Как найти математическое ожидание и дисперсию
Перейти к содержимому

Как найти математическое ожидание и дисперсию

  • автор:

Числовые характеристики распределения вероятностей. Математическое ожидание, дисперсия и стандартное отклонение

Закон распределения дискретной случайной величины

Свойства математического ожидания
1) Размерность математического ожидания равна размерности случайной величины.
2) Математическое ожидание может быть любым действительным числом: положительным, равным 0, отрицательным.
3) Математическое ожидание постоянной величины равно этой постоянной:

M(C) = C

4) Математическое ожидание суммы независимых случайных величин равно сумме математических ожиданий:

M(X + Y) = M(X) + M(Y)

5) Математическое ожидание произведения двух независимых случайных величин равно произведению математических ожиданий:

6) Постоянный множитель можно вынести за знак математического ожидания:

M(CX) = C · M(X)

Например:
Пусть в результате экспериментов получено следующее распределение случайной величины X – числа появления белых шаров (см. пример 1, §40 данного справочника):

Число белых шаров, xi 0 1 2 3 4 5
pi \(\mathrm\) \(\mathrm\) \(\mathrm\) \(\mathrm\) \(\mathrm\) \(\mathrm\)
0,0074 0,0618 0,2060 0,3433 0,2861 0,0954

Найдём математическое ожидание для данного распределения:

M(X) = 0 · 0,0074 + 1 · 0,0618 + . + 5 · 0,0954 = 3,125

п.3. Дисперсия

Свойства дисперсии
1) Размерность дисперсии равна квадрату размерности случайной величины.
2) Дисперсия может быть любым неотрицательным действительным числом.
3) Дисперсия постоянной величины равна нулю:

D(C) = 0

4) Дисперсия суммы независимых случайных величин равна сумме дисперсий:

D(X + Y) = D(X) + D(Y)

5) Постоянный множитель можно вынести за знак дисперсии:

D(CX) = C 2 · D(X)

Например:
Продолжим исследование и найдём дисперсию для распределения случайной величины X – числа появления белых шаров. Составим расчётную таблицу:

Получаем: D(X) = 10,9375 – 3,125 2 ≈ 1,1719.

п.4. Среднее квадратичное отклонение

Свойства СКО
1) Размерность СКО равна размерности случайной величины.
2) СКО может быть любым неотрицательным действительным числом.
3) СКО постоянной величины равно нулю:

4) Постоянный множитель можно вынести за знак СКО:

п.5. Правило трёх сигм

Большое количество случайных величин, измеряемых в экспериментах (например, в школьных лабораторных работах), имеет так называемое нормальное распределение.
В частности, при больших n, биномиальное распределение можно с хорошей точностью описывать как нормальное с M(X) = np и \(\mathrm<\sigma(X)=\sqrt>\).
График плотности нормального распределения p(x) похож на колокол, с максимумом, соответствующим M(X) = Xcp – среднему значению измеряемой величины.
Правило трёх сигм
Величина СКО σ(X) характеризует степень отклонения X от среднего значения M(X).

п.6. Примеры

Пример 1. Найдите математическое ожидание, дисперсию и СКО при бросании кубика.

Закон распределения величины X – очки на верхней грани при бросании кубика и расчётная таблица:

Пример 2*. Найти математическое ожидание, дисперсию и СКО суммы очков при бросании двух кубиков.

Пример 3*. Докажите, что в опытах по схеме Бернулли математическое ожидание M(X)=np, а дисперсия D(X)=npq.

Проведем один опыт. В нём может быть только два исхода: «успех» и «неудача».
Составим расчётную таблицу:

Мат.ожидание первого опыта \(\mathrm\).
Общее число успехов при n опытах складывается из числа успехов при каждом опыте, т.е. \(\mathrm\). Все опыты между собой независимы.
По свойству мат.ожидания суммы независимых событий: \begin \mathrm< M(X)=M(X_1+X_2+. +X_n)=M(X_1)+M(X_2)+. +M(X_n)= >\\ \mathrm<=\underbrace_>=np > \end Дисперсия первого опыта \(\mathrm\)
По свойству дисперсии суммы независимых событий: \begin \mathrm< D(X)=D(X_1+X_2+. +X_n)=D(X_1)+D(X_2)+. +D(X_n)= >\\ \mathrm<=\underbrace_>=npq > \end Что и требовалось доказать.

