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

Lek (1)

.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
587.8 Кб
Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Разработчик курса лекций доцент кафедры высшей математики, к.ф.- м.н

В.В. Ласуков

СЛУЧАЙНАЯ МАТЕМАТИКА

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Издательство Томского политехнического университета

2010

ББК 22.171 я73 УДК 519.21(075.8)

Л 267

Ласуков В.В.

Случайная математика: учебное пособие /В.В. Ласуков. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета 2011. – 143 с.

Л 267

Учебное пособие включает изложение теории вероятностей и состоит из следующих разделов: основные понятия и теоремы теории вероятностей, случайные величины, стандартные законы распределения, предельные теоремы, случайные процессы, теория информации. Учебное пособие является методическим обеспечением курса «Теория вероятностей» и курса общей физики и рассчитано на студентов инженерно-технических специальностей. Материал излагается в логической последовательности и сопровождается примерами, облегчающими процесс усвоения теоретических положений курса.

УДК 519.21(075.8)

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор ТГУ, декан ФПМК

А.М. Горцев

Кандидат технических наук, профессор кафедры высшей математики ТУСУРа

А.А. Ельцов

©Томский политехнический университет, 2011

©Кафедра высшей математики ЕНМФ ТПУ, 2011

©Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Предметом теории вероятностей являются только те случайные явления, исходы которых в принципе возможно наблюдать в одних и тех же условиях много раз. Такие случайные явления называют массовыми. Теория вероятностей устанавливает связи между вероятностями случайных событий, которые позволяют вычислять вероятности сложных событий по вероятностям более простых событий (теоремы сложения, умножения..).

Возникновение теории вероятностей (ТВ) как науки относится к середине XVII века, и связано с именами Б. Паскаля, П. Ферма, Х. Гюйгенса. Они разработали общие методы решения задач подсчета шансов выигрыша в азартных играх.

Основополагающими работами (ТВ) стали работы Я. Бернулли о законе больших чисел (1713) и А. Муавра (1730), в которой сформулирована и доказана центральная предельная теорема. В 1812 году в трактате П. Лапласа была обобщена теорема Муавра на несимметричный случай схемы Бернулли (p q), и вероятностные методы были применены к теории ошибок наблюдений. В этот период С. Пуассон разработал понятие распределения и случайного процесса, а К.Ф. Гаусс создал теорию ошибок.

Следующий период в становлении (ТВ) связан с именами П.Л. Чебышева, А.А. Маркова, А.М. Ляпунова, создавшими в начале XIX века эффективные методы доказательства предельных теорем для сумм случайных величин.

Современный этап в развитии (ТВ) начинается с установления ее аксиоматики в работах С.Н. Бронштейна, Р. Мизеса, Э. Бореля и А.И. Колмогорова (1933). В работе Колмогорова была предложена аксиоматика, позволившая охватить не только все классические разделы (ТВ), но и дать строгую основу для развития теории случайных процессов и математической статистики.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕОРЕМЫ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ

§1. Пространство элементарных событий

Определение 1. Всякий неразложимый исход случайного эксперимента называется элементарным событием и обозначается ωi .

Определение 2. Пространством элементарных событий Ω называется множество всех возможных элементарных событий ωi .

Всякое подмножество А пространства элементарных событий (ПЭС) называют случайным событием. Говорят, что событие А наступило, если наступило хотя бы одно из ωi , входящих в Ω . Само пространство Ω еще

A = B .
A B
A B B A .

называют достоверным событием. Пустое же подмножество Ø множества Ω называется невозможным событием.

Говорят, что событие А является причиной события В, если каждое появление события А сопровождается появлением события В, и пишут

События А и В называют равносильными, если и Равносильность событий обозначается следующим образом

События называются равновозможными, если нет оснований ожидать, что при многократном повторении испытания хотя бы одно из них будет появляться чаще любого другого.

Замечание. Далее мы будем рассматривать такие испытания, среди возможных исходов которых можно выделить совокупность таких событий, которые образуют Ω . Однако оказывается, что все результаты, которые будут получены для таких испытаний остаются в силе и для тех испытаний, для которых нельзя построить Ω .

§2. Алгебра случайных событий

Для наглядности будем использовать представление Ω в виде прямоугольной области на плоскости, а ωi будем изображать точками,

лежащими внутри Ω . Случайные события будем изображать в виде фигур.

Ω

A

ωi

На множестве случайных событий пространства элементарных событий (ПЭС) определены следующие операции: сложение, умножение, вычитание и дополнение. Операция дополнения вводится с помощью понятия противоположного события.

