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

книги из ГПНТБ / Гришин В.К. Статистические методы анализа результатов измерений учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
27
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
4.93 Mб
Скачать

- 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

. 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< ^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* •> 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:

 

 

 

 

 

 

п незави- и дисперсиями

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.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