07 Распределения. Функция распределения. Плотность вероятности. Мат. ож. и дисперсия в непрерывном случае. Квантили.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Найти мат. ожидание и дисперсию случайной величины , у которой следующее распределение:
Вычислим по формулам:
Вот мы и нашли мат. ожидание , зная её распределение.
Далее,
Таким образом,
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Найти мат. ожидание случайной величины .
Напомним, что геометрическое распределение с параметром - это такое распределение:
для (и для остальных ).
Таким образом, вычислить мат. ожидание такой случайной величины - это то же самое, что вычислить
сумму ряда
На самом деле, не так-то просто вычислить сумму этого ряда непосредственно.
Обозначим для удобства и будем суммировать ряд
Теперь притворимся на секунду, что - это переменная всюду дифференцируемой степенной функции . Поэтому мы суммируем фактически
(поскольку , то - то есть в точности члены ряда, который мы
хотели просуммировать)
Как же найти сумму ряда
?
На самом деле, для некоторых рядов в некоторых ситуациях (а именно, здесь нужна теорема о
почленном дифференцировании степенных рядов) можно пользоваться таким приемом - ряд из
производных равен производной суммы ряда. Мы воспользуемся здесь этим фактом при и
получим
Но не забудем, что
Вот мы и получили наш ответ.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Пусть - случайная величина, имеющая распределение
То есть принимает значения с вероятностями соответственно ().
Как будет выглядеть график функции распределения ?
Непосредственно проверяется, что графиком такой функции распределения будет ступенчатая
функция. Она равна нулю для всех до и единице для всех после .
В каждом из она будет испытывать разрыв первого рода (оставаясь, как и положено,
непрерывной справа), а именно скачок высотой . То есть он будет выглядеть как-то так:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Даны две функции распределения и двух случайных величин и .
У какой из данных случайных величин наиболее вероятны бОльшие значения?
Рассмотрим . Видно, что , то есть . То есть с вероятностью, близкой к
единице, будет меньше 6.
В то же самое время, видно, что , то есть с вероятностью примерно случайная величина
будет меньше 0. Следовательно, с вероятностью случайная величина будет
принимать значения от 0 до 6.
В то же самое время , то есть случайная величина с вероятностью почти будет меньше
либо равна нуля.
Таким образом, очевидно, что у бОльшие значения более вероятны.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Для данной функции распределения
какой из двух графиков больше всего похож на график её плотности ?
Поскольку функция плотности и функция распределения связаны соотношением
или, иначе говоря,
то мы можем судить (даже на глазок), что для для первого графика плотности
(то есть есть грубо говоря для первого графика нашей потенциальной плотности почти вся
площадь под графиком находится до точки 2 и очень малая часть - после неё)
В то же время мы по графику функции распределения видим, что . И
что-то у нас не сходится. То есть первый график не похож на график плотности нашей .
В то же время для второго графика нашей потенциальной плотности можно прикинуть,
что
Но мы уже знаем, что .
Следовательно, второй график куда больше похож на график плотности нашей случайной величины
.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Пусть случайная величина имеет функцию распределения , равную на отрезке , нулю до нуля, и единице после двойки:
Такая случайная величина называется равномерно распределенной на отрезке .
a) Объясните это название;
b) На какое распределение с конечным числом значений похожа эта случайная величина?
c) Существует ли у неё плотность? Если да, то вычислить функцию плотности;
d) Пусть мы выбираем случайное число на отрезке . Какая вероятность, что это число будет
больше , но меньше ?
a) По графику функции распределения видно, что и , то
есть наша случайная величина действительно принимает с ненулевой вероятностью значения только в
отрезке .
Более того, она принимает эти значения там равномерно в том смысле, что вероятность попасть в
подотрезок отрезка длины равна .
Это и оправдывает её название.
Действительно,
b) Можно провести некоторую аналогию между этой случайной величиной и дискретно
распределенной случайной величиной , определенной на конечном классическом вероятностном
пространстве .
То есть таком , что
Действительно, ведь в таком случае выполняется некоторое аналогичное свойство
То есть мы делим количество интересующих нас исходов на количество всех исходов. А в случае
непрерывного равномерного распределения на отрезке мы делим длину отрезка, в который хотим
попасть на длину всего отрезка ;
c) Если бы у существовала плотность, то она была бы производной её функции распределения.
С одной стороны, конечно, видно, что в точках и её функция распределения недифференцируема.
Но дело в том, что эти точки не играют никакой роли. Потому что для равномерной случайной
величины вероятность попасть в конкретную точку (в данном случае в точки 0 и 2) равна 0.
Так что, если на эти две плохие точки забить, то у функции распределения будет существовать то,
что называют почти-всюду производная. И, соответственно, у нашей будет существовать
почти-всюду плотность.
Таким образом, наша случайная величина имеет (почти всюду) плотность, равную константе. Это
тоже отражает её равномерность;
d) Ясно, что эта вероятность равна разности между значениями функции распределения в
соответствующих точках. Но посчитаем для разнообразия через плотность:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Рассмотрим случайную величину с функцией распределения
Такая случайная величина называется экспоненциально распределенной с параметром .
На практике оно встречается много где: так распределено и время, которое проходит с
момента, когда вы пришли на остановку до момента прихода следующего автобуса, так
распределено время до следующего перегорания вашей лампочки, и многое многое другое.
a) Какая вероятность, что случайная величина, распределенная экспоненциально с параметром ,
примет значение от 5 до 10? (Можно интерпретировать это так - какая вероятность, что автобус
придется ждать дольше 5, но меньше 10 минут)?
b) Существует ли у этого распределения плотность? Если да, то вычислить функцию плотности.
a) Эта вероятность равна
b) В данном случае будет дифференцируема всюду, кроме точки 0 (в 0 у нее не
будет производной, потому что производная слева не будет равна производной справа).