Пример 4. 100 канцелярских кнопок высыпали на стул. Вероятность, что кнопка упала острием вверх, равна 0,4. Найдите среднее количество, дисперсию и СКО для числа кнопок, упавших острием вверх. Найдите интервал оценки для количества этих кнопок по правилу «трёх сигм».

По условию n = 100, p = 0,4.
Для каждой кнопки может быть два исхода: упасть острием вверх или вниз.
Таким образом, это испытание Бернулли с биномиальным распределением случайной величины. \begin \mathrm< M(X)=np=100\cdot 0,4=40 >\\ \mathrm\\ \mathrm<\sigma(X)=\sqrt=\sqrt<24>\approx 4,9> \end Интервал оценки «три сигмы»: \begin \mathrm< M(X)-3\sigma(X)\lt X\lt M(X)+3\sigma(X) >\\ \mathrm<40-3\cdot 4,9\lt X\lt 40+3\cdot 4,9 >\\ \mathrm<25,3\lt X\lt 54,7>\\ \mathrm <26\leq X\leq 54>\end Скорее всего (99,7%), от 26 до 54 кнопок будут острием вверх.
Ответ: \(\mathrm\)

Пример 5*. В тесте 10 задач с 4 вариантами ответов. Ответы выбираются наугад. Постройте распределение величины X = «количество угаданных ответов», найдите числовые характеристики этого распределения.
Найдите интервал оценки для количества угаданных ответов по правилу «трёх сигм».
Какова вероятность угадать хотя бы 1 ответ? Хотя бы 5 ответов? Угадать все 10 ответов?

По условию: \(\mathrm\).
Для каждого ответа может быть два исхода: «угадал»/ «не угадал».
Таким образом, это испытание Бернулли с биномиальным распределением случайной величины. $$ \mathrm< P_<10>(k)=C_<10>^kp^kq^<10-k>=C_<10>^k\frac<3^<10-k>><4^<10>>=\left(\frac34\right)^<10>\frac^k> <3^k>> $$ Строим расчётную таблицу. Для \(\mathrm^k>\) используем рекуррентную формулу (см. §36 данного справочника): $$ \mathrm< C_^k=\fracC_n^ > $$

\(\mathrm\) \(\mathrm\) \(\mathrm<3^k>\) \(\mathrm\) \(\mathrm\) \(\mathrm\) \(\mathrm\)
0 1 1 0,0563135 0,0000000 0 0,0000000
1 10 3 0,1877117 0,1877117 1 0,1877117
2 45 9 0,2815676 0,5631351 4 1,1262703
3 120 27 0,2502823 0,7508469 9 2,2525406
4 210 81 0,1459980 0,5839920 16 2,3359680
5 252 243 0,0583992 0,2919960 25 1,4599800
6 210 729 0,0162220 0,0973320 36 0,5839920
7 120 2187 0,0030899 0,0216293 49 0,1514053
8 45 6561 0,0003862 0,0030899 64 0,0247192
9 10 19683 0,0000286 0,0002575 81 0,0023174
10 1 59049 0,0000010 0,0000095 100 0,0000954
Σ 1 2,5 8,125

Получаем: \begin \mathrm< M(X)=\sum_^ <10>x_ip_i=2,5 >\\ \mathrm< D(X)=\sum_^ <10>x_i^2p_i-M^2(X)=8,125=2,5^2=1,875 >\\ \mathrm< \sigma(X)=\sqrt=\sqrt<1,875>\approx 1,37 > \end Пример 5
Интервал оценки «три сигмы»: \begin \mathrm< M(X)-3\sigma(X) \lt X\lt M(X)+3\sigma(X) >\\ \mathrm< 2,5-3\cdot 1,37\lt X \lt 2,5+3\cdot 1,37 >\\ \mathrm< -1,61\lt X\lt 6,61 >\\ \mathrm < 0\leq X\leq 6 >\end Скорее всего (по расчетам – 99,65%), вы угадаете от 0 до 6 ответов.

