- •Теория вероятностей § 1. Основные понятия
- •§ 2. Последовательные испытания. Формула бернулли
- •§ 3. Случайные величины
- •§4. Числовые характеристики случайных величин
- •§ 5. Законы больших чисел
- •§ 6. Теоремы ляпунова и лапласа
- •Приложение теории вероятностей к обработке результатов измерений
- •Применение теории вероятностей к статистике
- •Элементы теории корреляций
- •Приложение
- •Значения функции
- •Значения функции
§ 6. Теоремы ляпунова и лапласа
1. Теорема Ляпунова. Часто приходится иметь дело с такими случайными величинами, которые являются суммами большого числа независимых случайных величин. При некоторых весьма общих условиях оказывается, что эта сумма имеет распределение, близкое к нормальному, хотя каждое из слагаемых может не подчиняться нормальному закону распределения вероятностей. Эти условия были определены Ляпуновым16 и составляют содержание теоремы, названной его именем.
Приведем без доказательства только следствие из теоремы Ляпунова.
Пусть
x1,
x2,
… xn,
…,
– последовательность
попарно независимых случайных
величин с математическими ожиданиями
М(i)
= ai,
и
дисперсиями
,
причем эти величины обладают следующими
свойствами:
1).
cуществует
такое число L,
что для любого i
имеет место неравенство
,
т.
е. все значения случайных величин, как
говорят, равномерно ограничены
относительно математических ожиданий;
2) сумма
неограниченно растет при п
∞.
Тогда при достаточно большом п сумма ξ1 + ξ2 + … + ξn имеет распределение, близкое к нормальному.
Пусть а и σ2 – математическое ожидание и дисперсия случайной величины ξ = ξ1 + + ξ2 + … + ξn. Тогда
a
= M(ξ)
= M(ξ1
+ ξ2
+ … + ξn)
= M(ξ1)
+ M(ξ2)
+ … +
M(ξn)
=
,
σ2
= D(ξ)
= D(ξ1
+ ξ2
+ … + ξn)
= D(ξ1)
+ D(ξ2)
+ … +
D(ξn)
=
.
Так как по следствию из теоремы Ляпунова случайная величина ξ для больших значений п имеет распределение, близкое к нормальному, то согласно формуле (32) имеет место соотношение
(56)
где Ф (х) — интеграл вероятностей.
2. Основной закон ошибок. Когда мы производим некоторое измерение, то на его результат влияет большое количество факторов, которые порождают ошибки измерений. Ошибки измерений в основном можно подразделить на три группы: грубые, систематические и случайные.
Грубые ошибки возникают от невнимательности при чтении показателей прибора, неправильной записи показаний, неправильном, использовании прибора. Эти ошибки могут быть исключены соблюдением правил измерения.
Систематические ошибки искажают обычно результат измерения в определенную сторону. Они происходят, например, от несовершенства приборов, от личных качеств наблюдателя и могут быть устранены соответствующими поправками.
Случайные ошибки вызываются большим числом отдельных причин, не поддающихся точному учету и действующих в каждом отдельном случае различным образом. Эти ошибки возникают от незаметных механических причин, из-за изменения параметров измерительных приборов, зависящих от метеорологических условий, и т. д. Каждая из этих причин в отдельности порождает при измерении ничтожную ошибку vi. Складываясь, эти ничтожно малые ошибки порождают суммарную ошибку v = ∑vi, которой уже нельзя пренебречь. Эта суммарная ошибка v есть случайная величина, являющаяся суммой достаточно большого числа незначительных, независимых друг от друга случайных величин и имеет, согласно следствию из теоремы Ляпунова, нормальное распределение. Предполагая измерение свободным от грубых и систематических ошибок, можно считать, что возможный результат измерения есть случайная величина ξ, математическое ожидание которой равно истинному значению а измеряемой величины: М(ξ) = а (см. §5, п.2). Так как суммарная ошибка v = ξ – a подчиняется нормальному закону распределения, то возможный результат измерения ξ = a + v также подчиняется нормальному закону распределения (см. §4, п.3). В этом заключается основной закон ошибок.
3. Интегральная теорема Лапласа. Имеет место следующее утверждение.
Теорема.
Пусть
производится п независимых опытов, в
каждом из которых вероятность наступления
события А одна и та же и равна р (р
≠ 1,
р
≠ 0).
Пусть т – число появлений события А в
п опытах. Тогда для достаточно больших
п случайная величина т имееm
распределение, близкое к нормальному
с параметрами а = М(т) = пр,
Доказательство.
Пусть ξ – число наступлений события А
в i-м
опыте. Тогда ai=
= M(ξi)
= p,
(см.
§4, п.2, пример
2).
Так как ξi
может принимать только два значения 0
и 1, то для любого i
имеем
|ξi
– ai|
= |
ξi
– р|
≤ |ξi|
+ |p|
≤ 1
+ 1 = 2. Кроме того, величина
стремится
к бесконечности при n
→ ∞.
Итак, последовательность случайных
величин x1,
x2,
… xn
удовлетворяет условиям следствия из
теоремы Ляпунова. Поэтому сумма этих
величин m
= ξ1
+ ξ2
+ … + ξn
для достаточно больших п
имеет
распределение, близкое к нормальному,
что и требовалось доказать.
Вычислим
вероятность того, что случайная величина
т,
т.
е. число наступлений события А
в
п
опытах,
удовлетворяет неравенствам x1
< m<
x2,
где х1
и
х2
– данные
числа. Так как а
= М(т)
= пр,
σ = σ(m)
=
(см.
§4, п.2, пример 2), то согласно формуле (32)
получим
, (57)
где Ф (х) — интеграл вероятностей.
Пример. При установившемся технологическом режиме завод выпускает в среднем 70% продукции первого сорта. Определить вероятность того, что из 1000 изделий число первосортных заключено между 652 и 760.
Решение.
Здесь р
= 0,7; q=1
– р
= 0,3, п =
1000, пр =
0,7∙1000 = 700, npq
=1000∙0,7∙0,3 = 210,
=
≈
14,49. Используя формулу (57) и значения
интеграла вероятностей из табл. 2
Приложения, получим
Р(652 < m < 760) ≈ Ф[(760 – 700)/14,49] – Ф[(652 – 700)/14,49] = Ф(4,14) – Ф(–3,31) = Ф(4,14) + Ф(3,31) =
= 0,49997 + 0,49948 = 0,99945.