1)Суммой событий (А+В) называют событие, состоящее из тех ωi , которые входят либо вА, либо в В, либо в А и В одновременно.

Ω

A A B

2)Произведением событий A B называют событие, состоящее из тех ωi , которые входят в А и В одновременно.

Ω

AB

3)Разностью событий (А-В) называют событие, состоящее из тех ωi , которые входят вА, но не входят в В.

Ω

A

A B

Непосредственно из определений операций над случайными событиями следуют формулы двойственности:

nn

Ai = Ai , Ai = Ai i=1 i=1 i=1 i=1n n

Определение 1. События А и В называются несовместными, если

A B =Ø.

Ω

A B

Определение 2. Событие A называется противоположным событию А, если

A + A = Ω, A A = Ø.

Ω

A

Определение 3. Говорят, что события A1, A2 ,..... An образуют полную группу событий, если A1 + A2 + .... + An = Ω , Ai A j = Ø, (i j).

Ω

A4

 

 

A3

A1

A2

Введем понятие предела последовательности событий. Пусть {An}

бесконечная последовательность случайных событий. Обозначим через A множество всех тех и только тех элементарных событий, которые принадлежат бесконечному числу множеств An . Тогда имеет место формула

 

 

A =

 

Am

.

n=1 m=n

 

Действительно, если ω A , то

ω Am m=n

для каждого n , и, следовательно,

 

 

ω =

 

Am

,

n=1 m=n

 

т.е.

 

 

A

 

Am

.

n=1 m=n

 

 

 

Если же ω =

 

Am

, то ω A , что и требовалось показать.

n=1 m=n

 

Пусть A множество тех и только тех элементарных событий, которые принадлежат бесконечному числу множеств An , за исключением конечного

их числа. Тогда, проводя рассуждения, аналогичные приведенным выше, получаем

 

 

A =

 

Am .

n=1 m=n

Очевидно, A A . Событие

A

называется верхним пределом

последовательности {An}

 

 

 

A = limAn , n→∞

а событие A называется нижним пределом последовательности {An}

A = limAn . n→∞

Определение 4. Если A = A , то говорят, что последовательность событий {An} имеет предел

lim An = lim An = limAn .

n→∞ n→∞ n→∞

Замечание. Операции над событиями помогают упростить вычисление вероятностей сложных случайных событий, выражаемых через другие события с помощью операций сложения, умножения, вычитания и дополнения.

Описанная выше алгебра событий является частным случаем булевой алгебры, в которой в качестве единицы выступает достоверное событие Ω , а

в качестве нуля – невозможное событие Ø.

 

 

 

 

Дополнение

булевой

алгебры

Cx

истолковывается

как

противоположное событие

 

.

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

В качестве

булевской

операции частичного

упорядочения

x y

выступает отношение причинности A B ,

которое

имеет место тогда и

только тогда, когда

A B = A , так что пространство событий так же является

частично упорядоченным.

 

 

 

 

 

Операции булевой алгебры sup{x,Cx}=1, inf {x,Cx}= 0 в алгебре случайных событий означают A + A = Ω, A A = Ø.

Примеры случайных событий

1)Выпадение герба при бросании монеты (испытание – бросание монеты, случайное событие – выпадение герба).

2)Появление туза пик при вынимании наугад карты из колоды.

Пример достоверного события Достоверным событием является выпадение не более 6 очков при бросании обычной игральной кости.

Примеры невозможных событий

1)Извлечение более 4 тузов из обычной карточной колоды.

2)Появление 8 очков при бросании одной игральной кости.

Пример несовместных событий Появление 3 и 5 очков при одном бросании одной игральной кости.

Пример равновозможных событий Появление того или иного числа очков наброшенной игральной кости.

Пример противоположных событий Появление герба и решетки при одном бросании монеты – противоположные события.

Примеры событий, образующих полную группу Появление герба и решетки образуют полную группу событий. Попадание и промах при одном выстреле по цели образуют полную группу событий.

Пример элементарных событий При бросании игральной кости возможны 6 элементарных событий: ω1выпадение 1, ω2 выпадение 2, …..

