Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

Transkrypt

1 5 marca 2011

2 Zasady 10 wyk ladów; egzamin pisemny;

3 Literatura 1 A. Lomnicki Wprowadzenie do statystyki dla przyrodników PWN W. Krysicki, J. Bartos, W. Dyczka, K. Królikowska, M. Wasilewski Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka matematyczna w zadaniach PWN J. Koronacki, J. Mielniczuk Statystyka dla studentów kierunków technicznych i przyrodniczych WNT 2006

4 Doświadczenie losowe Realizacja (rzeczywista badź tylko myślowa) określonego zespo lu warunków, wraz z góry określonym zbiorem wyników. Poszczególne wyniki ω doświadczenia losowego traktujemy jako zdarzenia elementarne. Zbiór wszystkich zdarzeń elementarnych nazywamy przestrzenia zdarzeń elementarnych Ω.

5 Uwaga W praktyce najcześciej interesujace sa nie pojedyncze zdarzenia lecz podzbiory Ω. Każdy taki podzbiór nazywamy zdarzeniem losowym. Zbiór wszystkich zdarzeń losowych bedziemy nazywać przestrzenia zdarzeń losowych i oznaczamy ja przez F.

6 Określenie dzia lań na zdarzeniach losowych w j ezyku zbiorów Na zdarzeniach losowych wykonujemy analogiczne dzia lania jak na zbiorach. 1 zdarzenie niemożliwe interpretujemy jako zbiór pusty ; 2 sume zbiorów A i B oznaczamy A B, jest to zbiór tych zdarzeń elementarnych ω, które należa do A lub B; 3 przekrój zbiorów A i B oznaczamy przez A B, jest to zbiór tych zdarzeń elementarnych ω, które należa do A i B;

7 Określenie dzia lań na zdarzeniach losowych w j ezyku zbiorów 1 różnice zbiorów A i B oznaczamy przez A\B, jest to zbiór tych zdarzeń elementarnych ω, które należa do A i nie należa do B; 2 dope lnienie zbioru A oznaczamy przez A = Ω\A; 3 mówimy, że zdarzenie A pociaga zdarzenie B, co oznaczamy przez A B, jeżeli każde zdarzenie elementarne ω A należy również do B (ω B); 4 mówimy, że zdarzenia A i B wykluczaja sie, gdy A B =.

8 Zadanie Podać przyk lad doświadczenia losowego i opisać je za pomoca przestrzeni zdarzeń elementarnych.

9 Odpowiedź Rzut moneta 1 przestrzeń zdarzeń elementarnych Ω = {O, R}; 2 zdarzenia elementarne ω 1 = O, ω 2 = R; 3 zdarzenia losowe F = {, {O}, {R}, {O, R}}

10 Interpretacja dzia lań na zbiorach Przestrzeń Ω zdarzeń elementarnych czesto bedziemy interpretowali jako prostokat na p laszczyźnie, punkty tego prostokata - wszystkie albo tylko zaznaczone - jako zdarzenia elementarne. Gdy wszystkie punkty prostokata interpretujemy jako zdarzenia elementarne, wtedy zajście zdarzenia elementarnego możemy traktować jako rezultat losowo rzuconego punktu na ten prostokat.

11 Zadanie Dwoje przyjació l umówi lo sie na spotkanie w restauracji pomiedzy godzina 18 a 19 zastrzegajac jednocześnie, że pierwszy przychodzacy czeka na drugiego tylko 15 minut. Opisz graficznie przestrzeń zdarzeń elementarnych oraz zaznacz zdarzenia sprzyjajace.

12 Przestrzeń zdarzeń elementarnych interpretacja graficzna y czas przyjścia przyjaciela nr x czas przyjścia przyjaciela nr. 1

13 Definicja prawdopodobieństwa Przestrzeń probabilistyczna Przestrzenia probabilistyczna nazywamy trójke (Ω, F, P), gdzie Ω to przestrzeń zdarzeń elementarnych, F to przestrzeń zdarzeń (podzbiorów zbioru Ω), P to funkcja określajaca prawdopodobieństwa wystapienia zdarzeń ze zbioru F.

