3. ВИПАДКОВІ ВЕЛИЧИНИ

3.1. Випадкові величини. Функції розподілу. Числові характеристики випадкових величин.

Випадковою величиною зветься дійсна функція , яка визначена на множині елементарних подій і така, що при довільному дійсному множина тих , для яких належить алгебрі подій для даного експерименту. Функція дійсної змінної х, , яка визначається формулою

, (3.1)

зветься функцією розподілу випадкової величини та має наступні властивості:

1) ;

2) ;

3) , якщо ;

4) ; .

Якщо - дискретна випадкова величина, яка приймає значення , , ... з ймовірностями , , ..., то функція розподілу має вигляд

, (3.2)

де сумуються ймовірності тих значень , які менші . Якщо - неперервна випадкова величина із щільністю розподілу , то функція розподілу має вигляд

. (3.3)

Щільність розподілу ймовірностей має такі властивості:

1) ;

2) ;

3) ;

4) .

Неперервна випадкова величина задається або функцією розподілу , або щільністю ймовірностей . Рядом (або законом) розподілу дискретної випадкової величини називають таблицю вигляду

				...
				...

Тут - можливі значення ;

, .

Випадкові величини, крім законів розподілу, можуть також описуватися числовими характеристиками, серед яких розрізняють характеристики положення (математичне сподівання, мода, медіана та інші) та характеристики розсіювання (дисперсія, середнє квадратичне відхилення, різні моменти розподілу вищі першого та інші).

Математичним сподіванням називається дійсне число, яке визначається в залежності від типу випадкової величини формулою

якщо - дискретна випадкова величина; (3.4)

якщо - неперервна випадкова величина. (3.5)

Основні властивості математичного сподівання:

1) , де ;

2) , де ;

3) , де - незалежні випадкові величини;

4) .

Модою неперервної випадкової величини називається число , яке визначається як точка максимуму щільності розподілу ймовірностей .

Мода дискретної випадкової величини визначається як таке можливе значення , для якого .

Медіаною неперервної випадкової величини називається число , яке задовольняє умові: , або .

Дисперсією випадкової величини називається число , яке визначається формулами:

, якщо - дискретна випадкова величина; (3.6)

, якщо - неперервна випадкова величина. (3.7)

Основні властивості дисперсії:

1) ;

2) , де ;

3) , де ;

4) _;

₅₎ .

Невід’ємне число називається середньоквадратичним відхиленням випадкової величини . Воно має розмірність випадкової величини та визначає деякий стандартний інтервал розсіювання.

Початковим моментом -го порядку розподілу випадкової величини називається дійсне число

, якщо - дискретна випадкова величина; (3.8)

, якщо - неперервна випадкова величина. (3.9)

Центральним моментом -го порядку розподілу випадкової величини називається дійсне число , яке визначається формулою

---

, якщо - дискретна випадкова величина; (3.10)

, якщо - неперервна випадкова величина. (3.11)

Центральні моменти виражаються через початкові моменти за формулами:

; (3.12)

; (3.13)

. (3.14)

Відмітимо ще дві важливі характеристики розподілу, зв’язані з моментами вищих порядків:

- коефіцієнт асиметрії або скошеності розподілу; (3.15)

- коефіцієнт ексцесу або “гостровершинність” розподілу. (3.16)

3.2. Основні закони розподілу.

Якщо проводяться незалежних дослідів, в кожному з яких подія з’являється з ймовірністю , то ймовірність того, що в даній серії дослідів подія з’явиться рівно разів, виражається формулою Бернуллі:

, (3.17)

або позначаючи

, (3.18)

Дискретна випадкова величина називається розподіленою за біноміальним законом, якщо її можливі значення , а відповідні їм ймовірності

, (3.19)

де , , .

Для випадкової величини , яка має біноміальний розподіл

, . (3.20)

Випадкова величина називається розподіленою за законом Пуассона з параметром , якщо її можливі значення , а відповідні ймовірності визначаються формулою

, (3.21)

де .

Розподіл Пуассона залежить від одного параметра. Для випадкової величини , розподіленою за законом Пуассона

(3.22)

Розподіл Пуассона може бути одержаний з біноміального розподілу шляхом граничного переходу при , , при умові і в цьому випадку інтерпретується як закон “рідкісних” явищ.