Но при этом, поскольку для экспоненциального распределения вероятность попасть в точку 0 равна
нулю, то на эту точку можно не обращать внимания и говорить о почти-всюду плотности. Она
будет равна
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
a) Пусть функция плотности некоторой абсолютно непрерывной случайной величины. Чему равен интеграл
?
b) Пусть некоторая абсолютно непрерывная случайная величина имеет функцию плотности
:
Найти .
a) Ясно, что он, в силу связи между плотностью и функцией распределения, должен оказаться равен
То есть
b) Ясно, что
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Пусть имеет функцию распределения
a) Найти и ;
b) Найти плотность ;
c) Найти вероятность того, что эта случайная величина принимает значения из отрезка
.
a) Функция распределения должна быть непрерывна справа в каждой точке.
В частности, она должна быть непрерывна в точке справа, то есть
С другой стороны, она должна быть непрерывна в точке справа, то есть
Таким образом, мы имеем два условия
Откуда следует, что .
И мы можем переписать нашу функцию распределения в уже полностью известном виде
как
b) Речь опять пойдет о почти-всюду плотности, поскольку в точках функция распределения недифференцируема. Но вероятность попасть в эти точки 0, поэтому всюду, кроме этих двух точек
c) Эта вероятность может быть вычислена как
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Точка случайным образом бросается на отрезок Какова вероятность, что меньший из двух отрезков и имеет длину больше, чем ?
Ясно, координата точки распределена равномерно с плотностью
А какой же кусок отрезка нас будет устраивать?
Ясно, что если разбить отрезок на 4 равные части
То в случае, когда точка попадает в крайнюю левую или крайнюю правую часть, меньший из двух
отрезков и будет короче, чем .
Наоборот, если точка попадает в одну из двух центральных четвертей, то меньший из отрезков
будет длиннее, чем .
Таким образом, подходит нам подотрезок длины , поэтому искомая вероятность равна
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
В треугольник со сторонами вписана окружность. В этот треугольник случайно бросается точка. Какова вероятность, что эта точка попадет во вписанную окружность?
Координаты точки равномерно распределены в треугольнике площадью
Область, которая нас устраивает - это внутренность вписанной окружности. Её радиус рассчитывается по формуле
Тогда её площадь равна .
Таким образом, поскольку распределение равномерное, вероятность попасть в указанную
окружность равна отношению её площади к площади всей фигуры, то есть вероятность
равна
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
В отрезке случайно берутся 2 числа. Какова вероятность, что их сумма не превосходит единицы, а сумма их квадратов не превосходит ?
Поскольку каждое из выбранных чисел берется случайно равномерно на отрезке , то пара чисел
берется равномерно в квадрате .
А область , которая нас устраивает, задается условиями
(область - то, что находится на пересечении красного треугольника и синего круга).
Таким образом, искомая вероятность будет равна отношению площади этой области к площади
всего квадрата, то есть к 1.
Таким образом, это будет просто площадь искомой области . Её легко вычислить, взяв двойной
интеграл:
1.
2.
3.
То есть искомая вероятность приблизительно равна
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Время работы лампочки до следующей замены распределено экспоненциально с параметром . Найти мат. ожидание и дисперсию её времени работы до следующей замены.
Напомним, что плотность экспоненциального распределения с параметром задаётся как
Будем считать с произвольным , а потом просто подставим .
1. Вычислим мат. ожидание.
Найдем первообразную функции при помощи интегрирования по частям: , . Тогда . Тогда, как мы помним,
Получаем
Таким образом,
При получаем .
2. Вычислим дисперсию.
Поскольку , то для вычисления дисперсии нам вначале нужно будет вычислить
ожидание квадрата .
Итак,
Найдем первообразную функции при помощи интегрирования по частям: , . Тогда . Тогда, как мы помним,
Следовательно,
Но когда мы считали мат. ожидание, мы уже выяснили, что
Следовательно,
Таким образом,
Следовательно,
Тогда получается, что . При получаем .
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Пусть случайная величина имеет следующую функцию распределения:
1. Найти ;
2. Найти ;
3. Найти медиану ;
4. Найти -квантиль ;
Во-первых, вычислим функцию плотности нашей случайной величины:
Теперь сможем легко посчитать всё остальное: 1.
2.
Следовательно,
3. Медиана - это то же самое, что -квантиль .
А -квантиль можно найти из условия
Следовательно, , она же медиана, равна .
4. Абсолютно аналогично -квантиль обязан удовлетворять условию
Поэтому -квантиль равен .
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Найти дисперсию равномерно распределенной на отрезке случайной величины.
Мы уже знаем, что мат. ожидание такой величины равно .
Тогда
Следовательно,
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Найти и -квантили распределения Коши.
Почему оказалось так, что ? Совпадение ли это? Характерно ли такое неравенство только
для распределения Коши?
Сформулируйте и докажите общее правило:
1. квантиль находится из условия
Но , то есть мы получаем условие
Таким образом,
Следовательно, .
Аналогично, .
Мы видим, что .
И это не случайно.
2. Ясно, что правило будет звучать как
Поскольку , а , то, в силу монотонного неубывания функции распределения и нашей договоренности о том, как считать , все равно будет получаться, что от большего значения находится не левее, чем от меньшего значения.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Для функции распределения, заданной графиком
Вычислить , , , квантили.
По графику видим (в соответствии с нашими договоренностями о том, что считать квантилями, когда состоит из пустого множества или из целого отрезка), что