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

книги из ГПНТБ / Богданов, В. Н. Теория вероятностей (учебное пособие)

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
21.10.2023
Размер:
9.34 Mб
Скачать

80

в а л (х ,Х * А °0

(см . р и с .'2*13 .1 ).

Поэтому вероятность попадания^

в интервал 6 ^

равна вероятности

попадания X в интервал

:

(2 .1 3 .2 ) .

В равенствах (2 .I3 .X ) и (2 .1 3 .2 ) одинаковые левые части. Приравни­ вая правые части, получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 2 . 1 3 . 3 ) '

В силу непрерывности заданной функции,

 

0

при Д0с~?О

.

Фор­

мула для E (V ) * где " У -4 (X ) принимает

окончательный

вид:

 

 

 

 

 

 

'

^со>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е [4 )

|

 

-

 

“ 1 i M

' 4

,lx)<Ax

 

 

 

сг.хз.^)

( при х^оказательстве считали функцию

 

возрастающей ).

 

 

 

По тому же принципу выводятся следующие формулы:

 

 

 

 

 

 

Дисперсия функции одного случайного аргумента:

 

 

 

 

 

3) [{(I)}- * [ Шх)-Е

 

 

 

 

 

 

 

 

<2ЛЗ-5>

 

-с о 1

ожидание

функции двух случайных

аргументов:

Математическое

 

 

- | 1

Ц ъ № * ф * * %

 

 

 

 

 

{2ЛЗ‘ 6)

Дисперсия функции двух случайных аргументов;

 

 

 

 

 

» Н а,ч )Н

 

 

 

 

 

 

 

 

* 5

 

<гл’ ’7)

 

. - 00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 14.

Закон распределения линейной

функции

случайных

 

 

 

 

 

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

аргументов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дано:

линейная

функция

~ У\%+ 4 ,

где

К

и

4

-

коэффициен-

 

 

 

 

с

 

 

 

 

Требуется

найти

ты, и плотность распределения аргумента

 

 

плотность

распределения

функции

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Считая K'jO

(

при

этом

данная функция

является возрастающей),

используем равенство (2 Л З .З ), Разделив

обе

его

ч&сти

на

 

 

и

половив fi3c—^ Г) ,

получим

 

 

 

, Выражая

согласно заданной

фуехции X, через

 

 

ч’

 

находим %

 

 

i

l

 

и определяя*

 

я

> о “

Гч

:

 

 

Л

 

V

 

 

 

 

 

81

Отсюда:

(2Л 4.2)

Если *40 (при атом апаш! АХ и

различные). равенство (2.13.3)

имеет вид

• йровеыш так же. найдем

 

о л о )

Сравнивая формулы (2.1Л.2) и <2.1***3). видим,что они могут быть объединены в одну:

W -ftVU^l

(2 .U .I)

 

§ 13. Теорему о математическом ожидании и диоперсии

 

Формулы математического ожидания и дисперсии функций случай-

 

*

 

ных аргументов используем для доказательства следующих теорем:

I.t Математическое ож«щаше постоянной (или не случайной) ве­

личины равно ел самой.

,^

 

Пусть

 

^ •

 

-со

 

2. Дисперсия постояшой величины равнанулю.

 

•уой

^гОО

Пусть \ m * t • ТоГда^ (с)г [ [с- е^ Ч

м й х Ц И М * - ) ^ " 0

3. Постоянный сомножитель можно выносить за знак математи-

'>

ческого ожидания.

HysTb-^Xl-C-X .Догда

 

£(С -Х )-|

j Х-ЦДхуоОс. - C E ( X )

4.

- О »

- С О

 

За знак дисперсии

постоянный сомножитель выносится возве­

денным в квадрат.

+в>

^

Пусть { ( , \ ) - ( . \ , тогда ${tX) - 1 [ffc-E W O ]

 

 

оо —о®

 

- Т ( м . - с Ё Ш ] Ч W A 3 t = c ‘ I

- t Ll { X )

-со1

 

**«>

случайных величин равно суц^

5.

