Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
88
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
178.19 Кб
Скачать

Теория вероятностей.

  1. Алгебра событий.

Случайный или стохостический эксперимент - это идеальный эксперимент, который может быть повторен в неизменных условиях сколь угодно раз.

Пространство элементарных исходов.

1, 2,...,n - элементарные исходы. {1, 2,...,n}= - пространство элементарных исходов. ={Р, Г} - для монеты (решка и герб). ={1,2,3,4,5,6} - для кубика. ={Г, РГ, РРГ,...} - счетное пространство элементарных исходов (когда монету подбрасываешь до первого появления герба). Конечные и счетные пространства - дискретные постранства. =континууму - континуальное пространство элементарных исходов. Событием наз-ся А. А - выпадение четного числа: А={2,4,6}. ={четная,нечетная}, В()=А - мн-во событий. А={, ,...}. Алгеброй наз-ся любое мн-во, в котором определены две операции: сложение, умножение, причем умножение коммутативно и сущ-ет для А элемент ЕА: АЕА=А. ЕА=А либо ЕА=.

Пустое мн-во - не возможное событие. - событие={1,...} - достоверное событие. А1А21А2, А121А2, АВ - А влечет В. Если А1А2=, тогда А1 и А2 - несовместны. - противоположное событие. ={: А}, А-В=А\В. Подбрасывание 2 монет сразу: ={РР, РГ, ГР, ГГ}, n(А)=n(А)/n - частота событий, где n - число экспериментов. Пусть на мн-ве задана р: i р(i):

  1. i 0p(i)1

  2. p(i)=1.

Классическое вероятностное пространство: 1) = n, ={1, 2,..., n},

  1. элементарные исходы равновероятны: np(i)= p(i)= 1 p(i)= 1/n. - конечное мн-во; А, р(А)=р(i) - вероятность:

  1. 0р(А)1

  2. р()=0, р()=1

  3. р(А+В)= р(А)+ р(В)- р(АВ). Если АВ= р(А+В)= р(А)+р(В).

  1. ВА: р(А-В)= р(А)- р(В), А= (А-В)В

  1. р()= р(-А)= р()- р(А)= 1-р(А).

Пример 1: На карточках 1,2,3,4,5. А={вторая карточка с нечетным числом}. ={(1,2), (1,3),...}, =А52 =5*4=20. р(i)=1/20,

А=А1+А2, где А1={первая нечетная, вторая нечетная}, А2={первая четная, вторая нечетная}. р(А)=р(А1)+р(А2), 1-ый способ: А1=6; А2=6, р(А)=6/20+6/20=3/5. 2-ой способ: А=12=n(А); n=20 р(А)=n(A)/n=12/20=3/5. Пример 2: Бросаются 2 игральные кости. А={сумма выпадений равна 7}; В={сумма равна 8}. =36, А={(1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1)} р(А)=6/36=1/6. В={(2,6),(3,5),(4,4),(5,3),(6,2)} р(В)=5/36. (, А, р(А)) - вероятностное пространство.

Условная вероятность.

N - число людей, NA - число работающих людей из N. NB - число мужчин из N. Случайно выбранный человек - работающий: А={человек - работающий}; В={человек - мужчина} р(А)=NA/N; p(A)=NB/N, АВ={мужчина работает};

NAB -число работающих мужчин. р(АВ)=NAB/N. NAB/NB=NAB/NN/NB= p(AB)1/p(B). Условной вероятностью события А при условии В (р(В)0) наз-ся р(АВ)/р(В)=р(АВ), где В - гипотеза Н р(АН)=р(АН)/р(Н).

Пример 1: 3 игральные кости. На одной кости 1 при условии, что на всех 3 костях разные числа.

Н={на всех костях разные числа}; А={на одной кости 1}. Р(АН) - ?

  1. Н=654=120. АН=(А1+А2+А3)Н, где А1 - на первой кости 1, А2 - на второй кости 1 и т.д. АН=А1Н+А2Н+А3Н

А1Н={на первой кости 1}, А1Н=54=20 АН=60 р(АН)=60/120=1/2

  1. р(АН)=АН/=60/63, р(Н)=120/63 р(АН)= =60/120=1/2.

