Лекция 6. Интегральная теорема муавра–лапласа, теорема бернулли

Для вычисления при больших n вероятности того, что число успехов в n испытаниях Бернулли находится между m₁ и m₂ , используется интегральная теорема Муавра–Лапласа.

Интегральная теорема Муавра – Лапласа. Если вероятность успеха в каждом испытании р, p(0;1) постоянна, то при n   для любых a, b

.

На основании интегральной теоремы Муавра–Лапласа для вычисления вероятности события при больших n и npq 9 используют приближенную формулу

где .

Значения можно найти, воспользовавшись таблицами функции Лапласа , покажем это:

= ,

т.е. при больших n,

Ф(b) – Ф(а). (1)

Значения функции Лапласа приведены в таблицах для х  0. Для того, чтобы вычислить значения функции для отрицательных х, надо воспользоваться следующей теоремой.

Теорема. Ф(x) + Ф(-x) = 1.

Д оказательство: (x) – чётная, так как (x) = (-x). Тогда (рис.1).

-х х

Рис. 1

Следовательно, по интегральной теореме Муавра–Лапласа

.

В некоторых источниках Ф(х) определяется как .

В этом случае Ф(–x) = –Ф(x).

Событие m₁  m  m₂ эквивалентно событию .

Поэтому, учитывая (1) для вычисления вероятности того, что число успехов в n испытаниях Бернулли заключено в пределах от m₁ до m₂ , можно использовать формулу

, (2)

где , .

Формула (2) хорошо работает, если n < 50. При больших значениях n лучше взять

и .

Обозначим через  вероятность того, что относительная частота наступления успеха в n испытаниях Бернулли отклонится от вероятности успеха p не более чем на   0, т.е. . Покажем, что при достаточно больших n с помощью интегральной теоремы Муавра–Лапласа можно определить вероятность .

Следовательно, получим

(3)

Формула содержит четыре параметра: n, p, , . Если известны любые 3, то можно определить четвертый параметр.

Если известны , , то n можно найти по формуле

(4)

где – это квадрат числа х_, такого, что Ф(х) = .

Теорема Бернулли. Пусть m – число успехов в n испытаниях по схеме Бернулли, вероятность успеха в каждом испытании равна p, тогда

>0, .

Доказательство.

Задача 1. Вероятность того, что случайно выбранный прибор нуждается в дополнительной настройке, равна 0,05. Если при выборочной проверке партии приборов обнаруживается, что не менее 6 % отобранных приборов нуждаются в регулировке, то вся партия возвращается для доработки. Определить вероятность того, что партия будет возвращена, если для контроля из партии выбрано 500 приборов.

Решение. Партия будет возвращена, если число отобранных приборов, нуждающихся в настройке, будет больше 6%, т.е. m₁ = 500  6/100 = 30. Далее: p = 0,05: q = 0,95; np = 25; 4,87. За успех считаем, если прибор требует дополнительной настройки.

Применим интегральную теорему Муавра–Лапласа.

Задача 2. Определить, сколько надо отобрать изделий, чтобы с вероятностью 0,95 можно было утверждать, что относительная частота бракованных изделий будет отличаться от вероятности их появления не более чем на 0,01.

Решение. Для решения задачи выберем в качестве математической модели схему Бернулли и воспользуемся формулой (4). Надо найти такое n, чтобы выполнялось равенство (4), если  = 0,01,  = 0,95, вероятность р неизвестна.

Ф(х_) = (1 + 0,95) / 2 = 0,975. По таблице приложения найдем, что х_ = 1,96. Тогда по формуле (4) найдем n = ¼  1,96²/0,01² = 9600.