Математическое ожидание суммы

ые их математических ожиданий.

 

 

 

82

 

 

 

 

■i oG

 

Пусть

 

.

т о г д а Е а ^ ) - ( [(* П Ж М ^ * < Ц -

+CG

 

**0C

■'°°

 

1| ^

0

+ \ 1

\* ,1р Л *-Л ^ z EOL) -v f. CJ)

 

- ао

-QC

 

. Обозначив

Пусть

имеем сумму

трех случайных величин Х**3”*^

Х ,^

- I f , находим: £ 1 У*•♦У+1) -Е(0 * i) -£($) *ЕИ ) -

 

I Е ( Х ^ ) t Ш ) -

Таким же способом доказывается, что данная теорема справедлива для любого конечного числа слагаемых.

6.Дисперсия суммы независимых случайных величие равна с

их дисперсий.

 

-vco

 

^

Пуст? |(Х .^)-Х +13 .

 

тогда3)(Х'^) =■1

1

4l' Vj)dx'dlf:

* ofi>

f.

J>QO

л

 

'•|J [ х - Е Щ ^ - Е М ]

 

' [ [ f e - Щ

W

* . ^ * ^ *

- со

 

О

 

 

-СКЗ

-us

'w

n«4

«V>

- а т - ^ м х ^ + а д -

Так как X и 'J независимы, то

. Следовательно,

Ъ\Ж) *34^5) • Теорема справедлива для любого конечного

числа слагаемых. Доказать это можно таким же способом, как было оделано в предыдущей теореме.

7.

Математическое

ожидание произведения

независимых случ

ных величин равно произведению их математических ожиданий*

Пусть

“Х'^5 •

Так как

X и **3

независимы,

то^Х^-ЧДХ)^

При этом имеем:

Ч-»0

 

 

+<50

 

 

 

 

 

Ш Я )

- \ \ *■

,I*) ‘{А ч )

 

{

 

d иг | %<\ х%)Ц ^ *('

ч- ЪЗ

 

~*>0-+С£>

 

г

»к£

- | x 4 . W d * . - E 0 j ) - E l 3 ) J х ч ^ Н х - а д Ш ) .

ос

ОО

83

8, Дисперсия случайной величины равна разности между матема­

тическим Ожиданием квадрата этой случайной величины и квадратом её ма­

тематического

ожидания.

Пусть V -

-X . , тогда

- 1 j x - t ( X ) ]

(fA*) d х - t.

^ d* - 2.ЕШ |г д*.) ЛX Ч"

- O Q

 

» СсР

Н Е Ш ] 1- ) ч.№ <*ъ = S *-l W

* ) - l [ f . < X ) f ->[ f - 'J l f - 1 "

- o o

- O O

 

+ <x?

•Л

 

 

 

-1 f:OOj

-00

-VO c

 

 

 

 

Но i

- Е ( Х 1)

.

Действительно, если

рассмотреть

 

 

 

■* <эо

 

функцию 1 Ш

- 1 1 . то Ц У 1) - J X ,'4 A /J:A d /X .

 

Следовательно, Э Д - Ц Х ^ [ Е М Г .

 

З а м е ч а н и е . Свойства

математического ожидания

и дисперсии

были доказаны для непрерывных случайных величин, однако они имеют место и для дискретных случайных величин.

ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ П

Законы распределения

случайных величин •

(к »

1, 2)

 

О

1. Производится набрасывание колец на колышек до первого по­ падания, либо до полного израсходования всех колец, число которых равно пяти. Построить ряд распределения числа брошенных колец, е с ­ ли вероятность наброса равна 0 ,9 . Найти функцию распрезеленяя и построить ее график.

84

Р е

ш е н и е . Случайная величина

X

- числа бросаний, Её

ва­

рианты:

 

I ......... %s * 5. Вычислим вероятности

вариантов.

Пусть

со­

бытие J?