Пример 2: 10 игральных костей, при условии, что выпала хотя бы одна 1, найти вероятность, что выпало хотя бы две 1.

Н={выпала хотя бы одна 1}, А={выпало хотя бы две 1}, АН АН= А р(АН)= р(АН)/р(Н) = р(А)/р(Н)= (1-р(неА)) /(1-р(неН)), неН={ни одной единицы}, неН=510 р(неН)=510/610, неА={ни одной} {выпала одна 1}; неА= 510+1059 р(неА) = ( 510+ 1059 )/610 р(АН)=1-(1059)/(610-510).

Пример 3: Полицейский ищет сбежавшего вора.

С вероятностью 1/2 - в городе, С вероятностью 1/2- за городом, В городе с равной вероятностью в одном из 5 баров. Полицейский обошел 3 бара - там нет. Какова вероятность, что он найдет в 2 других барах ? Н={в 3 барах его нет}; А={в 2 других барах}; Н={либо в 2 барах}{либо за городом}. АН АН=А р(АН)= р(АН) /р(Н)= р(А)/р(Н). р(в одном баре)=1/10. р(А)=2/10=1/5. р(Н)=1-3/10=7/10 р(АН)=(1/5)/(7/10)=2/7.

Св-ва условной вероятности.

(, А, р(А))(Н, АН, р(АН)):

  1. 0р(АН)1

  2. р(А+ВН)= р((А+В)Н) /р(Н)= р(АН+ВН) /р(Н)= (р(АН)+ р(ВН)- р(АВН)) /р(Н)=р(АН)+ р(ВН)- р(АВН).

  1. Если ВА, то р(А-ВН)= р((А-В)Н) /р(Н)= р(АН-ВН) /р(Н)= (р(АН)- р(ВН)) /р(Н)= р(АН)- р(ВН)

  1. р(Н)=р(Н)/р(Н)=0

  1. р(НН)=1

Если А и Н не пересекаются АН= р(АН)=0, Если Н влечет А, т.е. НА р(АН)=р(Н)/р(Н)=1

Независимость событий.

р(А)р(АН). Если А и Н независимы, то р(А)= р(АН)= р(АН)/р(Н). События А и Н независимы если р(АН)= р(А)р(Н).

Пример 4: Из 52 карт берут 1 карту. А={вынут туз}; В={взята пика}; С={взята дама}. А и В независимы, А и С зависимы.

р(А)=4/52=1/13; р(В)=13/52=1/4 р(АВ)=1/52. р(А)р(В)=1/131/4=1/52 А и В независимы, р(С)=1/13; р(АС)= 0 1/131/13 =169 А и С зависимы. А и В независимы неА и неВ независимы А и неВ независимы,...р(АВ)= р(А)р(В)

р(АнеВ)= р(А(-В))= р(А-АВ)= р(А)- р(АВ)= р(А)- р(А)р(В)= р(А)(1- р(В))= р(А)р(неВ).

Формула полной вероятности.

А происходит вместе с Н1,..., Нn: р(Нi)0; i Hi Hj= ; AHi . Говорят, что событие Нi образует полную группу событий по отношению к А, тогда р(А)=р(АНi)р(Нi) - формула полной вероятности. Т.к. АНi,то А=АНiiА. Т.к. Нi Hj= , то АНi АНj= р(А)= р(АНi)= (р(АНi)р(Нi)) /р(Нi)= р(АНi)р(Нi).

Пример: Три урны:

  1. 4 белых и 3 черных

  2. 2 белых и 3 черных

  3. 5 белых и 1 черный

А={шар черный}, р(АН1)=3/7; р(АН2)= 3/5; р(АН3)= 1/6 р(А)=1/3(3/7+ 3/5+1/6)= 151/630.

Формулы Байеса.

АНi, где р(Нi)0, Нi Нj=. р(НiА) - апостероирное распределение вероятности. р(Нi) - априорные вероятности.

р(НiА)= р(АНi)/р(А)= ((р(АНi)/ р(Нi)) р(Нi))/ р(А)= (р(АНi) р(Нi))/ р(АНк) р(Нк), i=1,2,..., n.