Вероятность угадать хотя бы один ответ: \begin \mathrm< P(X\geq 1)=1-p_0\approx 1-0,0563=0,9437 >\end Очень хорошие шансы – 94,37%.
Вероятность угадать хотя бы 5 ответов: \begin \mathrm< P(X\geq 5)=1-\left(\sum_^<4> \right)\approx 1-(0,0563+0,1877+. +0,1460)=0,0781 >\end Шансов мало – 7,81%. Т.е. «средний балл» при сдаче тестов мало достижим методом научного тыка.
Вероятность угадать все 10 ответов: p10≈ 0,000001. Шанс – один из миллиона.

3. Математическое ожидание и дисперсия непрерывной случайной величины.

Определение 1. Математическим ожиданием непрерывной случайной величины X с плотностью вероятности f(х) называют величину несобственного интеграла (если он сходится):

Определение 2. Дисперсией непрерывной случайной величины X, математическое ожидание которой М(Х) = а и функция f(х) является ее плотностью вероятности, называется величина несобственного интеграла (если он сходится):

Можно показать, что математическое ожидание и дисперсия непрерывной случайной величины имеют те же свойства, что и математическое ожидание и дисперсия дискретной случайной величины.

Для непрерывной случайной величины X среднее квадратическое отклонение (Х) определяется, как и для дискретной величины, формулой .

Пример 4. Случайная величина X задана плотностью вероятности

Определить математическое ожидание, дисперсию и среднее квадратическое отклонение величины X.

Решение. Согласно определениям 1 и 2

4.5. Некоторые законы распределения случайных величин

1. Биномиальное распределение. Пусть производится п испытаний, причем вероятность появления события А в каждом испытании равна р и не зависит от исхода других испытаний (независимые испытания). Так как вероятность наступления события А в одном испытании равна р, то вероятность его ненаступления равна q = 1  р.

Найдем вероятность того, что при n испытаниях событие А наступит т раз (т п).

Пусть событие А наступило в первых т испытаниях т раз и не наступило во всех последующих испытаниях. Это сложное событие можно записать в виде произведения:

Общее число сложных событий, в которых событие А наступает т раз, равно числу сочетаний из п элементов по т элементов. При этом вероятность каждого сложного события равна: p m q n m . Так как эти сложные события являются несовместимыми, то вероятность их суммы равна сумме их вероятностей. Итак, если Рп(т) есть вероятность появления события А т раз в п испытаниях, то или

Формулу (1) называют формулой Бернулли.

Пример 1. Пусть всхожесть семян данного растения составляет 90%. Найти вероятность того, что из четырех посеянных семян взойдут: а) три; б) не менее трех.

Решение. а) В данном случае n = 4, т = 3, р = 0,9, q = 1 p = 0,1. Применим формулу Бернулли (1):

б) Здесь событие А состоит в том, что из четырех семян взойдут или три, или четыре. По теореме сложения вероятностей . Но Р4(4) = (0,9) 4 = 0,6561. Поэтому Р(А) = 0,2916 + 0,6561 = 0,9477.

Снова рассмотрим n независимых испытаний, в каждом из которых наступает событие А с вероятностью р. Обозначим через X случайную величину, равную числу появлений события А в п испытаниях.

Понятно, что событие А может вообще не наступить, наступить один раз, два раза и т.д. и, наконец, наступить п раз. Следовательно, возможными значениями величины X будут числа 0, 1, 2, . n 1, п. По формуле Бернулли можно найти вероятности этих значений:

Запишем полученные данные в виде таблицы распределения:

Построенный закон распределения дискретной случайной величины X называют законом биномиального распределения.

Найдем М(Х). Очевидно, что Xi  число появлений события А в каждом испытании  представляет собой случайную величину со следующим распределением:

Поэтому М(Хi) = . Но так как X = Х1 + . +Хn, то М(Х) = пр. Найдем далее D(X) и (Х). Так как величина имеет распределение

то M(Xi 2 )= . Поэтому

Наконец, в силу независимости величин X1, X2, . Хn,

Пример 2. Случайная величина X определена как число выпавших гербов в результате 100 бросаний монеты. Вычислить математическое ожидание, дисперсию и среднее квадратическое отклонение X.