-

попадание на

колышек,

собы тие^

-

промах,-По условию

 

Pl*A)-0»S

,

следовательно

,

^ 1--0|S

 

 

 

 

 

 

Событие X-Ос, означает наступление

события

 

при первом

бросании

 

 

. СобытиеX -X * . состоит

в совпадении

событий J-

и ф

• По правилу

умножения вероятностей

 

 

 

 

- 0,0^

• Событие

Х"-'

состоит в совпадении

событий Л

J[

и ф

, откуда

 

 

р ( ^ ) р ^ ) р ( ^ ) х 0-,0ОЗ р

аналогично

р№ м)-[Р^)]*р(уД )-0,0009,

Событие X - X* означает,

что

при первых

четырех

бросаниях

произошли

промахи. Поэтому

 

-0,0OOl

независимо от того, попада­

ние или промах произойдет при пятом бросании. Окончательно имеем ряд распределения:

г . Партия в 100 изделий содержит бракованных 10. На проверку берется 5 изделий. Построить ряд распределения числа бракованных изделий в выборке. Найти функцию распределения и построить её гра­ фик.

Р е ш е н и е . Случайная величина X

число бракованных изде-

85

лий в

выборке. Ее в а р и а н т ы :

0 .........

 

5.

Найдем вероятность

того* что в выборке

содержится

к

бракованных

изделий* т .е . вероят­

ность

варианта

, Восшдазуемо;

классическим определением ве­

роятности:

» гдб Пг-число всевозможных

случаев* то

-

число

благоприятствующих

случаев.

 

 

 

 

 

 

 

Число

возможных выборок, разнящихся

по

крайней

мере

одной деталью,

 

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

по

 

В партии

равно числу сочетаний из 100 элементов

5, т . е , 1г - С 1вв .

10 бракованных изделий. Число составленных из

них групп по

К

дета-

лей, разнящихся по крайней мере одной деталь»,

р а в н о - .

Совмест­

но с каждой такой группой может быть любая из

групп

по (5

- к )

до­

брокачественных деталей, разнящихся

по крайней мере одной деталь»,

число

их равно

. Тогда

 

ftv-

О

 

и искомая

вероятность

 

 

 

 

К * м О -С * -С Г Г‘ *^Г

. Давая

К

последовательно

значения О,

I . . . . 5

и выполняя арифметические действия,

получаем искомый ряд распреде­

ления в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* 0

I

 

 

2

 

" —

...—

4

5

 

 

 

 

 

 

 

3

.

 

р « ч )

. 0,583

0,340

0,070

 

0 *00'7

0.

0

 

П р и м е

ч а н и е .

Вычисления выполнены с точностью до 0*001.

Функция распределения и ее

график. i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приХ^О

46,Ь*Ъ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.о,ш >

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при HScJjL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

W

:

 

при

 

 

6ЯЬ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при Ъ\^{Ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прл Ч Х ^ а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при XlS*

 

 

 

 

 

 

 

 

г ° ^ Х

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

3, Может ли Функция

роятностей случайной

величины

а )от ь- до

ъ

б ) ОТ

 

быть интегральной функцией не*

А, ;

 

в пределах:

меняющейся

до

-40

?

Л

86

Р е ш е н и е ,

 

Если

непрерывная случайная величина X

меняет­

ся в пределах

от Cl до &

 

, то интегральная Функция вероятностей

 

должна быть положительной, не убывающей на интервале

 

обладать

свойствами:

1Чс*Л*0

и

. Делаем про­

верку :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) Функция ч-<>и\,Хположительная

и возрастающая на

интервале

(

0, ^ ,

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

кроме Toro,iuv0-0 ,

 

 

 

 

 

 

Ответ положительный.

 

 

б ) Функция

5,Си х.

на

интервале

(

о,Т\ )

не является

монотонной,

* up, 0= 0 ,

iurv-л -О

.

Ответ

отрицательный.

 

 

 

4, Найти

постоянную

с,

из

условия,

 

 

чтобы Функция^-С-&

явля­

лась интегральной функцией вероятностей случайной

величины

X

,

изменяющейся

в пределах

от

0

д о + -о о .