Предыдущий пример: р(Н1А)= (3/71/3)/ (151/630)= 630/1057 =90/151, р(Н2А)= (3/51/3)/ (151/630)= 630/755= 126/151,

р(Н3А)=135/151.

Серия независимых испытаний.

- пространство элементарных событий для одного эксперимента. n=..., ={герб, решка} 3= = {(ггг), (ггр), ...,(ррр)} =23. n= ... = n, n= (1) (2)... (n). Пример: (1)={г, р}; (2)={1,2,...,6} 2= (1)(2)= {г1, г2,..., г6 р1, р2,..., р6}. n - серия независимых испытаний. Аn. Пусть n=2 2=(1)(2), (1)={11, 12, 13,...}, p(1i)=p1i : p1i0, p1i=1. (2)={21, 22, 23,...}, p(2j)=p2j : p2j0, p2j=1. 2= {(1121), (1122), (1123),...}= {(1i2j): i1,j1}, p(1i, 2j)= pij= p(1i) p(2j), pij= p(1i) p(2j)= p1i p2j=1, 3= , 3= {(111), (112),..., (666)},

pijk=1/61/61/6.

Т-ма о независимости событий 1-го эксперимента с событиями 2-го эксперимента.

2=(1)(2). А, В2; А связана с (1), В связана с (2), тогда р(АВ)=р(А)р(В), ={выпадение герба}. В={5}; А=(2), где (1), А={г1, г2, г3,...., г6}, В=(1), где (2), В={г1, р1, г2, р2,..., г5, р5}, АВ= р(АВ)= р()= р(1i,2j)= p1ip2j= p1i p2j= p() p(); р(А)= р((2))= р(1i, 2j)= p(1i) p(2j)= p(). Аналогично р(В)=р() р(АВ)= р(А) р(В).

Испытания Бернулли.

Повторные испытания наз-ся испытаниями Бернулли если n=...; ={у, н}; р(у)=р, q=р(ну)=1-р(у); =у+у+н; у - выпадение герба р=1/2; q=1/2; р()={pq p...q}; q=1-p. АУ - выпадение числа 5, р=5/6; q=1/6. b(k, n, p) вероятность k успехов из n испытаний с вероятностью успеха р. Т.о. b(k, n, p)=Cnkpkqn-k. Ak, Ak={наступило k успехов}; Ak=`= =(у...н,...,у...у) p(Ak)= =p(`)=p(`)=pkqn-k. Cnk - k букв можно поставить на n мест. p(Ak)=Cnkpkqn-k

b(0, n, p)=Cn0p0qn=qn, b(1, n, p)=1-b(0, n, p)=1-qn - вероятность одного успеха хотя бы один. Пример: 5 выстрелов, вероятность попадания в десятку равна 1/4. р=1/4; n=5.

  1. b(1, 5, ¼)=C511/4(3/4)4=0.4

2) b(2,5,¼)=C52(1/4)2(3/4)3=0.25

  1. хотя бы одно 1-b(0,5,¼)=0.75

Геометрическая вероятность.

Если =континууму и А=континууму, то р(А)=(А)/(), где - мера. Примеры: 1) Попасть пулей в прутья квадратной решетки, L - расстояние между осями прутьев, а - толщина прута. Какова вероятность (La).

(А)=2а/2L+2a/2(L-a)=2aL-a2, ()=L2 p(A)=(2aL-a2)/L2.

Случайная величина (СВ).

Х - случайная величина, наз-ся функция определенная на и принимает значения в области действительных чисел.

Х: R1. Если область значений континуум, то говорят о непрерывности СВ. Если конечное или счетное, то СВ - дискретна (ДСВ).

ДСВ.

Область значений Х()= {Х1, Х2,...}; Аk= {: X()=xk}; p(Ak)=p{X()=xk}. Законом изменения СВ наз-ся таблица:

x x1 x2 x3 ... xn

p p1 p2 p3 ... pn p{Xxk}=1. ДСВ хар-ся законом и функцией распределения. Функция распределения:

FX(x)=p{X=xk}. В каждой точке х собираются вероятности событий, при которых xkxi. x - число выпадаемых гербов Г.