Решение. Вероятность появления герба в каждом бросании монеты . Следовательно, вероятность непоявления герба . Случайная величина X имеет биномиальное распределение при п = 100 и . Поэтому

Пример 3. Допустим, что для хищника вероятность поимки отдельной жертвы составляет 0,4 при каждом столкновении с жертвой. Каково ожидаемое число пойманных жертв в 20 столкновениях?

Решение. Это пример биномиального распределения при п = 20 и р = 0,4. Ожидаемое число есть М(Х) = пр = = =8.

2. Локальная и интегральная предельные теоремы Лапласа. Если число испытаний п велико, то вычисления по формуле Бернулли становятся затруднительными. Лаплас получил важную приближенную формулу для вероятности Рn(т) появления события А точно m раз, если п достаточно большое число. Им же получена приближенная формула и для суммы вида .

Локальная предельная теорема Лапласа. Пусть р=Р(А)  вероятность события А, причем 0 < р < 1. Тогда вероятность того, что в условиях схемы Бернулли событие А при п испытаниях появится точно т раз, выражается приближенной формулой Лапласа

Для функции имеется таблица (см. приложение 1) ее значений для положительных значений х (функция четная).

Пример 4. Вероятность поражения цели стрелком при одиночном выстреле равна р = 0,2. Какова вероятность того, что при 100 выстрелах цель будет поражена ровно 20 раз?

Решение. Здесь р = 0,2, q = 0,8, n = 100 и т = 20. Отсюда и, следовательно,

Учитывая, что , из формулы (2) получаем (для получения приближен-ного равенства можно использовать калькулятор).

Перейдем к интегральной предельной теореме Лапласа. Поставим следующий вопрос, какова вероятность того, что в условиях схемы Бернулли событие А, имеющее вероятность Р(А) = р (0 < р < 1), при п испытаниях (как и прежде, число испытаний велико) появится не менее k раз и не более l раз. Эту искомую вероятность обозначим через Pn(k, l).

Как найти математическое ожидание?

Математическое ожидание случайной величины $X$ (обозначается $M(X)$ или реже $E(X)$) характеризует среднее значение случайной величины (дискретной или непрерывной). Мат. ожидание — это первый начальный момент заданной СВ.

Математическое ожидание относят к так называемым характеристикам положения распределения (к которым также принадлежат мода и медиана). Эта характеристика описывает некое усредненное положение случайной величины на числовой оси. Скажем, если матожидание случайной величины — срока службы лампы, равно 100 часов, то считается, что значения срока службы сосредоточены (с обеих сторон) от этого значения (с тем или иным разбросом, о котором уже говорит дисперсия).

Формула среднего случайной величины

Математическое ожидание дискретной случайной величины Х вычисляется как сумма произведений значений $x_i$ , которые принимает СВ Х, на соответствующие вероятности $p_i$: $$ M(X)=\sum_^. $$ Для непрерывной случайной величины (заданной плотностью вероятностей $f(x)$), формула вычисления математического ожидания Х выглядит следующим образом: $$ M(X)=\int_<-\infty>^ <+\infty>f(x) \cdot x dx. $$

Пример нахождения математического ожидания

Рассмотрим простые примеры, показывающие как найти M(X) по формулам, введеным выше.

Пример 1. Вычислить математическое ожидание дискретной случайной величины Х, заданной рядом: $$ x_i \quad -1 \quad 2 \quad 5 \quad 10 \quad 20 \\ p_i \quad 0.1 \quad 0.2 \quad 0.3 \quad 0.3 \quad 0.1 $$

Используем формулу для м.о. дискретной случайной величины: $$ M(X)=\sum_^. $$ Получаем: $$ M(X)=\sum_^ =-1\cdot 0.1 + 2 \cdot 0.2 +5\cdot 0.3 +10\cdot 0.3+20\cdot 0.1=6.8. $$ Вот в этом примере 2 описано также нахождение дисперсии Х.