 

 

 

 

Р е

ш е

н и е.Если

 

Ft*-) естъ интегральная функция вероятнос­

тей -случайной

величины

X

р меняющейся

в пределах

от Со до

4

* то

на этом интервале функция 14%) должна быть положительной, неубыва­

ющей и при

этом FlAl

-0 , f4 1 ) - 1 .

 

 

 

У нас о .-0

о

, отсюда(1-I . При этом

значении 0/ данная функция

, i - t z C

положительная, возрастающая и

 

, так

как

 

 

 

 

 

 

X -ч гео

5. Случайная величина X

изменяется

в

интервале

о т - ° ° до-^ оо.

Её интегральная Функция вероятностей имеет

вид: К ^ ) -C-v-ft

Требуется

найти: а)

постоянные

С и К ,

б )

плотность

распределе­

ния вероятностей, в) вероятность того , что случайная величина ока*

жется

 

в

интервале от 0 до 2.

 

 

Р

е

ш е

н и е .

а )тЛз условияK ^ - F l r 00) -0 и Ц4>)-F I*'3**)*!

получаем

систему уравнений:

 

 

Р

■ . . .

/

„ л . - , > 1. . Х л .

(

 

VXWm

(с *

f-vctctb ^ Nj -0

<

V -л - ОО

О

 

J

 

 

У* СлД/С ^и

^ 'j —\

 

 

С v fv*\ С

 

 

X,

л

1

 

 

 

 

 

 

 

 

87

Решая систему, находим: С,х-~

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда:

 

 

* 5Г^ясЛ<| --*• •

 

 

 

 

 

 

 

б) Плотность распределения^(/t) есть производная от интегральной

 

функции F M .

Имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Вероятность того, что случайная

величина

X.

окажется в интервале

от •£, цо % , равна:

р ( Х ^ Т Л ^ х ) -

Р ^ Ч Т И ? 4*)-

 

 

 

 

В данной задаче

х , - 0

 

 

, » ( Н Х < Л ) - И 1 ) ~ * 4 °} -

 

= l

* х е1мЛ3 *1 “ l t + T

 

t ) ' зг ^

1' V

 

 

 

 

 

6.

 

Плотность

распределения вероятностей

случайной величины

X

задана

так:

 

.

^ п р и

ХЬЪ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.0

при

%>0

 

 

 

 

 

 

Требуется

найти

интегральную

функцию вероятностей

и вероятность

то­

го , что случайная величина

окажется

в интервале

от -

I до + I ,

 

 

Р е ш е н и е .

Используем для решения

выражение

интегральной

функции распределения

через плотность распределения

-со

d x

 

 

о о __

 

 

 

,& _ _ _ _ * S L _ Z t2£:__________

 

 

Пусть х <0

,

то

 

 

«•Л

 

—оо

,

 

(X

 

Пусть

Хуо

,

то

 

х.

 

'

р° *

.

 

 

 

 

.х,

 

 

 

 

${%)- j 4№)<^x-|41'x,)dx+) '-u x ^ x -j

 

cf.Xr'*-je 4 * ." l.

Следовательно:

 

 

ft,*" при

Зо^О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F C x )-

^

при

 

.

 

 

 

 

 

Находим вероятность

попадания

случайной величины

X

в интервал

от

I

до

+ I :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Икала секундомера имеет цену деления 0,2 сек. Найти вероят­

ность того, что отсчет оудет сделан с ошибкой не более 0,05 сек .

если он выполняется с точностью до целого деления с округлением в ближайшую сторону.

88

Р е ш е н и е .

Пусть ближайшим к стрелке

оказалось

деление

m .

Фактическое

положение

стрелки -

случайная величина X .

Интервал

её

изменения от

№ - 0,1

до ИИ 0 ,1 .

Распределение равномерное, т .е .

