Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf ·...
Transcript of Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf ·...
![Page 1: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/1.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 42Mats Gunnarsson
Diskreta stokastiska variabler
Definitioner:
Utfallet i ett slumpmässigt försök i form av ett reellt tal, betraktat
innan försöket utförts, kallas för stokastisk variabel eller
slumpvariabel (ofta betecknad ξ, η )
Ett resultat av försöket (utfall av slumpvariabeln) kallas för
observerat värde eller observation (ofta betecknat x eller y)
En stokastisk variabel som kan anta endast ett ändligt eller
uppräkningsbart antal värden, så kallas diskret
– kan vara oändligt många
1 92,2 3 4 5,8 12 14
Samtliga möjliga utfall (utfallsrummet)
En observation, värdet 9
![Page 2: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/2.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 43Mats Gunnarsson
Beskrivning av en diskret stokastisk variabelEn diskret stokastisk variabel, ξ, beskrivs med dess sannolikhetsfördelning
En sannolikhetsfördelning ska innefatta dels alla värden, x, den kan anta och dels sannolikheten för respektive värde, P(ξ=x)
Exempel: tärningskast
Utfallsrum: 1, 2, 3, 4, 5, 6; P(ξ=x) = 1/6 för alla x
Exempel: slantsingling (ej högkant)Utfallsrum: 0 = (krona), 1 = (klave); P(ξ=x) = ½ för alla x
Jämför: A = krona x = 0
![Page 3: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/3.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 44Mats Gunnarsson
Sannolikhetsfördelning,
sannolikhets- och fördelningsfunktionLåt ξ vara en diskret stokastisk variabel som antar
värdena: x1 < x2 < ... < xk < ...
Sannolikhetsfunktionen (frekvensfunktionen) till ξ, p(xk),definieras som
Fördelningsfunktionen till ξ, F(xk), definieras som
Det gäller också att: P(ξ=xk) = F(xk) - F(xk-1)
F x P x P xk k i
i
k
( ) ( ) ( )= ≤ = ==∑ξ ξ
1
p x P xk k( ) ( )= =ξ
![Page 4: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/4.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 45Mats Gunnarsson
Likformig fördelning
Det finns N stycken lika sannolika utfall
– P(ξ=xi) = 1/N
– N kallas för den likformiga fördelningens parameter
xx1 x2 x3 xk xk+1 xN
... ...1/N
N stycken lika sannolika utfall
Exempel: antal ögon vid ett tärningskast
![Page 5: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/5.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 46Mats Gunnarsson
Hypergeometrisk fördelning
En mängd innehåller totalt N element, av vilka Np är av speciellt
slag (andelen speciella är p). Välj slumpmässigt, utan återlägg,
ett urval av n element.
Låt ξ betecknar antalet speciella element i urvalet.
ξ är då hypergeometriskt fördelad
Totalt N element
Np är speciella
Välj n stycken
utan återläggning,
ξ är antalet speciella
- speciell
![Page 6: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/6.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 47Mats Gunnarsson
Hypergeometrisk fördelning
Med den klassiska definitionen av sannolikhet fås:
x är ett heltal sådant att 0 ≤ k ≤ Np
och 0 ≤ n-k ≤ N-Np
; ;
![Page 7: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/7.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 48Mats Gunnarsson
Binomialfördelning
Ett försök består av n oberoende upprepningar av delförsök. A
är en speciell händelse som inträffar med samma sannolikhet p i
varje delförsök. Slumpvariabeln ξ betecknar antalet gånger
händelsen A inträffar i hela försöket. ξ är då binomialfördelad
nxppx
nxP xnx ..., 2, 1, 0, ,)1()( =−
== −ξ
1
A
P(A) = p
2
A
P(A) = p
n
A
P(A) = p
A inträffar k gånger vid de n försöken
...
ξ ∈ Bin n p( , )
![Page 8: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/8.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 49Mats Gunnarsson
Poissonfördelning
Betrakta händelser A som inträffar slumpmässiga i tiden och oberoende av varandra. Slumpvariabeln ξ betecknar antalet händelser A under ett tidsintervall av fix längd. ξ är då poissonfördelad
...... 2, 1, 0,, !
)( === − xx
exPxλ
ξ λ ξ λ∈ Po( )
Fix tid
x xxxx xx
Fix tid
xxx x
Fix tid
xxx xx xx
x - händelse A
Tid
− λ är genomsnittligt antal händelser A under intervallet
![Page 9: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/9.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 50Mats Gunnarsson
Diskreta fördelningar med Mathematica
Om ; ;
= x) = PDF[HypergeometricDistribution[n,Np,N],x]
x) =
= CDF[HypergeometricDistribution[n,Np,N],x]
Om ;
= x) = PDF[BinomialDistribution[n,p],x]
x) = CDF[BinomialDistribution[n,p],x]
Om (λ)
= x) = PDF[PoissonDistribution[λ],x]
x) = CDF[BinomialDistribution[λ],x]
![Page 10: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/10.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 51Mats Gunnarsson
Hypergeometrisk, binomial- och poissonfördelning
Hyp(N, n, p)
Bin(n, p) Po(λ)
Approximationsregler
n/N < 0,1
λ = npn > 10
p < 0,1
λ = np
p+n/N < 0,1
n > 10
![Page 11: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/11.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 52Mats Gunnarsson
Kontinuerliga stokastiska variabler
En kontinuerlig stokastisk variabel kan anta alla värden i ett
intervall. T.ex Ω =√, eller Ω = x : 0<x<1
Utfallen ligger oändligt tätt vilket medför att inget utfall kan antas
med positiv sannolikhet.