Пример 2. Найти математическое ожидание для величины Х, распределенной непрерывно с плотностью $f(x)=12(x^2-x^3)$ при $x \in(0,1)$ и $f(x)=0$ в остальных точках.

Используем для нахождения мат. ожидания формулу: $$ M(X)=\int_<-\infty>^ <+\infty>f(x) \cdot x dx. $$ Подставляем из условия плотность вероятности и вычисляем значение интеграла: $$ M(X)=\int_<-\infty>^ <+\infty>f(x) \cdot x dx = \int_<0>^ <1>12(x^2-x^3) \cdot x dx = \int_<0>^ <1>12(x^3-x^4) dx = \\ =\left.(3x^4-\frac<12><5>x^5) \right|_0^1=3-\frac<12> <5>= \frac<3><5>=0.6. $$

Вычисление математического ожидания онлайн

Как найти математическое ожидание онлайн для произвольной дискретной случайной величины? Используйте калькулятор ниже.

  • Введите число значений случайной величины К.
  • Появится форма ввода для значений $x_i$ и соответствующих вероятностей $p_i$ (десятичные дроби вводятся с разделителем точкой, например: -10.3 или 0.5). Введите нужные значения (проверьте, что сумма вероятностей равна 1, то есть закон распределения корректный).
  • Нажмите на кнопку «Вычислить».
  • Калькулятор покажет вычисленное математическое ожидание $M(X)$.

Видео. Полезные ссылки

Видеоролики: что такое среднее (математическое ожидание)

Если вам нужно более подробное объяснение того, что такое мат.ожидание, как она вычисляется и какими свойствами обладает, рекомендую два видео (для дискретной и непрерывной случайной величины соответственно).

Полезные ссылки

Что еще может пригодиться? Например, для изучения основ теории вероятностей — онлайн учебник по терверу. Для закрепления материала — еще примеры решений по теории вероятностей.

А если у вас есть задачи, которые надо срочно сделать, а времени нет? Можете поискать готовые решения в решебнике или заказать в МатБюро:

Как вычислить математическое ожидание и дисперсию
непрерывной случайной величины?

Ответ на этот вопрос состоит всего лишь из 2 слов: с помощью интегралов. Приветствую тех, кто подтянулся с поисковика – вы попали на 2-ю часть урока о непрерывной случайной величине (НСВ), и если что-то будет не понятно, милости прошу по ссылкам.

Сам смысл математического ожидания и дисперсии мы уже разбирали ранее (но, конечно, повторим), и сейчас настало время узнать, как они определяются для НСВ. Всё очень просто: по аналогии с ДСВ. Математическое ожидание непрерывной случайной величины определяется, как несобственный интеграл:

, где – функция плотности распределения этой случайной величины.

Примечание: несложный вывод этой формулы можно найти, например, в учебном пособии В.Е. Гмурмана

Дисперсия тоже имеет «знакомые очертания»: (по определению), но в практических задачах гораздо удобнее применять формулу:

Как и в случае с дискретной случайной величиной, она не может быть отрицательной!

И среднее квадратическое отклонение вычисляется точно так же:

Итак, все инструменты в руках и мы с энтузиазмом приступаем к работе учёбе любимому делу:

…нет, это не опечатка – пример уже 7-й!

Непрерывная случайная величина задана функцией распределения вероятностей:

Вычислить . И построим ещё графики и , ну а куда же без них?

Решение начнём с графика функции распределения. При его ручном построении удобно найти промежуточное значение и аккуратно провести кусок кубической параболы :

Повторяем: функция распределения описывает вероятность того, что случайная величина примет значение, МЕНЬШЕЕ, чем переменная , «пробегающая» все значения от до . Данная функция изменяется в пределах и не убывает (т. к. «накапливает» вероятности), а также является непрерывной (для НСВ).

