 
        
        книги из ГПНТБ / Гришин В.К. Статистические методы анализа результатов измерений учеб. пособие
.pdf- ги -
| При малых значениях | S) | распределение | Пуассона | асиммет | |
| рично относительно N = ^ | 
 | (см.рис.3). При | ^ » | I | распре | 
деление становится практически непрерывным и совпадает с нор
мальным распределением со средним значением и дисперсией,рав
| ными /V | (см . рис . 4): | (N-N) | .2 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | P(N)— | т = = е | 2 R | ' | CI.29) | 
События, подчиняющиеся статистике Пуассона, обладают
вачным свойством: сумма пуассоновских процессов - также пуао-
| соновокий процесс | ио | средним | и дисперсией, | равными | соответст | |||
| венно | сумме средних и дисперсий | каждого из | процессов. | |||||
| 
 | 
 | 
 | I | к Д А Ч И | 
 | 
 | ||
| 
 | 1. | Показать, | что | если | С | -постоянная величина, то: | ||
| 
 | 
 | Q) С = С ; | 
 | 
 | Ш £>(с) - О ; | 
 | ||
| где | у | - л»)бая | случайная | величина. | 
 | 
 | ||
| 
 | Указание: Постоянную можно | рассматривать как | дискретную | |||||
случайную величину, которая принимает только одно "начение о
| вероятность: , | равной единице, | 
 | 
 | 
 | 
| 2. Распределение молекул | газа | по | скоростям опиоываетоя | |
| соотношением | Максвелла: | 
 | m У* | |
| 
 | p(V) » Const | Є | І к | Т V 2 . | 
| Найти среднюю и | наивероятвэйшую скорости частиц. В чем причи | |
| на их различия? | 
 | 
 | 
| 3. Вероятность отражения вратарем пенальти | р =1/4. | |
| Елачит ли э ю , что из ч-х мячей вратарь | обязательно | отразит | ||||||||||||||
| один? | Какова | вероятность того, | что он на самом | деле | возьмет | |||||||||||
| хотя | бы один | мяч? | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | Ч-. Вероятность выхода | из строя одного мотора равна | 
 | р . | ||||||||||||
| При каких значениях | р | 
 | двухмоторный | самолет | следует | пред | ||||||||||
| почесть четырехмоторному- (полет продолжается, если | работает | |||||||||||||||
| не менее | половины | моторов)? | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 5. Счетчии регистрирует в среднем | 2 ч/сек . | С какой | веро | ||||||||||||
| ятностью | он будет | молчать в течение | I сек, 2 сек, 3 сек? | 
 | ||||||||||||
| 
 | Решение. Ближайший | отсчет | произойдет между | моментами | t | |||||||||||
| и І + dt | , | если | в | течение | времени | t | не | будет | 1.И одного | |||||||
| отсчета, | а затем | в течение | di | произойдет | один отсчет. | |||||||||||
| Вергятность | обоих | (независимых) | событий | равна | е | и | idt , | |||||||||
| а вероятность первого отсчета в интервале £t, | 
 | t + dt] | 
 | ^ | ||||||||||||
| равна | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | . Искомая | вероятность р(1) = )е | 
 | 
 | |||||||
| 
 | Подставляя | ' | =2 и | Ь =1,2,3, | получим | значения: | 
 | |||||||||
| p(I)=0,27I; j9(2)=0,037; JB(3)=0,007. Используя полученное | со  | |||||||||||||||
| отношение, оценим среднее аначение длительности интервала | 
 | |||||||||||||||
| 'молчания": | i. = | ftpdt | • 1/у | . Дисперсия | интервалов:. | 
 | 
 | |||||||||
| <D(t}m | V)* | » Очевидно, | разброс интервалов | может быть | о^ень | |||||||||||
| большим. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| предельная теорема | 
 | 
 | 
 | 
| 2 . 1 . Функции случайных величин | 
 | 
 | 
 | 
| Используя понятие с."учайной переменной, | введенной | 
 | |
| в § I , мы можем описать сколь угодно сложные множества | слу | ||
| чайных событий, рассматривая последние как системы | или | ансамб | |
| ли случайных величин,в той или иной степени | взаимосвязанных | ||
| между собой. | 
 | 
 | 
 | 
| Такие системы случайных величин у ( , у г | , у а | ( | П - | 
| число произвольное) будем рассматривать как функции случай | |||
| ных переменных, функпи случайны.: п е р е м е н н ы х ф ^ , . . . | - | ||
по своей сути новые случайные величины, имеющие свои распре-
ДЄЛЄІ.ЛЯ.
Рассмотрим ряд аэорем и определений, поясняющих некото рые свойства функций случайных величин.