Fördelningsfunktionen får följande utseende
Definition
Om det finns en funktion f(x) så att (*) gäller sägs ξ vara en
kontinuerlig stokastisk variabel och f(x) kallas täthetsfunktion
(frekvensfunktion).
∫∞−
=x
(t)dtf(x)F ξξ
(*)
![Page 12: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/12.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 53Mats Gunnarsson
Frekvens- och fördelningsfunktion
Frekvensfunktionen
definieras genom
Fördelningsfunktionen
definieras som
P x f t dt
x
( ) ( )ξ ≤ =−∞∫
F x P x f t dt
x
( ) ( ) ( )= ≤ =−∞∫ξ
f(x) kan ses som fördelning av
sannolikhetsmassa.
Sannolikheten för utfall inom x
och x+∆x är ungefär f(x)∆x
![Page 13: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/13.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 54Mats Gunnarsson
Frekvens- och fördelningsfunktion
f x( ) ≥ 0 och f t d t( )− ∞
∞
∫ = 1
F x P x f t d t
x
( ) ( ) ( )= ≤ =− ∞∫ξ och F x f x' ( ) ( )=
P a b f t d t F b F aa
b
( ) ( ) ( ) ( )< ≤ = = −∫ξ
P x f t d t F xx
( ) ( ) ( )ξ > = = −∞
∫ 1
xallaförxP ,0)( ==ξ
Egenskaper:
![Page 14: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/14.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 55Mats Gunnarsson
Rektangelfördelning (likformig)
Frekvensfunktionen är konstant i ett
intervall, och noll utanför
a b
f(x)
1/(b-a)
a b
F(x)1
≥
<<−−
≤
=
<<
−=
bx
bxaab
ax
ax
xF
övrigtför
bxaabxf
1
0
)(
0
1
)(
),(eller ),( baUbaR ∈∈ ξξ
![Page 15: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/15.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 56Mats Gunnarsson
Exponentialfördelning
En stokastisk variabel är Exponentialfördelad om den har
frekvens- och fördelningsfunktion enligt nedan
ξ λ∈ Exp( )
f(x)
2
1
x
λ = 2
λ = 1
Exempel där exponentialfördelningen kan användas som modell:
Tiden mellan 2 α-partiklar vid radioaktivt sönderfall.
Livslängder på elektronikkomponenter
≥−
<=
≥
<= −− 01
00)(
0
00)(
xe
xxF
xe
xxf
xx λλλ
![Page 16: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/16.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 57Mats Gunnarsson
Normalfördelningen
Normalfördelningen är vanligt förekommande
– Den bestäms av två parametrar, väntevärde, µ, samt standardavvikelse, σ– -∞ < µ <∞, σ >0
– Utfallsrum: -∞ < x <∞
f x e x( ) ( ) /( )= − −1
2
2 22
σ πµ σ
F x e dtt
x
( ) ( ) /( )= − −
−∞∫
1
2
2 22
σ πµ σ
ξ µ σ∈ N ( , )
![Page 17: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/17.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 58Mats Gunnarsson
Normalfördelningen
För normalfördelningen är F(x) omöjlig att beräkna utan
numeriska metoder (den går inte att lösa ut algebraiskt)
Därför finns tabeller för N(0,1), vilken har fördelningsfunktionen
Φ( ) /x e dtt
x
= −
−∞∫
1
2
2 2
π
Om N så gä lleratt P xx
ξ µ σ ξµ
σ∈ ≤ =
−( , ) ( ) ( )Φ
Φ Φ( ) ( )− = −x x1ξ µσ−
∈ N ( , )0 1
![Page 18: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/18.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 59Mats Gunnarsson
![Page 19: Diskreta stokastiska variabler - HHdixon.hh.se/.../Common/AppliedMath/Notes/statLecture2-3.pdf · 2013. 2. 28. · Frekvens-och fördelningsfunktion Frekvensfunktionen definieras](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022071422/611bf17db3ee0d163901ddf7/html5/thumbnails/19.jpg)
Tillämpad matematik III/Statistik - Sida 60Mats Gunnarsson
Kontinuerliga fördelningar med Mathematica
Om ;
x) =
= CDF[UniformDistribution[a,b],x]
Om !" #
x) =
=CDF[ExponentialDistribution[#],x]
Om (µ;σ)
x) =
= CDF[NormalDistribution[µ;$$$$],x]