х(){0,1,2,3}

х 0 1 2 3

р 1/8 3/8 3/8 1/8 b(1, 3, 1/8)=C31p1q2, FX(xm+) - FX(xm)= p{X=xk}- p{X=xk}= p{X=xm}. Если х0, то FX(x)= p{X=xk}= 0. Если 0х1, то FX(x)= p{X=xk}= p{X=0}=1/8. Если 1х2, то FX(x)= p{X=xk}= p{X=0}+ p{X=1}= 1/8+ 3/8= 1/2. Если 2х3, то FX(x)= 3/8+1/8+3/8=7/8. Если х3, то FX(x)=1.

1.Закон распределения СВ. (Биномиальное распределение СВ). Закон Бернулли.

{b(k, n, p), k=0,1,...,n} наз-ся распределением Бернулли. b(k, n, p)=Cnkpkqn-k=(p+q)n=1 определяет вероятность на ={0,1,...,n}

2.Распределение Пуассона для ДСВ.

n; p0; np==const. Если n и p0 и np, то b(k, n, p)(e-k)/k! (k=0,1,..,n). Т.к. np, то n0 такое, что np=+n p=(+n)/n, b(k, n, p)=Cnkpk(1-p)n-k=

Если n достаточно велико и p достаточно мало, то b(k, n, p)= (e-k)/k!. Пример: n=500 человек; р=1/365; А - первого января родятся; =500/365=1.37; рk=p{k человек родилось 1-го января},

p0 p1 p2 p3 p4

  1. 0.348 0.239 0.109 0.037

  2. 0.348 0.239 0.109 0.037 (e-k)/k!=e-k/k!=e-e=1. Набор чисел случайных величин 0,1,... с вероятностью

рk=(e-k)/k! наз-ся распределением Пуассона. Оно определяет набор вероятностей на ={0,1,...}. Функция от случайной величины (Х) тоже случайная величина.

Х -2 -1 0 1 2

1/5 1/5 1/5 1/5 1/5

Х2 0 1 4

1/5 2/5 2/5

Х+1 -1 0 1 2 3

1/5 1/5 1/5 1/5 1/5

Совместное распределение.

На рассмотрим Х: х1, х2,..., хi

р(х1), р(х2),..., р(хi) и Y: y1, y2,..., yi

p(y1), p(y2),..., p(yi). Aij={: X()=xi, Y()=yj}, тогда набор р(xi, yj)=р(Аij) будет наз-ся совместным распределением СВ X и Y. Пример 1: х - число гербов, y - число решек при одном бросании.

х 0 1 2 y 0 1

р 1/4 1/2 1/4 р 1/2 1/2

Y\X 0 1 2 (гербы)

0 0 ¼ ¼

1 ¼ ¼ 0

(решки)

Св-ва совместного распределения:

  1. р(xi, yj)0 i, j

  2. Aij - полная группа событий. р(Аij)= p(xi, yj)=1

  1. i p(xi, yj)= p(xi), j p(xi, yj)= p(yj). p(xi,yj)= p{(X=xi) (Y=yj)}= p{(X=xi) (Y=yj)}= p{(X=xi) (Y=yj)}= p{(X=xi) }= p(xi).

СВ X и Y наз-ся независимыми если явл-ся независимыми события {X=xi} и {Y=yj} при i,j. p{(X=xi) (Y=yj)}= p{X=xi} p{Y=yj}= p(xi) p(yj), т.е. p(xi, yj)=p(xi)p(yj). Если СВ Хk связана только с k-ым испытанием, то X1, X2,... будут независимыми. Пример 2: Кость бросается 4 раза. X - CB={сумма очков при 2-х первых бросаниях}; Y - СВ={максимум очков при остальных 2-х бросаниях};

Х 2 3 4 5 6 7

р 1/36 2/36 3/36 4/36 5/36 6/36

Х 8 9 10 11 12

р 5/36 4/36 3/36 2/36 1/36

Y 1 2 3 4 5 6

р 1/36 3/36 5/36 7/36 9/36 11/36

p(xi, yj)=p(xi)p(yj)