ІСредне, суммы случайных величин равно сумме средних этих величин:
| ( І У І ) " | ( 2 . D | 
іі-
| Для | доказательства | (2.1) | 
 | достаточно убедиться | в | справед | |||||
| ливости | утверждения HF | + | - | yt | + LJ2 | . ймееы | 
 | 
 | |||
| где p f ^ / ' J / j J | ~ вероятность | того, | что | случайные | величины | ||||||
| у, и уг | принимают определенные | значения | у^ | и | 
 | ||||||
| Но поскольку функции У/эс/уа' | 
 | 
 | и | fp^yl | определяют | ||||||
| распределения | величин | Ц | 
 | и | и | , | то дальнейшее | доказа | |||
іельство очевидно.
Среднее произведения независимых случайных величин
равно произведению юс средних значений:
| ( Пи.) = П ( й ) | (2.2) | |||
| L | 3 «• | I | О1- | 
 | 
| Справедливость | (2.2) | следует | из того факта, | что дня не | 
зависима величин вероятность совместного наблюдения значений
| {/г'Уі''*' | Р 8 3 " 8 | произведению вероятностей | появления каждого | |
| из значений | у[ | , т . е . pty . ', ^ , . . .) = | Пр(^) . | |
| I | Дисперсия суммы независимых случайных величин | ц | 
| I | ||
| I | равна сумме их дисперсий: | II | 
Доказательство (2.3) оковывается на тон обстоятельстве,
что для независимых величин среднее значение произведения отклонений от средних равно нулю, т . е . .
В общем случае для произвольных случайных переменных эта ве
личина отлична от нуля. Введем величину
| которая называется ковариацией гля смешанным | вторым | 
 | ||||||
| моментэм переменных | ^. | и | ^ | , | Нормированная ковариация | |||
| 
 | 
 | О = J l i £ - | , | 
 | (2.5) | |||
| где | ) | - | среднее | квадратичное | отклонение | рас | ||
| пределения у. | , | называется | коэффициентом | корреляции | слу- | |||
| чайных | ІЗЛИЧИН | ^ | 
 | и | . Коэффициент корреляции указы | ||||||||
| вает меру связности случайных величин. Значение коэффициента | |||||||||||||
| корреляции лежит в пределах-/ і р * / | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| действительно, | вычисляя | дисперсию | функции | 
 | 
 | 
 | |||||||
| имеем | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Отсюда, | поскольку | дисперсия | i/эбсЧ | величины - | неотрицательное | ||||||||
| число, | следуют | пределы изменения | 
 | рік | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| Для | независимых | величин | 
 | 
 | коэффициент | корреляции | |||||||
| =0. | Напротив, | значения | pLK | = + I указывают | на | строгую | |||||||
| функциональную | связь | между ^ . | и | ^ | (при | 
 | 
 | = + I | ли | ||||
| бо # ) ( и _ Ь 0 | , либо | 2)(liJ~0 | 
 | , т . е . | U _ | =0 | или | U + | =0, | ||||
| и | и | ^ к | оказываются | связанными | линейным | соотношением). | |||||||
| Однако . коэффициент корреляции как показатель | зависимо | ||||||||||||
| сти страдает серьезными недостатками. Так, из | равенства | 
 | |||||||||||
| O-t ( f =0 еще не следует независимость величин | 
 | 
 | и | . | |||||||||
| Скорее | коэффициент | корреляции указывает, насколько | связь | меж | |||||||||
ду величинами близка к линейной. Он одинаково отмечовт и большую долю стохастичности и силу нелинейности этой связи.
| Используя | определение | коэффициента корреляции, | можно | 
| получить следующие соотношения: | 
 | ||
| Среднее | произведения | двух олучайнні: величин | ^ . | 
| )JK | 1 3 3 3 1 , 0 | 
 | 
 | 
'2.6)
- 'db -
Дисперсии суммы случайных •зллчин у ^ ^ . , . . . равна
| 2.2. | Приближенный анализ функции | случайных | величин | |||
| В ряде случаев, | когда | речь идет | о получении | предвари | ||
| тельных оценок, можно ограничиться IIJ | нилндишиш | анализов | ||||
| функции случайных переменных, Тогда | количественные | характе | ||||
| ристики распределения этоіі функции (напомни;.:, что 1,уакции | ||||||
| случайной | величины | есть | новая случайная величина) | по задан | ||
ном параметрам исходных і.сременпігх іг,:<ог'лтс,і следующим обра зом.
