Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Савёлова Методические указания к решению задач по вероятностным разделам 2014

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
12.11.2022
Размер:
1.67 Mб
Скачать

Решение. Элементы матрицы

можно найти с помощью непо-

средственного вычисления. Действительно,

=

,

откуда для

элемента

(

) получаем равенство

 

( ) =

(

) ∙(1 −α) + (

) ∙β =

(

)(1 −α) +

+ 1− (

 

) ∙β = β+(1 −α −β) ∙ (

).

 

 

Это соотношение рекуррентно по k с начальными значениями

(

) = 1 и

(

) = 1 −α. Значит,

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

(

) =

+

(1 −α −β) ,

 

 

 

+ = 1, + ∙ (1− α− β) = 1− α.

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

) =

β

 

+

 

(1− α− β) , α+β > 0,

 

 

 

 

α+β

α+β

 

Элемент

 

 

можно1,

 

еслиα = β = 0.

 

 

как дополнения( )

 

получить, меняя

α

и

β

местами, а

( )

и

до 1.

 

 

 

 

 

Пример( )

4.5

 

1− α

 

 

α⁄(

+1)

 

α⁄(

+1)

 

Матрица

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г =

α⁄( +1)

1 −α

 

α⁄(

+1)

 

 

 

 

 

 

 

 

+1)

 

 

1

− α

 

описывает

 

 

α⁄( +1) α⁄(

 

 

 

 

 

модель мутации вируса, в которой вирус либо сохраняет

свой тип, либо меняет его на любой другой тип с одинаковыми вероятностями.

Найти

при

= 0

(число состояний – 2, например, 0 и 1).

Решение. (см.

 

 

 

пример 4.4).

Пример 4.6

Найти предельное распределение вероятностей однородной цепи Маркова с двумя состояниями с матрицей вероятностей перехода

=и = .

Решение.

Имеем

+ = 1,

+ = 1, следовательно,

=

 

,

=

 

.

 

 

 

 

 

 

Уравнения для предельных вероятностей в данном случае имеют вид

101

π

= π

+π ,

π

= π

+π .

Из данных уравнений находим π = ,π = .

Ответ:π = ,π = .

Задачи

4.14.В цепи Маркова с двумя состояниями 0 и 1 вектор распреде-

ления

вероятностей по начальным состояниям

 

 

 

и

 

 

 

вектор

 

 

вероятностей переходов определяется (

соотношениями

 

 

) = (

, 0)

 

=

 

 

,

=

 

. Считая цепь Маркова однородной, найти вероят-

 

 

 

ности цепочек (010), (000), (111).

4.15.Показать, что цепь Маркова с двумя состояниями и матрицей вероятностей перехода

Г= 0 1 1 0

не имеет предельного распределения.

4.16.Найти предельное распределение вероятностей для цепи Маркова с тремя состояниями и матрицей вероятностей переходов

1 2

1 4

1 4

Г = 0

3 4

1 4 .

0

1 4

3 4

102

Ответы и указания к решению задач

4.1.

( ) =

 

 

 

 

exp −

[

(( )

)]

;

 

 

 

 

 

(4.2.) =

∙ +

,

σ ( ) =

σ .

 

 

( ,

) =

( ) =

 

 

 

,

 

 

 

 

,

 

 

σ

 

 

 

σ ( ) =

σ

 

.

 

 

 

 

4.3.( ) = 0,

( , ) =

∙ 1+

,

( ) =

(1+

).

 

4.4.( ) = 2 cos(ω );

( , ) = 9 cos(ω )cos(ω ′); ( ) = 9 cos (ω );

( ) = 2cos(ω )−2 ω sin(ω );

( , ) = 9 cos(ω )cos(ω ) +9 ω sin(ω )sin(ω )−

−9 ωsin(2ω(

+ ));

ω sin (ω )−9

ωsin(2ω ).

( ) = 9cos (ω )+9

4.5.

( ) = 0,

 

 

 

 

2

 

 

 

(4.6.) = 1− Ф

∙t

 

, Ф( ) =

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

( , ′) =

 

√2π

 

 

4.7.

( , ′).

 

 

4.8.

( ) ( ) = 3(1−

).

 

 

 

 

 

( ,

 

( ) =

,

 

)],

 

 

 

 

 

 

) = σ cos[ω(

 

 

 

 

 

σ () = σ ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ( ) −

не стационарна,

 

 

 

 

 

 

 

( )

– стационарна.

 

 

ξ( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

103

 

 

4.9.( ) = 0,

 

( ,

) =

arctg(

 

 

)+

arctg( ) −

1

ln(1+ ) −

1

ln[1+(

− )

] +

1

ln(1+(

) ) −

2

 

2

arctg(

− )+

 

 

 

2

 

 

),

 

 

 

 

 

 

 

arctg(

 

 

 

 

σ

 

() = 2

arctg( );

 

– не стационарна.

ξ4.10.( )

стационарна,

η( )

 

 

 

 

 

 

 

 

4.11.