Условным распределением СВ наз-ся вероятность p(X=xiY=yj)= p((X=xi) (Y=yj))/ p(Y=yj)= p(xi, yj)/ p(yj)

p(X=0Y=0)=0

p(X=1Y=0)=(1/4)/(1/2)=1/2

p(X=2Y=0)=(1/4)/(1/2)=1/2

МО - матожидание;

МХ - матожидание СВ Х.

n - семей; nk - число семей, в которых к-детей. n=n0+n1+n2+... . m=0n0+1n1+2n3+3n3+... - общее число детей. m/n= 0n0/n+1n1/n+2n2/n+3n3/n+.. . X - число детей в случайно выбранной семье.

Х 0 1 2 3 ....

р n0/n n1/n n2/n n3/n.... . MX=xip(xi)=m/n - среднее значение случайной величины. Если данный ряд сходится абсолютно, то говорят, что величина имеет матожидание. Пример 1: СВ Х распределена по биномиальному закону, тогда

Х 0 1 ... k n

p b(0,n,p)...b(k,n,p)=Cnkpkqn-k

MX= kCnk pk qn-k= pk Cnk pk-1 qn-k= p(Cnk pk qn-k)`p= p(Cnk pk qn-k)`p= p[(p+q)n]`p= pn(p+ q)n-1=np. Пример 2: СВ Х распределена по закону Пуассона.

X 0 1 .... k n

p e- e- .... (e-k)/k!

MX= k(e- k)/k!= e-(k k)/k!= e-(k k-1)/k!= e-(k/ k!)`= e-(k/ k!)`= e- (e)`=. ДХ - дисперсия СВ Х - наз-ся её среднее отклонение от её среднего значения. ДХ=М(Х-МХ)2=(Хk-MX)2p(xk). Пример 1: СВ Х распределена по закону Бернулли. Хb(k, n, p), Yi={1,если в i-ом испытании успех - р; 0, если в i-ом испытании неудача - 1-р}, X=Sn - число успехов в n испытаниях. Sn=Y1+Y2+...+Yn, ДХ= ДSn= ДYi

Yi 0 1

p 1-p

ДYi= M(Yi2) - (MYi)2= p-p2, ДX= np(1-p)= npq, Пример 2: Х распределена по закону Пуассона.

X 0 1 2 ...

p e- e- (2e-)/2 ...

ДХ= MX2- (MX)2, MX2= k2 e- k/k!= e-(k2 k)/k!= 2e-(k2 k-2)/ k!= 2e- [(k/ k!)``+ (kk-2)/k!]= 2e- (k/ k!)``+ e- (kk)/ k!= 2+, ДХ= 2+-2=.

Св- ва матожидания.

1. МС=С (С=const), 2. M(X)=MX (=const), 3. M((X))=(xk)p(xk).

  • (X)=Y

Y y1 y2 y3 ....

p p(y1) p(y2) p(y3) ....

M((X))= MY= yi p(yi)= yi p((xk)=yi)= (xk) p(xk)= (xk) p(xk).

  1. M(X+Y)= MX+MY.

  • M(X+Y)= (xi+yj) p(xi, yj)= xi p(xi, yj)+ yj p(xi, yj)= xi p(xi, yj)+ yj p(xi, yj)= xip(xi)+ yjp(yj)= MX+MY.

  1. X и Y - независимы, то M(XY)= M(X)M(Y)

  • M(XY)= xiyjp(xi, yj)= xiyj p(xi) p(yj)= xip(xi) yjp(yj)= MXMY.

Cв-ва дисперсии.

1. ДC=0

2. Д(aX+b)= a2ДХ

  • Д(aX+b)= M(aX+ b- M(aX+b))2= M(aX+ b-aMX- b)2= a2M(X- MX)2= a2ДХ.