| Пусть | Ф = Ф ( у „ • • •, ijj, | где у,,.. | .,ул- | 
 | ньз-иисішие | |||
| случайные | величины. Разложим | Ф | и окрестности точки | |||||
| Ф - Ф ( ^ * Е ^ - ^ Ц | 
 | 
 | 
 | (2.8) | ||||
| Обычно, в пределах достаточно узкой области, кожно ог | ||||||||
| раничиться | линейным разложением | Ф ^ ) | п 0 | у - | Отсюда | 
 | ||
| т . е . среднее значение искомой функции приблизительно | совпа | |||||||
| дает со значением этой функции при средних | значениях | аргу | ||||||
| ментов. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Дисперсия распредел | нип | Ф | = Ф ( ^ ) | равна | 
 | |||
| Ъ{ср)=(Я>-ф)2 | эг | 
 | 
 | 
 | V | , | <2 - 1 0 > | |
| где | б". | - дисперсии распределений случайных величин | . | 
| ііапример, для п.ункцш: | Ф = ^ У ^ л | имеем | 
| Если | - стохастически | не независимы, то | (2.9) | остается | 
| в силе, | а дисперсия jDf^P) | приблизительно | имеет | значение: | 
| 2.3. Преобразование распределений | 
 | ||||||||
| Укаием теперь | спосос'ы | вычисления | распределений функций | ||||||
| случайных | величин. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| Пусть | ij | - | случайная | величина | с | известной плотностью | |||
| распределения | р(у) | , | а | Ф | = Ф(<^) | - | однозначнаг функция. | ||
| Если | Ф * Ф ^ | 
 | - | неубывающая функция, то неравенства | |||||
иФ * ^(уі) всегда выполняются одновременно, так
| что | 
 | Р ( # « ^ Ь Р С Ф < Я > ) , или | F f ^ ) = 9 ^ ) | , | где | F | |
| a | S | - функции распределения | величин | ^ | и | Ф | (см. | 
| раздел 1.2). Или | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | * < * > - • п ' % . , т | • | 
 | 
 | 
 | |
Следовательно, плотность распределения функции ф
| Если, например, Ф » IJ | , ю ( ^ ^ 0) | 
? ( Ф ) . - ^ . / > f e - y ( « W ) ; Ф * 0 .
Поскольку Р(у < ^p)s Р(ф< Фґ^рО. ' м киинтили функция случайной величины совладают с щ. абризовшшимп кмнтил.яыи
| аргумента, т . е . ^ | х Ф ( ^ р ) | •. | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | Для | монотонно | .уО'пішккце.! уункциа Р{у < y f ) = Р(Ф | > Фіу,)} | ||||||
| или | 
 | 
 | 
 | 5 ( 9 ) | = і ' | Fly) | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| Отсюда | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | WW | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | рассмотрим т е п е р ь Функции нескольких случайных | а р г у м е н  | ||||||||
| тов. | Очевидно, | дли получения | плотности р;іспродйленаи | такой | ||||||
| функции | Ф = Ф(у,і • * •> ул ) ну>.:но | ваять | интеграл | (просуммиро  | ||||||
| вать) по всем | значения!', не, емснных, | при которкх | расомитриііае- | |||||||
| мая | функция | Ф | имеет | фиксированное | з н а ч е н и е : | 
 | ||||
| где | $ | - дельта-функция Дирака, р(<^', . . . ) | - | вероят | |||||
| ность | одновременного | наблюдения | значений | . . - | случай | ||||
| ных аргументов. Для независимых | велччин | эта вероятность с о в  | |||||||
| падает с произведением плотностей вероятностей каждой на | |||||||||
| величин | в этих | точках: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | р . . | П р ( ^ ) . | 
 | 
 | ||
| При вычислении | интегралов | следует п о л ь з о в а т ь с я | соотно | ||||||
| шением | S(Ziy)= | j - ^ " ^ ' ^ ' ( ^ . l l | 
 | » г Де суммирование | ведется | ||||
| по всем к-рням уравнения | Z ( y p = 0 | . Например, | для сум | ||||||
| мы ДВУХ | НеЗаВИСИМЫХ | ПеремеННЫХ | 
 | Ф г ^ + ^ , | ГДЄ-оо< у <оо | ||||
| из (2.13) следует, что плотность | р а с п р е д е л и л | Ф | опреде | ||||||
| ляется | соотношением: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
оо
(2.14)
Асимптотика композиции большого числа распре делении. Центральная предельная теорема
Реальные физические явления могут иметь сложные распре делении. Однако они обладают весьма ваышм асимптотическим свойством, облегчающим обработку результатов их измерений.
Дело в том, что совместное действие большого числа не  зависимых причин с (інтенсивностями разброса одного порядка приводит к нормальному распределению для величин, возникаю щих под влиянием таких воздейстрчй. Этот вывод следует из центральной предельной теоремы (А.МДлпунов), согласно которо;і распределение суммы сикых случайных перегенных со средниии у.
Не останавливаясь на доказательстве этой теореми, з а  метим лишь, что при большом количестве случайных причин фак тически реализуются условия возникновения нор щьнргр рас  пределения (см.раздел 1.6).
В связи со сказанным стаиовитоя понятны», почему нор мальное и дру.ие основанные на нем распределения играют осо бую роль в ыатематичеокой от.атистике.