Неперервна випадкова величина називається розподіленою рівномірно на відрізку , якщо її щільність розподілу ймовірностей постійна на даному відрізку

(3.23)

Рівномірний розподіл реалізується в експериментах, в яких навмання ставиться точка на відрізку , а також в експериментах по вимірюванню тих чи інших фізичних величин з округленням.

; ; . (3.24)

Неперервна випадкова величина називається розподіленою за показниковим законом з параметром , якщо її щільність розподілу ймовірностей задається формулою

(3.25)

Математичне сподівання, дисперсія та середньоквадратичне відхилення величини , яка має показниковий розподіл, дорівнює відповідно:

; ; . (3.26)

Неперервна випадкова величина називається розподіленою за нормальним (Гаусовим) законом з параметрами та , якщо її щільність розподілу ймовірностей має вигляд

, . (3.27)

Параметри та співпадають з основними характеристиками розподілу:

; . (3.28)

Якщо розподілена за нормальним законом з та , то вона називається стандартизованою нормальною величиною. Її функція розподілу

, (3.29)

де

(3.30)

називається функцією Лапласу.

За її допомогою можна обчислювати ймовірність попадання випадкової величини в інтервал :

(3.31)

Функція Лапласа має такі властивості:

; ; (3.32)

Таблиця функції Лапласа наведена у додатку 1?2?.

Для ймовірності попадання у симетричний відносно математичного сподівання інтервал справедлива формула

. (3.33)

Нормальний розподіл виникає тоді, коли величина утворюється у результаті підсумовування великого числа незалежних випадкових доданків.

---

3.3. Закон великих чисел та граничні теоремі теорії ймовірностей.

Наступні твердження і теореми складають зміст групи законів, об’єднаних спільною назвою закон великих чисел.

Нерівність Чебишова. Для будь-якої випадкової величини , яка має скінчену дисперсію, та для будь-якого числа має місце нерівність

. (3.34)

Цю нерівність можна записати в іншому вигляді:

. (3.35)

Теорема Чебишова. (закон великих чисел).

Якщо випадкові величини попарно незалежні, а їх дисперсії обмежені , то яке б не було

. (3.36)

Іншими словами, при виконанні сформульованих умов послідовність середніх арифметичних випадкових величин збігається за ймовірністю до середнього арифметичного їх математичних сподівань.

Центральна гранична теорема має різні форми, з яких наведемо одну.

Теорема (центральна гранична теорема).

Якщо випадкові величини попарно незалежні, однаково розподілені та мають скінчені дисперсії, то при для будь-якого дійсного

, (3.37)

де , , .

Іншими словами, сума незалежних випадкових величин розподілена асимптотично нормально.

Якщо - середнє арифметичне, то

, . (3.38)

(3.39)

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ

Приклад 3.1. Маємо 7 радіоламп, серед яких 3 несправні, які на вигляд не можна відрізнити. Навмання беруться 4 радіолампи і вставляють у 4 патрона. Знайти закон розподілу, функцію розподілу, математичне сподівання, дисперсію та середньоквадратичне відхилення числа радіоламп , які будуть працювати.

Розв’язання: Випадкова величина - число працюючих радіоламп. Вона може приймати значення 1,2,3,4 з ймовірностями

; ; ; .

Закон розподілу випадкової величини має вигляд

	1	2	3	4

Математичне сподівання

.

Дисперсія

.

Середньоквадратичне відхилення

.

Приклад 3.2. Дана функція . Визначити при якому значенні буде являтися щільністю ймовірностей неперервної випадкової величини, функцію розподілу , ймовірність попадання випадкової величини в інтервал , математичне сподівання випадкової величини.

Розв’язання: Скористуємося властивістю функції щільності ймовірностей . Для нашої задачі .

.

.

Приклад 3.3. Ймовірність відмови кожного приладу при випробуваннях не залежить від відмов інших приладів та дорівнює 0,2. Випробувано 5 приладів. Випадкова величина - число приладів, які відмовили за час випробувань. Побудувати закон розподілу цієї випадкової величини. Знайти математичне сподівання, моду, дисперсію та середньоквадратичне відхилення.

