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

Umk_TV_2009__MATAN_2

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
16.02.2016
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

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