 

внутри интервала им ееи ^(х):;£, вне интервала

Из условия

 

t-dlX -i

 

находим

. Отсчет будет сделан с ошиб­

кой не б?}йе

0,05

сек, если случайная величина

X. окажется в интер­

вале от W -

0,05 до т + 0 ,05 .

 

 

 

 

Вероятность

этого

( т .е . искомая

вероятность) равна:

 

 

8.

Известно, что если лаш?а проработала

X

дней,

то вероятн

её выхода

из строя в

следующие. Д Х

дней равна

К ДОС. .

Найти

вероятност]

выхода

из

строя лампы в течение Ь

дней.

 

 

 

 

Р е ш е н и е .

Случайная величина X - число

дней с момента

включения до перегорания лампы. Интегральная

функция

вероятностей

£ (ъ )

®оть вероятность т о г о , что лампа перегорит

в промежутке от О

до % . Тогда искомая вероятность будет равна

 

*

R& )

 

Поэтому

для решения

задачи необходимо найти

интегральную

Функцию •

.

Найдем Р(£*Д%) - вероятность того, что лампа перегорит в промежут­

ке времени от 0 до Х,-*ДХ. Это может произойти двумя путями. Первый

путь

(назовем

его событием А

) : лампа перегорит

в промежутке вре­

мени

от 0 до

ос. . На основании вышеизложенного

вероятность собы­

тия «А равна:

р ( А ) ~

 

 

 

 

 

Если

обозначать А

- событие,

противоположное событию А

( т .е .

лампа за указанное время не перегорит), то

 

 

 

 

 

Второй путь (назовем его

событием Ь ) : лампа не

перегорит

за

в р е X. ( т ,е .

произойдет событие j f ) и перегорит

за

время д х

(на­

зовем это событием ф ) . Таким образом, событие 6

состоит

в совпа­

дении событий

и

S) .

 

 

 

 

 

89

На основании правила умножения вероятностей имеем5

Величина

р (Л ) найдена выше. Величина р(Д>) дана по условию;

рД О =К аХ . Тогда.

|H!b)s [}-Г*С*-)}'6'Л%.

 

 

 

 

 

Поскольку

для

перегорания

лампы за время

 

достаточно одно­

го из

событий

кЯ

или &

,

то по

правилу

сложения вероятностей по­

лучим?

H x-vA % )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

Поскольку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

будем

иметь?

 

 

 

f (%.) + A р (ъ )

- Р(% } ■» [I ■- Г-W

] К.-6Х .

 

 

 

 

 

Отсюдр

 

 

 

 

& f - W

 

^

 

 

 

При

 

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

■f f

i

 

- K-M^c

 

 

 

 

(? ** Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{ ~ Г-

{%)

 

Интегрируем

это лифТеренциальное

уравнениеs находим;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г , ■

 

- 1-

а(&ч%-$С>^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И ъ )

ь

 

 

 

 

 

 

Постоянную

t

найдем из следующего условия0 Время, потребное1для

перегорания, всегда положительно* Поэтому случайная величина Т .

изменяется

в

интервале? ( о * © © ) .

 

 

 

 

 

 

Как

 

известно,

если

 

 

 

0 то f IW -О •

 

1.

Поэтому

 

 

 

 

 

О

о Отсюда L * О0 При

этом условиеК^)»Р^Ьо)-5

токе выполнявтсяа Итак, F{%) %\~Ь

 

 

 

 

 

Искомая

вероятность равна

К * ) !

г

 

■Н/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 о

Вероятность

того ,

что

молекула,

испытавшая в

момент X » О

столкновение

с другой молекулой и не шевшая других столкновений

до момента

% р испытываем

столкновение

в

промежутке

времени

. ( x yX-frA%^

равна

&•&%

0 Найти

вероятность того , что

 

время свобод­

ного пробега

(То©,,

время

между

соседними

столкновениями) будет

больше X

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F в

ш о

и ш ©о

Случайная

величина X

- время свободного про­

бегаю

Если j - ( x )

-

её интегральная функция

распределения, то р(% )~

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