14 Klasyczna definicja prawdopodobieństwa 1 przestrzeń Ω sklada si e z n zdarzeń elementarnych; 2 zdarzenia jednoelementowe {ω} sa jednakowo prawdopodobne, a wiec P({ω 1 }) = P({ω 2 }) =... = P({ω n }) = 1 n ; 3 prawdopodobieństwo dowolnego zdarzenia A skladajacego sie z k zdarzeń elementarnych wyraża sie równościa P(A) = liczba zdarzeń sprzyjajacych zdarzeniu A liczba wszystkich zdarzeń elementarnych przestrzeni Ω

15 Przyk lad Rzut kostka Ω = {ω 1,..., ω 6 }, gdzie ω i, dla i = 1, 2,..., 6 oznacza zdarzenie polegajace na wyrzuceniu i oczek.przy za lożeniu, że kostka jest symetryczna wszystkie zdarzenia sa jednakowo prawdopodobne. Niech A Ω. Wówczas P(A) = #{w i A} #{w i Ω}

16 Elementarne poj ecia z kombinatoryki Regu la iloczynu W rozwiazywaniu zagadnień kombinatorycznych wielokrotnie stosuje sie regu l e iloczynu: jeżeli pewna czynność wykonuje sie w k-etapach, przy czym etap 1 można wykonać n 1 sposobami, etap 2 n 2 sposobami,..., wreszcie k-ty etap n k sposobami, to liczba N sposobów jakimi można wykonać te czynność wyraża sie wzorem: N = n 1 n 2... n k.

17 Permutacje bez powtórzeń Niech A oznacza dowolny zbiór n różnych elementów A = {a 1, a 2,..., a n }. Permutacja bez powtórzeń zbioru n-elementowego A nazywamy każdy n wyrazowy ciag elementów zbioru A, w którym każdy element zbioru A pojawia sie tylko jeden raz. Ilość permutacji n-wyrazowych zbioru n-elementowego wynosi P n = n!.

18 Zadanie 1 na ile sposobów można ustawić n osób w szeregu? 2 na ile sposobów można ustawić n osób przy okrag lym stole?

19 Permutacje z powtórzeniami Niech A oznacza zbiór k różnych elementów A = {a 1, a 2,..., a k }. Permutacja n-elementowa z powtórzeniami, w której każdy element a i powtarza sie n 1 - razy,..., element a k powtarza sie n k razy, n 1 + n n k = n, nazywamy każdy n- wyrazowy ciag, w którym poszczególne elementy zbioru A powtarzaja sie wskazana liczbe razy. Liczba P n 1,n 2,...,n k n wszystkich takich n - wyrazowych permutacji z powtórzeniami wyraża sie równościa P n 1,n 2,...,n k n = n! n 1!n 2!... n k!

20 Zadanie Dziecko bawi sie nastepuj acymi klockami m, a, t, e, m, a, t.y, k, a. Jakie jest prawdopodobieństwo, że losowo je uk ladajac u loży ono s lowo matematyka?

21 Wariacje bez powtórzeń Niech A bedzie zbiorem n różnych elementów. Każdy k- wyrazowy (k n) ciag różnych elementów tego zbioru nazywamy k - wyrazowa wariacja bez powtórzeń z n - elementowego zbioru A. Vn k = n(n 1)... (n k + 1).

22 Wariacje z powtórzeniami Niech A bedzie zbiorem n różnych elementów. Każdy k- wyrazowy (k < n) ciag mogacych sia powtarzać elementów tego zbioru nazywamy k - wyrazowa wariacja z powtórzeniami z n - elementowego zbioru A. Wn k = n k.

23 Zadanie Z n elementowego zbioru A losujemy ze zwrotem k elementów. Obliczyć prawdopodobieństwo, że wszystkie wylosowane elementy sa różne.

24 Kombinacje bez powtórzeń Niech A bedzie zbiorem n różnych elementów. Każdy k- wyrazowy (k < n) ciag różnych elementów tego zbioru nazywamy k - wyrazowa kombinacja bez powtórzeń z n - elementowego zbioru A. Cn k n! = (n k)!k!.

