдем экспериментальный ряд распределения, для чего подсчитаем частоты mi, равные числу приборов с данной стоимостью ремонта, т.е. числу появлений значений хj, вычислим их относительные частоты, т.е. оценки
вероятностей р*i |
= pi |
mi |
, и занесем результаты в табл. 5.6. |
|
|||
|
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.6 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi |
|
0 |
5 |
|
10 |
|
15 |
|
|
mi |
|
13 |
5 |
|
5 |
|
2 |
|
25 |
* |
|
0.52 |
0.20 |
|
0.20 |
|
0.08 |
|
1.00 |
р i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Найдем экспериментальную функцию распределения F*(х)= |
pi* : |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
х хi |
|
|
|
|
0 |
при х 0, |
|
|
|||
|
|
|
0.52 |
при 0 х 5, |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F*(х)= 0.72 |
при 5 х 10, . |
|
|
|||
|
|
|
0.92 |
при 10 х 15, |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при х |
15 |
|
|
||
|
|
|
1.00 |
|
|
||||
Построим экспериментальные многоугольник распределения и функцию распределения (рис. 5.8). Для наглядности сравнения теоретической и экспериментальной кривых построим штриховыми линиями теоретические кривые.
169
Рис. 5.8
2. Найдем оценки числовых характеристик. Для вычисления оценок математического ожидания, дисперсии и среднего квадратического отклонения воспользуемся формулами:
k
m* xi рi ,
i 1
где k – число различных значений случайной величины;
D k xi m* 2
i 1
или
D * η M * η2 m* 2
рi
k |
m* 2 . |
хi2 рi |
|
i 1 |
|
(5.8)
(5.9)
(5.10)
Поскольку формулы (5.9) и (5.10) дают смещенную оценку дисперсии,
несмещенную оценку найдем по формуле
170