Очевидно, что случайная величина принимает случайные значения из отрезка , и какие из них более вероятны, а какие – менее, наглядно показывает функция ПЛОТНОСТИ распределения вероятностей:

И снова опорные точки: с немедленным чертёжом:

В отличие от функции плотности может быть разрывна и может принимать значения бОльшие единицы (как в нашем случае); может, как убывать, так и возрастать и даже иметь экстремумы (наш кусок параболы растёт). Однако, она неотрицательна: и обладает свойством , которое лучше всегда проверять (а то мало ли, опечатка или ошибка). В силу аддитивности интеграла:

– данный результат равен заштрихованной площади и с вероятностной точки зрения означает тот факт, что случайная величина достоверно примет одно из значений отрезка . Причём, по чертежу хорошо видно, что значения из правой части отрезка гораздо более вероятны, чем значения слева.

И эти вероятности оцениваются кусками площади, а не значениями функции . (окончательно избавляемся от распространённой иллюзии)

Ради интереса вычислим:
– вероятность того, что случайная величина примет значение из промежутка

Теперь числовые характеристики. Очевидно, что математическое ожидание (среднеожидаемое значение) случайной величины должно находиться в «живом» отрезке, причём – ближе к его правому концу (поскольку там выше плотность вероятности). Убедимся в этом аналитически. По формуле вычисления математического ожидания, и в силу того же свойства аддитивности:

– ну что же, вполне и вполне правдоподобно, результат я отметил красной точкой на чертеже.

! Примечание: в общем случае (и в этом, в частности) не делит площадь на 2 равные части!

Если промежуток конечен, то можно сразу записывать, что матожидание равно определённому интегралу:

Дисперсию (меру рассеяния случайных значений относительно ) вычислим по формуле:

Сначала удобно разобраться с интегралом, здесь я не буду расписывать подробно:

И, наконец, среднее квадратическое отклонение:

Самостоятельно по чертежу оцените, что на интервале сконцентрирована значительная часть площади – образно говоря, тут находится «гуща событий».

Вот такое вот у нас получилось захватывающее повторение-изучение-исследование!

И коль скоро спрашивалось немного, запишем:

Ответ:

Строго говоря, ответ следовало записывать и в предыдущих задачах, но когда пунктов много, то итоговые результаты вполне допустимо помечать по ходу решения, например, подчёркивать или обводить карандашом. Однако на моей памяти встречались и строгие рецензенты, которые требовали всё оформлять «по высшему разряду».

Следующее задание для самостоятельного решения:

Дана функция:

Представить в аналитическом виде и показать, что она может служить плотностью вероятностей непрерывной случайной величины . Вычислить и .

Да, бывает и так! – вспоминаем уравнение прямой на плоскости. Краткое решение и ответ в конце урока.

Зачастую вычисление математического ожидания и дисперсии сопряжено с техническими трудностями, и заключительные примеры урока будут посвящены их преодолению:

Непрерывная случайная величина задана функцией плотности распределения .

Найти: …, прямо так и хочется добавить ещё, но в жуткой борьбе с самим собой я остановился, чтобы сосредоточиться на главном =)

Решение: найдём коэффициент . Согласно свойству :

интеграл здесь табличный, и значения арксинуса «хорошие»:

Таким образом:
и функция плотности распределения:

Проверочка: , ч.т.п., и не забываем проконтролировать, что .

Но, в принципе, тут можно не полениться и подвести функцию под знак дифференциала:

Интересно отметить, что математическое ожидание «разделило» вероятности (единичную площадь под функцией плотности) на 2 равные части:

Но, как я примечал выше, в общем случае это не так. Здесь это получилось по причине чётности и «симметричных» вероятностей. Также обратите внимание на то, что наша функция достигает минимума в точке и около этого значения сконцентрированы наименее вероятные значения случайной величины. Впрочем, распределение вероятностей близкО к равномерному.

Поскольку математическое ожидание равно нулю, то дисперсию удобно вычислить «одной строкой». Используем формулу и чётность подынтегральной функции:

Здесь сразу же удобно провести замену переменной, о которой я рассказывал в Примере 4 урока об эффективных методах решения интегралов:

Найдём новые пределы интегрирования. Если , то и:

…мда, хороший вышел каламбур на счёт одной строки :), продолжаем:

Результат получился положительным, и это уже хороший знак. Тем не менее, не помешает выполнить косвенную проверку и вычислить среднее квадратическое отклонение:
– ну что же, вполне и вполне реалистично, ещё раз взгляните на чертёж и мысленно отмерьте от влево/вправо 0,6.