 

(τ) = 8

 

|

|.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ω) =

 

 

 

(

 

) +

(

) .

4.12.

 

 

 

 

 

 

 

 

) ,

 

 

 

|Ф(iω)| = (

 

 

 

 

 

 

 

(ω) =

 

 

ασ

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

π(α +ω )(9+ω )

 

 

 

4.13.

Указание:

 

η( ) =

τ∙ξ(τ)∙

 

( ) τ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.14.Вероятности цепочек равны соответственно

 

 

1

 

1

 

4

 

 

1

 

6

 

6

 

2

 

1

 

1

4.16.

 

3

7

5

;

3

7

7

;

3

5

5

.

 

π

= 0, π = π

=

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

104

Примеры вариантов контрольных работ

Глава 1

1.В первой урне 2 белых и 5 черных шаров, во второй – 4 белых и 3 черных. Наудачу извлекли шар, он оказался белым. Какова вероятность, что он извлечен из второй урны?

2.Случайная величина ξ равномерно распределена в (−1,2).

Найти закон распределения

 

3. Сколько в среднем

должны содержать изюма булочки, чтобы

 

η = ξ , η, η.

вероятность того, что в булочке найдется хотя бы одна изюмина, была не меньше 0,99?

4. Из урны с

белыми и

черными шарами по схеме

случайного выбора без возвращенияизвлекается шаров. Положим

ξ = 1,Найти

 

 

 

ξ = 0

 

( = 1,2,

если i-й шар белый, и

, если i-й шар черный

 

...,Указание). .

, cov

ξ ,ξ ,

≠ .

 

 

 

Использовать

ξ

= ξ .

 

 

 

 

 

 

 

5.Случайный вектор (ξ,η) равномерно распределен в тре-

угольнике,

ограниченном осями координат

ОХ, ОY и прямой

= 2(1−

).

Найти плотности распределения

ξ,η.

Выяснить, зави-

6.

 

ξ иη.

 

 

симы или нет

 

 

 

Вероятность наступления события А равна ½. Какова вероятность, что при проведении 1000 независимых испытаний число наступления события А заключено между 350 и 600?

105

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Главы 2–4

 

 

 

 

 

 

 

1.

 

Найти оценку ММП параметра

θ

по выборке

 

,...,

для

случайной величины с плотностью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

,θ) =

1

exp −

1

 

,

 

0,

 

 

 

 

Найти

θ,

θ.

 

 

 

 

 

θ

0,

θ

< 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исследовать смещенность, эффективность, со-

стоятельность оценки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ

 

 

 

нормальное

 

 

 

 

,...,

 

случайной

величины

,

имеющей

2.

 

Для выборки

при

 

(

 

=

 

 

 

 

 

 

 

,σ)

предложена оценка

 

дисперсии

 

 

распределение

 

 

 

 

 

 

(

− )

 

 

известной величине

ξ = .

Доказать, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

случайная величина

 

 

имеет распределение

χ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Указать алгоритм моделирования случайной величины ξ с

плотностью

 

( ) =

 

1

 

1−

1

| | , | | 2,

 

 

 

 

 

4. Найти

формулы

2

 

моделирования2

случайной величины

для

 

0,

| | > 2.

 

(ξ,η)

с плотностью

(

,

) = 3

в треугольнике, ограниченном пря-

мыми

= 0,

= ,

 

= 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Найти плотность распределения случайной функции ξ( ),

тервалеξ( ), ξ( ), если ξ( ) =

+ ,U равномерно распределена в ин-

6. Пусть( , ),−∞ < <

< +∞,

= const.

 

если в t

случайная величина

 

 

 

испытании схемы Бернулли с

вероятностью успеха p в отдельном

 

= 1

( = 1,2,...,

),

 

испытании произошло четное число успехов, и

в противном

случае. Показать, что

 

 

 

цепь Маркова.

 

 

 

образуют= 2

 

 

Найти матрицу

вероятностей переходов.

 

 

 

 

≡ 1,

 

,…,

 

 

 

Указание. Четность числа успехов к данному испытанию зависит только от четности числа успехов к предыдущему испытанию.

106

Список рекомендуемой литературы

1.Айвазян С.А. Прикладная статистика / С.А. Айвазян, В.С.

Мхитарян. – М.: ЮНИТИ, 2001. – Т. 1. – 656 с. – Т. 2. – 432 с. – Т. 3.

с.271.

2.Ватутин В.А. Теория вероятностей и математическая статистика в задачах / В.А. Ватутин, Г.И. Ивченко, Ю.И. Медведев, В.И.

Чистяков. – М.: Агар, 2003. – 326 с.

3.Вероятностные разделы математики / под ред. Ю.Д. Максимова. – СПб.: Иван Федоров, 2001. – 589 с.

4.Золоторевская Д.И. Теория вероятностей. Задачи с решениями. – Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – 168 с.

5.Кельберт М.Я., Сухов Ю.М. Вероятность и статистика в примерах и задачах. – М.: МЦНМО, 2010. – Т. 1. – 486 с. – Т. 2. – 560 с.

