- •Функции от случайных величин
- •Пусть имеется вероятностное пространство
- •Функции от дискретной случайной величины
- •• Если функция ( X ) монотонна, то каждому значению X
- ••Если функция ( X ) немонотонна, то различным значениям
- ••Следствие. Если функция не является монотонной, то интервал значений X следует разбить на
- •Предельные теоремы теории вероятностей
- ••Предельные теоремы возникают в задачах, в которых рассматриваются с.в., являющиеся суммами большого числа
- •• Закон больших чисел
- •Смысл ЗБЧ:
- •Теорема (ЗБЧ в форме Чебышева). Если над с.в. X производится
- •Т.е. среднее арифметическое большого числа с.в. Как угодно мало отличается от среднего арифметического
- •Центральная предельная теорема
- •Теорема (ЦПТ). Если X1 Xn - независимые одинаково распре-
- •Теорема (ЦПТ в форме Ляпунова). Если X1 Xn
- •Предельные теоремы в схеме Бернулли
- •Доказательство этой теоремы опирается на формулу Стирлинга:
- •Теорема (Пуассона). Если n , p 0, np const 0 , то
Смысл ЗБЧ: |
n |
Y |
m |
X |
|
Y m |
|
||
Рассмотрим строгие формулировки ЗБЧ при различных условиях
Вспомогательные неравенства, которые можно использовать для оценки вероятностей событий, связанных со с.в., распределение которой неизвестно:
Теорема (неравенство |
Маркова). Если с.в. X принимает |
||||||||||
неотрицательные значения, то 0 справедливо: |
|||||||||||
|
P X |
MX |
|||||||||
или |
P X |
|
|
|
|||||||
|
1 MX |
||||||||||
Теорема (неравенство Чебышева). Если с.в. X имеет конечную |
|||||||||||
дисперсию, то 0 справедливо: |
|||||||||||
|
P |
|
|
X MX |
|
DX2 |
|||||
|
|
|
|||||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DX |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
X MX |
|
1 2 |
||||||
|
|
|
|||||||||
Теорема (ЗБЧ в форме Чебышева). Если над с.в. X производится
n |
независимых испытаний, в которых она принимает значения |
|||||||||
X1 |
Xn |
(т.е.X1 Xn |
|
|
- независимые одинаково распределен- |
|||||
ные с.в.) то 0 справедливо: |
|
|||||||||
|
|
lim P |
|
|
1 n |
X |
i |
MX |
|
1 |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
или |
|
|
|
n i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
lim P |
|
|
1 |
n |
X |
MX |
|
|
|
0. |
|
|
|||||||||
n |
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
n i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Теорема (ЗБЧ для различных с.в. с форме Чебышева). Если с.в.
X1 Xn |
попарно независимы и |
с 0 |
, т.ч. DXi c i 1, 2,... |
||||||||||||||
то 0 справедливо: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
1 Xi |
1 MXi |
|
|
|
1 c 2 |
|||||||||
|
|
|
|||||||||||||||
|
P |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
n i 1 |
|
|
n i 1 |
|
|
|
|
|
n |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
lim P |
|
|
1 n |
X |
i |
1 |
n |
|
MX |
i |
|
|
1 |
|||
|
|
|
|
||||||||||||||
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
n i 1 |
|
|
n i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Т.е. среднее арифметическое большого числа с.в. Как угодно мало отличается от среднего арифметического их математических ожиданий. Поэтому, например, при измерении какой-либо величины в отсутствие систематической погрешности именно среднее арифметическое от результатов всех измерений принимается за истинное значение с.в.
Центральная предельная теорема
Все условия, в которых выполняется центральная предельная теорема в различных формулировках, сводятся к требованию, чтобы влияние на сумму отдельных слагаемых было равномерно малым, т.е. чтобы в состав суммы не входили слагаемые, явно преобладающие над совокупностью остальных по своему влиянию на распределение суммы.
Простейшая формулировка ЦПТ получается, когда с.в. одинаково распределены.