  1. ДX= M(X-MX)2= M(X2- 2XMX+ (MX)2)= M(X2)- 2(MX)2+ (MX)2= M(X2)- (MX)2

  1. Если Х1, X2,....,Xn независимые СВ, то Д(X1+...+Xn)= ДХ1+....+ДХn. Д(X+Y)=ДX+ДY, Д(X+Y)=M(X+Y-M(X+Y))2= M(X+Y- MX- MY)2= M((X- MX)+ (Y- MY))2= M[(X- MX)2+ (Y- MY)2+ 2(X- MX)(Y- MY)]= ДХ+ДY+ 2M(X- MX) (Y-MY)= ДХ+ ДY+ 2M(X- MX)M(Y- MY)= MX- MX=0; MY- MY=0= ДХ+ДY.

Непрерывная СВ.

FX(x)=p(Xx) xR1, p(Xx)=p(X=xi).

Cв-ва:

  1. 0FX(x)1

  2. FX(x) не убывающая x1x2 p(Xx)=p{: X()x}.

  1. FX(x) непрерывна слева lim FX(x)= FX(x0-) (при xx0) fX(x) - плотность распределения СВ. FX(x)= (от - до х )fX(t)dt

MX= (от - до + )xfX(x)dx; ДХ= (от - до + )(X-MX )2fX(x)dx

Cв-ва плотности:

  1. fX(x)0, FX`(x)=fX(x) в точке где fX(x) непрерывна.

  1. (от - до +) fX(x)dx=1, X=ДХ - среднее квадратичное отклонение. Если МХ=0,то Х-центрированная. Если МХ=0 и Х=1, то Х - стандартизованная. Вероятность попадания в интервал: x1X x2. p{:X( ) x1 X() x2}=p{:X( ) x2}-{:X()x1}= p{:X() x2}- p{:X() x1}= FX(x2)- FX(x1)= (от - до x2 )fX(x)dx- (от - до x1 )fX(x)dx= (от х1 до х2)fX( x)dx.

Пример 1: Х описывается по показательному закону

fX(x)=0, если х0, fX(x)= e-, если х0, МХ - среднее время безотказной работы аппаратуры, МХ= (от - до + )хfX(x)dx= (1/ )(от 0 до )xe-Xdx= (1/) (от 0 до )te-tdt= (1/)( te-tот 0 до - (от 0 до )e-tdt)= 1/, ДХ= (от - до + )(X-MX )2fX(x )dx= (от 0 до )(X2- 2X/+ 1/2 )e-Xdx= -(от 0 до )Xe-Xdx- 2(от 0 до )Xe-Xdx+ (1/2)(от 0 до )e-Xdx= 1/2

Пример 2: р{радиоаппаратура не выйдет из строя за время t=MX}. X - время безотказной работы. P(XMX)= 1-p(XMX)=1-FX(MX)= 1 - (от - до МХ )fX(MX)dx= 1 - (от 0 до 1/ )e-Xdx= 1+e-Xот 0 до 1/= 1/e.

Т-ма Чебышева.

Если ДХ сущ-ет (интеграл сходится абсолютно), тогда (0) p{X-MX} ДХ/2. p{X-MX}= p{: X()-MX }= p(xk) (Xk-MX)2/ (X-MX)2 (1/2)(Xk- MX)2p(xk) (1/2 )(Xk- MX)2p(xk)= ДХ/2.

Закон больших чисел.

Если Sn - число успехов в серии из n испытаний, то Sn/n - частота успеха. При n Sn/np. Закон больших чисел:

Пусть y1,..., yn - независимые СВ с одинаковыми Myi=n и Дyi=2, тогда p{(y1+...+yn)/ n - }0 (при n).

  • (y1+...+ yn)/n – СВ, M((y1+...+ yn)/ n)= ((y1 +...+ yn)/ n)= (1/n)(y1 +...+yn)= (1/n)n=. Д((y 1+...+ yn)/n)= (1/n2 )(y1+ ... +yn)= (1/n2) n2= 2/n, p{(y1+ ... +yn)/ n - } 2/(n2) 0 (при n). Пример: yi - успех в i-ом испытании.

yi 0 1

p 1-p p p{Sn/n - }= p{(y1+ ... +yn)/n - p } p(1-p)/ (n2)1/(4n2).