6.Прохоров Ю.В., Пономаренко Л.С. Лекции по теории вероятностей и математической статистике. – М.: МГУ, 2012. – 254 с.

7.Ребане Г.П., Савёлова Т.И. Методические указания к решению задач по теории случайных функций. – М.: МИФИ, 1990. – 20 с.

8.Савёлова Т.И. Метод Монте-Карло. М.: МИФИ, 2010. –150 с.

9.Сборник задач по теории вероятностей, математической статистике и теории случайных функций / под ред. А.А. Свешникова. –

М.: Наука, 1970. – 756 с.

10.Соболь И.М., Савёлова Т.И. Методические указания к решению задач по теории вероятностей. – М.: МИФИ, 1991. – 28 с.

11.В. Феллер. Теория вероятностей. – М.: Мир, 1964. – Т.1. –

499 с.

12.Чистяков В.П. Теория вероятностей. –М.: Наука, 1987 –240 с.

107

Приложение 1

Таблицы случайных величин и вероятностных распределений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица П.1.1

 

 

 

 

Некоторые дискретные распределения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х.ф.

 

 

 

 

 

Распределение

Вероятности

 

 

ожида-

 

 

 

Дисперсия

 

 

 

 

 

 

 

Me

 

 

 

 

 

 

Пуассона

 

 

 

(ξ =

)

 

 

 

 

ние

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначение

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(λ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

)

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биноминальное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

+

 

)

 

 

 

0 <

< 1,

 

C p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1− .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,1,…,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гипер-

 

 

 

C

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( −

)(

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

геометрическое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,1,…,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

1 (

 

) −1

 

Равномерное

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,1,…,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица П.1.2

 

 

 

 

Некоторые непрерывные распределения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плотность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х.ф.

 

 

 

 

 

Распределение

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

Мат.

 

Дисперсия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ожидание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Равномерное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a+b

 

 

 

(

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞ <

< <

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

it( −

)

 

 

 

< +∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λe

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

Показательное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ −it

 

Гамма Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ > 0,

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

it

 

 

 

 

 

(α,λ)

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

1−

 

 

 

 

 

α > 0, λ > 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г(α)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нормальное

 

 

 

 

exp −

(

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

,σ),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| | < +∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√2πσ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

108

Продолжение табл. П.1.2

 

 

Плотность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х.ф.

Распределение

(

)

 

 

 

Мат.

 

 

 

 

Дисперсия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначение

 

 

 

ожидание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коши

 

π( +(

) )

 

 

 

Не

 

 

Не

 

 

 

 

 

| |

 

α, (−∞,+∞)

 

 

определено

 

 

определено

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица П.1.3

 

Некоторые непрерывные распределения, часть 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначение

 

 

Область

 

 

Распределение

 

Характеристики

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ =

 

 

Хи-квадрат

 

 

0

 

 

χ ~

(

(0,1))

 

 

 

 

 

 

χ

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ = 2

 

 

Стьюдента

 

−∞ < < +∞

 

 

~

 

(0,1)

 

 

 

 

ξ = 0,

> 1

 

 

 

 

 

 

χ /

 

 

 

ξ =

−2

, > 2

 

Фишера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

χ

/

 

 

 

ξ =

 

−2

,

> 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

( +

−2)

,

 

 

0

 

 

 

, ~

χ /

 

 

=

( − 2) ( − 4)

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> 4

 

 

109

Приложение 2

Вклад русских ученых в развитие теории вероятностей

Если в начале девятнадцатого века главными потребителями

веро-

ятностных методов были теория артиллерийской стрельбы

и тео-

рия ошибок, то в конце девятнадцатого века и в начале двадцатого теория вероятностей получает много новых применений благодаря развитию статистической физики и разработки аппарата математической статистики.

А.Н. Колмогоров

Пафнутий Львович Чебышёв (1821–1894) был воспитанником Московского университета, где в 1841 году защитил магистерскую диссертацию «Опыт элементарного исследования теории вероятностей». В 1847 году он переехал в Петербург, где работал до своей кончины. С 1853 года был членом Академии наук. Круг научных интересов Чебышёва достаточно широк: теория вероятностей, теория чисел, теория приближения функции действительного переменного и т. д. В теории вероятностей заслугой Чебышёва П.Л. является значительное обобщение «закона больших чисел», введение нового метода – метода моментов, центральная предельная теорема для сумм независимых случайных величин.

Андрей Андреевич Марков (1856–1922) обобщал результаты сво-

его учителя П.Л. Чебышёва и уточнял его доказательства. А.А. Марков ввел «цепи Маркова», оказавшиеся важным орудием при использовании вероятностных методов в науке и технике. Цепи Маркова появились в работе 1908 года. (Термин «цепь Маркова» был использован С.Н. Бернштейном в 1916 году. В западноевропейский научный обиход этот термин был введен Ж. Адамаром, знаменитым французским математиком).

110

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]