Теорема (ЦПТ). Если X1 Xn - независимые одинаково распре- |
|
деленные с.в. (причем MXi m, DXi 2 |
i 1, n ), |
имеющие конечную дисперсию, то функция распределения центрированной и нормированной суммы этих с.в.
|
n |
|
n |
|
|
n |
|
Xi M |
|
|
Xi n m |
||
|
|
Xi |
|
|||
Zn |
i 1 |
i 1 |
|
|
i 1 |
|
n |
|
|
n |
|||
|
|
|
|
|||
|
D Xi |
|
|
|
||
|
i 1 |
|
|
|
|
|
cтремится при n |
|
к функции распределения стандартного |
||||
нормального закона равномерно по всем x : |
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
x |
t2 |
F (x) P(Z |
|
x) (x) |
|
e |
2 dt |
|
n |
|
|||||
Zn |
n |
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
||
Теорема (ЦПТ в форме Ляпунова). Если X1 Xn |
|
- независимые |
|||||||||||||||||
с.в., у каждой из которых существует математическое ожидание |
|||||||||||||||||||
и дисперсия ( MXi mi , DXi i |
2 |
i |
|
) и M |
|
Xi mi |
|
3 ci3 , |
|||||||||||
1,n |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
lim |
|
ci3 |
|
0, то |
|
|
|
n |
|
n |
|
|
|
|
|
||||
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
3 2 |
|
Xi MXi |
|
|
|
|
||||||||||
n |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
2 |
|
|
F (x) P |
|
i 1 |
i 1 |
x (x) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
n |
||||||||||||
|
i |
|
|
Zn |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|||||||
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
DXi |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|||
Из ЦПТ следует, что при больших |
n сумма |
Sn X1 X n |
|||||||||||||||||
приближенно распределена по нормальному закону: |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Sn |
N(nm, |
n ) |
|
|
|
|
|
|||||
Кроме того уже при n 10 |
выполняется соотношение: |
|
|
||||||||||||||||
P(a Sn b) 0 |
|
|
|
|
b MSn |
||||
|
|
S n |
|
|
0 |
a MSn |
||
|
|
||
S n |
|||
|
|
||
b0
mn |
a mn |
||||
n |
|
0 |
|
n |
|
|
|
|
|||
Предельные теоремы в схеме Бернулли
Рассмотрим схему Бернулли. Как известно, с.в. X - число (m)
успехов в схеме Бернулли имеет биномиальное распределение, т.е. ее закон распределения имеет вид: P( X m) Cnm pmqn m.
При больших n применение этой формулы затруднительно, поэтому возникает необходимость в асимптотических приближенных формулах.
Впервые формула такого рода была найдена Муавром для частного случая p q 0.5, а затем обобщена Лапласом для произвольного p
Теорема (локальная Муавра-Лапласа). Если с.в. X |
- число |
|||||||||||||||
успехов в схеме Бернулли, величина x |
|
|
m np |
равномерно |
||||||||||||
ограничена по |
m и по n |
, то |
|
|
|
m |
|
|
|
npq |
|
|||||
1 |
n (m) |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
P(X |
m) (xm ) |
, |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
npq |
|
|
|
|
|
|||||
где (x ) |
1 e |
x2 |
|
|
|
|
|
c |
|
|
||||||
2 - функция Гаусса, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
, c 0 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Доказательство этой теоремы опирается на формулу Стирлинга: |
|||||||||||||||
|
m! 2 m mme me m , |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
12m |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
и разложение в степенной ряд функции |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
q |
|
q |
|
1 qx2 |
|
|
|
1 |
|
|
|||
ln |
1 x |
|
x |
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
. |
||
|
np |
2 np |
|
3 |
|
||||||||||
|
|
np |
|
|
|
|
n |
2 |
|
||||||
На практике теорему можно применять, если n - велико, а p и q не очень близки к нулю ( n 100, npq 20 ), тогда
|
1 |
|
m np |
P(X m) |
|
|
. |
|
|||
|
npq |
|
|
|
|
npq |
Если p или q близки к нулю, эта формула начинает плохо работать, в таком случае следует применять теорему Пуассона (закон редких событий).
Теорема (Пуассона). Если n , p 0, np const 0 , то
P( X m) Cm pmqn m e m . |
||
n |
n , p 0 |
m! |
|
|
|
На практике формулу Пуассона можно применять, если
p 0.1, npq 10
Если необходимо при больших n необходимо вычислить вероятность попадания с.в. с распределением Бернулли в интервал, то следует применять интегральную теорему Муавра- Лапласа :
Теорема (интегральная Муавра-Лапласа). Если n , p const,
p (0,1)
или
, то
P(a X
P a
b) 0 |
b np |
0 |
|
a np |
|
|
|
|
|
||
|
|
npq |
|
|
npq |
|
|
|
|
|
|
m np |
|
0 b 0 a . |
b |
||
npq |
|
|
|
|