Розв’язання: Випадкова величина - число приладів, які відмовили, підпорядковується біноміальному розподілу за формулою Бернуллі (3.18). Заповнимо таблицю

Випадкова величина	0	1	2	3	4	5
Ймовірність випадкової величини	0,3277	0,4096	0,2048	0,0512	0,0064	0,0003

---

, , .

Мода .

Приклад 3.4. При випробуванні легованої сталі на вміст вуглецю ймовірність того, що у випадково відібраній пробі відсоток вуглецю перевищить припустимий рівень, дорівнює . Вважаючи придатним закон рідкісних явищ, обчислити скільки в середньому необхідно випробувати зразків, щоб з ймовірністю вказаний ефект спостерігався принаймні разів (розглянути випадок ).

Розв’язання: До цієї задачі можна застосувати закон Пуассона (3.21), де . Ймовірність того, що випадкова величина з’явиться принаймні разів, знаходиться за формулою:

.

У випадку

.

Простіше розглянути ймовірність протилежної події:

.

Тоді

;

; ;

.

Отже треба випробувати кількість зразків , щоб вказаний ефект спостерігався не менше одного разу.

Приклад 3.5. При роботі комп’ютера у випадкові моменти виникають несправності. Час роботи комп’ютера до першої несправності розподілений за показниковим законом з параметром (3.25). При виникненні несправності вона миттєво виявляється та комп’ютер поступає в ремонт. Ремонт продовжується час , після чого комп’ютер знову включається в роботу. Знайти щільність та функцію розподілу проміжку часу між двома сусідніми несправностями. Знайти його математичне сподівання та дисперсію. Знайти ймовірність того, що буде більше .

Розв’язання:

;

; ; .

Приклад 3.6. Бракування кульок для підшипників проводиться наступним чином: якщо кулька не проходить через отвір діаметру , але проходить через отвір діаметру , то його розмір вважається припустимим. Якщо яка-небудь з цих умов не виконується, то кулька бракується. Відомо, що діаметр кульки є нормально розподілена випадкова величина з характеристиками: та . Визначити ймовірність того, що кулька буде забракована.

Розв’язання: Інтервал симетричний відносно . За формулою (3.33), покладаючи , знаходимо ймовірність того, що кулька буде забракована:

.

Звідси

.

Приклад 3.7. Автомат виготовляє підшипники, які вважаються придатними, коли відхилення деякого параметру від істинного розміру за модулем не перевищує 0,8 мм. Яке найймовірніше число придатних підшипників із сотні, якщо розподілений нормально з  мм? Провести оцінку за допомогою нерівності Чебишова та порівняти з точним результатом.

Розв’язання: За нерівністю Чебишова (3.35)

.

Тоді найбільш ймовірне число придатних підшипників із сотні буде більше ніж 100*0,75=75 підшипників.

Оскільки розподілений нормально, то

або

.

Найбільш ймовірне число придатних підшипників із ста буде 100*0,954=95,4, тобто 96 підшипників. Цей результат не суперечить тій оцінці, яка одержана за нерівністю Чебишова.

Приклад 3.8. Проводиться вибіркове обстеження партії електроламп для визначення середньої тривалості їх горіння. Який повинен бути об’єм вибірки, щоб з ймовірністю не менше 0,9876 стверджувати, що середня тривалість горіння лампи в цій партії відхиляється від середнього, отриманої у вибірці, не більш ніж на 10 годин, якщо середнє квадратичне відхилення тривалості горіння лампи дорівнює 80 годин? Задачу розв’язати за допомогою теореми Чебишова та центральної граничної теореми.

---

Розв’язання: За теоремою Чебишова (3.36), при ; ; , отримаємо

; ;

Отже за теоремою Чебишова об’єм вибірки .

За центральною граничною теоремою

.

Для нашої задачі

,

.

У таблиці значень функції Лапласа знаходимо, що , при , тобто ; . Отже, об’єм вибірки виробів.

---

Смотрите также файлы

• теорвер нов 2я часть.doc

• Большой цитатник Трёпы.doc

• Курсовая.doc

• № 3 учебная программа.doc

• МЕОДЫ.doc