25 Zadania pokerowe Losujemy 5 kart z 52. Oblicz prawdopodobieństwa wylosowania nastepuj acych uk ladów kart pary trójki karety koloru

26 Definicja prawdopodobieństwa W lasności funkcji prawdopodobieństwa P 1 P(A) 0 dla każdego zdarzenia A F; 2 P(Ω) = 1; 3 jeżeli A 1,..., A n jest dowolnym ciagiem parami roz l acznych zadarzeń ze zbioru F, to P(A 1... A n...) = P(A 1 ) P(A n ) Warunki powyższe nazywamy aksjomatami prawdopodobieństwa sformu lowa l je w 1931 r. A.N. Ko lmogorow.

27 Elementarne w lasności prawdopodobieństwa 1 prawdopodobieństwo zdarzenia niemożliwego równa si e zero: P( ) = 0; 2 jeżeli zdarzenie A pociaga zdarzenie B (A B), to P(A) P(B); 3 prawdopodobieństwo dowolnego zdarzenia jest nie wi eksze niż jeden (P(A) 1), A dowolne; 4 jeżeli zdarzenie A pociaga zdarzenie B (A B), to P(B\A) = P(B) P(A); 5 P(A B) = P(A) + P(B) P(A B)

28 Prawdopodobieństwo warunkowe Za lóżmy, że w tym eksperymencie jedyne wyniki jakie możemy obserwować sa liczbami parzystymi. Jakie jest zatem prawdopodobieństwo tego, że wyrzucona liczba oczek bedzie równa 2?

29 Prawdopodobieństwo warunkowe Niech (Ω, F, P) bedzie przestrzenia probabilistyczna, B dowolnym ustalonym zbiorem o dodatnim prawdopodobieństwie, P(B) > 0. Prawdopodobieństwem warunkowym pod warunkiem B dowolnego zdarzenia A F nazywamy liczbe P(A B) określona przez nastepuj ac a równość: P(A B) = P(A B), A, B F, P(B) > 0. P(B)

30 W lasności prawdopodobieństwa warunkowego Prawdopodobieństwo przekroju zbiorów A 1, A 2..., A n wyraża si e wzorem: P(A 1... A n ) = P(A 1 )P(A 2 A 1 )P(A 3 A 1 A 2 )... P(A n A 1... A n 1 ).

31 Prawdopodobieństwo ca lkowite Jeżeli B jest dowolnym zdarzeniem, natomiast zdarzenia A 1,..., A n spe lniaja warunki: 1 wykluczaja sie parami, czyli A i A j = gdy i j; 2 ich suma jest zdarzeniem pewnym, czyli A 1... A n = Ω; 3 maja dodatnie prawdopodobieństwa; to prawdopodobieństwo zdarzenia B wyraża sie równościa P(B) = P(A 1 )P(B A 1 ) P(A n )P(B A n )

32 Zadanie Za lóżmy, że na rynku znajduja sie dwa rodzaje oleju (krajowy i zagraniczny) do danego typu samochodu (fiat 125p). Prawdopodobieństwo awarii w ciagu roku, przy stosowaniu oleju krajowego, wynosi 0.02; analogiczne prawdopodobieństwo przy stosowaniu oleju zagranicznego wynosi Jakie jest prawdopodobieństwo awarii losowo wybranego samochodu jeżeli wiadomo, że 30% kierowców używa oleju zagranicznego a 70% stosuje olej krajowy?

33 Rozwiazanie 1 A awaria samochodu; 2 K używany by l olej krajowy; 3 Z używany by l olej zagraniczny. P(A) = P(A K) P(K) + P(A Z) P(Z)

34 Można też poprzednie zadanie sformu lować inczaczej: Jakie jest prawdopodobieństwo, że silnik samochodu pracowa l na oleju krajowym, jeżeli wiadomo, że nastapi la awaria?

35 Rozwiazanie P(k A) = P(A K) P(K) P(A K) P(K) + P(A Z) P(Z)

36 Twierdzenie Bayesa Jeżeli B jest dowolnym zdarzeniem o dodatnim prawdopodobieństwie, P(B) > 0, zdarzenia A 1,..., A n spe lniaja warunki wymienione w twierdzeniu o prawdopodobieństwie ca lkowitym, to prawdopodobieństwo warunkowe P(A k B), k = 1,..., n wyraża sie wzorem P(A k B) = P(A k)p(b A k ) ni=1 P(A i )P(B A i )

37 Niezależność zdarzeń Mówimy, że zdarzenia A, B F sa niezależne, gdy P(A B) = P(A)P(B).