§3. Классическая вероятность

Вероятность является одним из основных понятий теории вероятностей. С материалистической философской точки зрения вероятность события – это степень объективной возможности этого события. Существует несколько математических определений этого понятия: классическая вероятность – отношение чисел ωi , геометрическая вероятность – отношение

мер, статистическая вероятность – относительная частота и аксиоматическая вероятность – функция, определенная на классе событий. Следует отметить, что ни классическая, ни геометрическая, ни статистическая, ни

аксиоматическая вероятность не дают исчерпывающего описания реального содержания понятия вероятности, а являются лишь приближениями ко все более полному его описанию.

Дадим определение, которое называют классическим.

Определение. Если Ω состоит из n равновозможных ωi , то вероятность P(A) события А равна числу m элементарных событий ωi , входящих в А, деленному на число n всех ωi , т.е

P(A)= m .

(1)

n

 

Случай равновозможных событий называют классическим. Поэтому и

вероятность (1) называется классической. Из

определения

следует, что

0 P 1 , вероятность

достоверного

события

P(Ω)=1, а

вероятность

невозможного события P (Ø)=0.

 

 

 

 

Основы комбинаторики

 

Как правило, вычисление классической вероятности сводится к

нахождению чисел m

и n методами

комбинаторного анализа. Поэтому

приведем наиболее употребляемые комбинаторные формулы. В теории вероятностей используют сочетания, размещения, перестановки и принцип умножения.

Пусть дано множество A = {ω1,ω2 ,....ωn }, состоящее из n элементов.

Определение 1. Сочетанием из n по k называется любое неупорядоченное k

элементное подмножество множества А. Их общее число Nc определяется по формуле

n

 

 

n!

Nc Ck

=

 

.

(n k )!k!

Определение 2. Размещением из n по k

называется любое упорядоченное k

элементное подмножество множества А. Их общее число N r определяется по формуле

n

 

n!

N r Ak

=

 

.

(n k )!

Определение 3. Перестановка – это размещение при n = k . Их общее число равно

N p Ann = n0!! = n!.

Принцип умножения. Для упрощения подсчетов классической вероятности часто используется принцип умножения, состоящий в том, что, если требуется выполнить последовательно k действий, то число способов выполнения всех k действий вычисляется по формуле

N k = n1 n2.... nk ,

где n1 число способов выполнения первого действия, n2 число способов

выполнения второго действия, и т.д.

Пусть k1, k2,....km

целые неотрицательные числа, причем

k1 + k2 + .... + km = n . Тогда

число способов, которыми можно представить

множество А из n элементов в виде суммы m множеств B1, B2,...., Bm , число

элементов которых составляет соответственно k1, k2,....km , равно

Nn (k1, k2

,...km )=

n!

 

.

k1! k2

! km!

 

 

 

Числа Nn (k1, k2 ,...km ) называют полиномиальными коэффициентами.

Определение 4. Сочетаниями из m элементов по n элементов с повторениями называются группы, содержащие n элементов, причем каждый элемент принадлежит одной из m типов.

Число сочетаний из m элементов по n элементов с повторениями равно

Nmn = Cmm+1n1 = Cmn +n1.

Пример. Газ, состоящий из n молекул, находится в замкнутом сосуде. Мысленно разделим сосуд на n равных ячеек и будем считать, что вероятность каждой молекулы попасть в каждую из n ячеек одна и та же, и

равна 1n . Какова вероятность того, что молекулы окажутся распределенными

так, что в первой ячейке окажутся m1 молекул, во второй – m2 молекул и т.д., наконец в n-ой – mn молекул?

Решение. Пусть А – событие, состоящее в том, что молекулы окажутся распределенными так, что в первой ячейке окажутся m1 молекул, во второй – m2 молекул и т.д., наконец в n-ой – mn молекул. Требуется найти вероятность P(A), которая по формуле классической вероятности равна

P(A)= mn .

В соответствии с принципом умножения n = n1 n2 nn , где n1 число способов размещения первой молекулы по n ячейкам, n2 второй молекулы, ….., nn n-ой молекулы. При этом каждая молекула может находиться в каждой из n ячеек; следовательно, n1 = n2 = = nn и n молекул

можно распределить по n ячейкам nn различными способами. Аналогично подсчитаем число исходов, благоприятствующих событию А,

 

m = M1 M 2 M n ,

 

 

 

 

где M1 число способов размещения m1 – молекул по n

ячейкам, M 2 m2

молекул по (n m1) ячейкам, …., M n mn – молекул по (n mn ) ячейкам. При

этом

nm

nm m

 

....m

 

M1 = Cmn1

 

n 1 .

, M 2 = Cm2 1

, …., M n = Cmn 1

 

2

 

Тогда окончательно находим

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]