6. Независимые повторные испытания. Схема Бернулли. Предельные теоремы Муавра - Лапласа. Теорема Пуассона.
В настоящей главе мы изучим основные закономерности, относящиеся к одной из важнейших схем теории вероятностей – схеме последовательных независимых испытаний с двумя исходами. Подробное исследование таких испытаний имеет большое теоретическое и практическое значение.
Пусть
многократно проводится некоторый
эксперимент, в результате которого
может произойти только событие А
или противоположное ему событие А,
причем вероятность появления события
А
в каждом эксперименте не зависит от
результатов предыдущих испытаний и
равна p
(0 <p<
1). Тогда вероятность появления в каждом
эксперименте противоположного события
,
очевидно, равна q
= 1-p.
Такая схема проведения испытаний была
впервые изучена Я. Бернулли и поэтому
называется схемой
Бернулли.
Допустим,
что эксперимент проведен n
раз. Вычислим вероятность
того,
что при n
испытаниях
событие А
наступит ровно m
раз (а остальные (n–m)
раз наступит событие
.
Сначала выберем m
испытаний из проведенных n
и зафиксируем их номера. Вероятность
того, что при этих m
испытаниях произошло событие А,
а в остальных (n–m)
испытаниях - событие
,
согласно теореме умножения для независимых
испытаний, равна
.
Согласно
теореме сложения вероятностей, искомая
вероятность
равна
сумме только что вычисленных вероятностей
для всех различных способов выбора m
испытаний из n.
Но число способов выбрать m
испытаний из n,
как известно из комбинаторики, равно
.
Следовательно,
=![]()
.
(6.1)
Пример 6.1. Подбрасываем монету 10 раз. Найдем вероятность двукратного появления герба.
В
нашем случае
,
,
,
.
Согласно формуле (6.1)
.
Из
формулы (6.1) легко заметить, что
,
и
т.д. Кроме того, вероятность появления
события А
в n
испытаниях хотя бы один раз равна
.
Вероятность
того, что событие А
при проведении независимых испытаний
в условиях схемы Бернулли наступит не
менее k1
раз и не более k2
раз, обозначается
и
вычисляется по формуле
.
Пример 6.2. Вероятность попадания стрелка в цель при одном выстреле равна 0,8. Допустим, что он стреляет по цели 6 раз. Найдем вероятность того, что стрелок попал в цель не менее четырех раз.
По
условию задачи
,
,
.
Искомая вероятность равна
.
Применяя три раза формулу (6.1), находим
,
,
.
Поэтому
.
Поскольку в n испытаниях событие А может произойти 0 раз или 1 раз или 2 раза … или n раз, причем перечисленные случаи включают в себя все возможности и несовместны между собой, то очевидно, что
.
Последнее
соотношение может быть также получено
с использованием формулы бинома Ньютона.
Легко заметить, что вероятность
равна
коэффициенту при xm
в разложении бинома
по
степеням x.
В силу этого свойства совокупность
вероятностей
называют
биномиальным
законом распределения вероятностей.
Отметим одно важное свойство биномиального распределения.
При
фиксированном значении n
вероятность
с
увеличением m
сначала возрастает, затем достигает
своего максимального значения и при
дальнейшем росте m
убывает.
Докажем
это свойство. Из формулы (6.1) легко
получить соотношение
.
Тогда
,
если
,
т.е. если
.
,
если
,
и
,
если
.
Значение
m0
,
при котором вероятность
принимает
наибольшее значение, называется
вероятнейшим
(или наиболее вероятным) значением.
Как следует из предыдущих оценок,
вероятнейшее значение удовлетворяет
неравенству
.
Учитывая, что q = 1 - p, последнее неравенство можно переписать в виде
.
(6.2)
Если
является
целым числом, то наиболее вероятных
значений два:
и
.
Пример 6.3. В условиях примера 6.2 найдем вероятнейшее значение числа попаданий стрелка.
В
этом примере
,
,
.
Поэтому в силу неравенства (6.2),
.
Это означает, что при данных условиях
наиболее вероятное число попаданий
равно пяти.
Пример 6.4. Пусть стрелок стреляет по цели 50 раз, а вероятность попадания стрелка в цель при одном выстреле равна 1/3. Вычислим наиболее вероятное число попаданий.
Применяя
формулу (6.2), имеем
.
Значит, вероятнейших значений два.
Вероятнее всего, что в данных условиях
стрелок попадет в цель 16 или 17 раз.
В
условиях схемы Бернулли вычисления
вероятности по формуле (6.1) удобны только
при достаточно маленьких значениях m
и n.
При больших значениях m
и n
вычисление
представляет
значительные трудности, главным образом,
из-за сложности подсчета факториалов
в формуле числа сочетаний. Поэтому
возникает необходимость в приближенных
формулах, позволяющих с достаточной
степенью точности определять эти
вероятности. Впервые формула такого
рода была найдена Муавром в 1730 году для
частного случая схемы Бернулли при
,
а затем обобщена Лапласом на случай
произвольного p,
отличного от 0 и 1. Эта формула получила
название локальной теоремы Муавра -
Лапласа.