А вот если бы отклонение вышло равным 1, 2 или бОльшему числу, то это говорило бы о явной ошибке.

Ответ:

Существует более трудная вариация рассмотренной функции

– с двумя вертикальными асимптотами в точках разрыва и сходящимся несобственным интегралом. Такие задачи предлагают даже студентам-заочникам, но я не стал маньячить, и поместил похожий пример в библиотеку для самостоятельного изучения.

Всё хорошо в меру:

Непрерывная случайная величина задана своей функцией распределения:

Вычислить математическое ожидание, дисперсию и стандартное отклонение.

Вспоминаем интегрирование по частям, при этом, чтобы не запутаться, лучше придерживаться известного алгоритма: сначала находим неопределенный интеграл, затем проверяем первообразную дифференцированием, и только потом используем формулу Ньютона-Лейбница.

В целях самоконтроля полезно построить график плотности и отложить на чертеже математическое ожидание, затем найти дисперсию и оценить «правдоподобность» стандартного отклонения.

Непрерывная случайная величина задана плотностью распределения вероятностей:

Найти и . Составить функцию распределения и построить графики . Вычислить вероятность того, что случайная величина примет значение, бОльшее, чем её математическое ожидание.

Нахождение функции распределения как-то так затерялось в последних задачах, и поэтому самое время освежить в памяти формулу . И, кстати, перед вами пример непрерывной случайной величины с бесконечной дисперсией. Да, так бывает! Но удивляться тут не нужно – потому что бывают и более интересные случаи. …Я знал, что вы соскучились =)

Решения и ответы совсем близко. Для желающих предлагаю более трудное задание с функцией , где нужно расписать модуль (свериться можно здесь же).

И предчувствие вас не обмануло! Точно так же, как и в дискретном случае, у непрерывной случайной величины есть особые виды распределений, самые популярные из которых рассмотрены в следующих статьях:

+ тематический pdf-решебник с десятками готовых задач, но это уже когда нагуляете аппетит 🙂

Решения и ответы:

Пример 8. Решение: представим в аналитическом виде. Составим уравнение прямой по точкам и :

Таким образом:

Примечание: верхние неравенства можно записать и так: , в условии нет однозначной инструкции на этот счёт.

Покажем, что может служить плотностью вероятностей НСВ :
1) функция на всей числовой прямой;
2)
Таким образом, может служить плотностью вероятностей непрерывной случай­ной величины

Вычислим математическое ожидание:

Дисперсию вычислим по формуле:

В данном случае:

Таким образом:

Среднее квадратическое отклонение:

Пример 10. Решение: найдем коэффициент . В силу непрерывности функции распределения:

Таким образом:

Найдем функцию плотности распределения:

Вычислим математическое ожидание:

Интегрируем по частям:

Построим график плотности распределения и отметим на оси математическое ожидание, значение которого получилось весьма правдоподобным:

Дисперсию вычислим по формуле:

В данном случае:

Сначала найдём неопределённый интеграл:

Вычислим определённый интеграл:

Вычислим среднее квадратическое отклонение:

По чертежу хорошо видно, что на интервале сконцентрирована значительная плотность вероятности, что служит косвенным подтверждением правильности вычислений.

Пример 11. Решение: найдём коэффициент . Используем свойство .
В данном случае:

Вычислим несобственный интеграл:

Таким образом:

и функция плотности распределения:

Вычислим математическое ожидание:

Дисперсию вычислим по формуле:

в данном случае:
, откуда следует, что .

Функцию распределения вероятностей найдём по формуле :
1) на интервале и ;
2) на промежутке , следовательно:

Таким образом:

Выполним чертежи:

Вычислим
– вероятность того, что случайная величина примет значение, бОльшее, чем её математическое ожидание.

Примечание: так как случайная величина теоретически может принимать сколь угодно большие значения, то такое смещение вполне закономерно.

Автор: Емелин Александр

(Переход на главную страницу)

Contented.ru – онлайн школа дизайна

SkillFactory – получи востребованную IT профессию!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *