Ορισμός κανονικής τ.μ.

Transcript

1 Πιθανότητες και Στατιστική Ενότητα 4: Τυχαίες τυχαίες μεταβλητές Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Αθήνα 2015

2 Ορισμός κανονικής τ.μ.

3 Ορισμός κανονικής τ.μ. Μια συνεχής τ.μ. X λέγεται κανονική ή Γκαουσιανή με παραμέτρους µ, σ 2, N (µ, σ 2 ), αν έχει σππ. 1 (x µ)2 f X (x) = e 2σ 2, x (, ). 2πσ 2

4 Ορισμός κανονικής τ.μ. Μια συνεχής τ.μ. X λέγεται κανονική ή Γκαουσιανή με παραμέτρους µ, σ 2, N (µ, σ 2 ), αν έχει σππ. 1 (x µ)2 f X (x) = e 2σ 2, x (, ). 2πσ 2 µ, σ 2 : αριθμητικές παράμετροι με µ R και σ (0, ).

5 Ορισμός κανονικής τ.μ. Μια συνεχής τ.μ. X λέγεται κανονική ή Γκαουσιανή με παραμέτρους µ, σ 2, N (µ, σ 2 ), αν έχει σππ. 1 (x µ)2 f X (x) = e 2σ 2, x (, ). 2πσ 2 µ, σ 2 : αριθμητικές παράμετροι με µ R και σ (0, ). Η f X (x) είναι πράγματι σππ: f X (x) 0, x (, ), f X(x)dx = 1.

6 Ορισμός κανονικής τ.μ. Μια συνεχής τ.μ. X λέγεται κανονική ή Γκαουσιανή με παραμέτρους µ, σ 2, N (µ, σ 2 ), αν έχει σππ. 1 (x µ)2 f X (x) = e 2σ 2, x (, ). 2πσ 2 µ, σ 2 : αριθμητικές παράμετροι με µ R και σ (0, ). Η f X (x) είναι πράγματι σππ: f X (x) 0, x (, ), f X(x)dx = 1. E[X] = µ και V ar[x] = σ 2.

7 Σημασία των κανονικών τ.μ.

8 Σημασία των κανονικών τ.μ. Οι κανονικές τ.μ. μοντελοποιούν καλά ποσότητες που προκύπτουν από το αθροιστικό αποτέλεσμα πολλών ανεξάρτητων παραγόντων.

9 Σημασία των κανονικών τ.μ. Οι κανονικές τ.μ. μοντελοποιούν καλά ποσότητες που προκύπτουν από το αθροιστικό αποτέλεσμα πολλών ανεξάρτητων παραγόντων. Ετσι μοντελοποιούν καλά μεγέθη όπως σφάλματα μετρήσεων, αποδόσεις σε εξετάσεις, σωματομετρικά δεδομένα (ύψος, βάρος κλπ.), οικονομικά δεδομένα.

10 Σημασία των κανονικών τ.μ. Οι κανονικές τ.μ. μοντελοποιούν καλά ποσότητες που προκύπτουν από το αθροιστικό αποτέλεσμα πολλών ανεξάρτητων παραγόντων. Ετσι μοντελοποιούν καλά μεγέθη όπως σφάλματα μετρήσεων, αποδόσεις σε εξετάσεις, σωματομετρικά δεδομένα (ύψος, βάρος κλπ.), οικονομικά δεδομένα. Η σημασία τους έγκειται στο περίφημο Κεντρικό Οριακό Θεώρημα: Το άθροισμα μεγάλου πλήθους ανεξάρτητων και ισόνομων τ.μ. ακολουθεί προσεγγιστικά κανονική κατανομή, όποιες και να είναι οι τ.μ.- προσθεταίοι.

11 Γραμμικοί μετασχηματισμοί

12 Γραμμικοί μετασχηματισμοί Η γραμμική συνάρτηση μιας κανονικής τ.μ. είναι κανονική τ.μ.

13 Γραμμικοί μετασχηματισμοί Η γραμμική συνάρτηση μιας κανονικής τ.μ. είναι κανονική τ.μ. X N (µ, σ 2 ) ax + b N (aµ + b, a 2 σ 2 ).

14 Γραμμικοί μετασχηματισμοί Η γραμμική συνάρτηση μιας κανονικής τ.μ. είναι κανονική τ.μ. X N (µ, σ 2 ) ax + b N (aµ + b, a 2 σ 2 ). Ειδικότερα:

15 Γραμμικοί μετασχηματισμοί Η γραμμική συνάρτηση μιας κανονικής τ.μ. είναι κανονική τ.μ. X N (µ, σ 2 ) ax + b N (aµ + b, a 2 σ 2 ). Ειδικότερα: X N (µ, σ 2 ) X E[X] V ar[x] = X µ σ N (0, 1).

16 Γραμμικοί μετασχηματισμοί Η γραμμική συνάρτηση μιας κανονικής τ.μ. είναι κανονική τ.μ. X N (µ, σ 2 ) ax + b N (aµ + b, a 2 σ 2 ). Ειδικότερα: X N (µ, σ 2 ) X E[X] V ar[x] = X µ σ N (0, 1). Δοθείσης μιας κανονικής τ.μ. X, η X E[X] αναφέρεται V ar[x] ως η αντίστοιχη τυποποιημένη της X.

17 Γραμμικοί μετασχηματισμοί Η γραμμική συνάρτηση μιας κανονικής τ.μ. είναι κανονική τ.μ. X N (µ, σ 2 ) ax + b N (aµ + b, a 2 σ 2 ). Ειδικότερα: X N (µ, σ 2 ) X E[X] V ar[x] = X µ σ N (0, 1). Δοθείσης μιας κανονικής τ.μ. X, η X E[X] αναφέρεται V ar[x] ως η αντίστοιχη τυποποιημένη της X. Ολοι οι υπολογισμοί πιθανοτήτων που αφορούν μια κανονική τ.μ. μπορούν αν γίνουν μέσω της N (0, 1).

18 Τυποποιημένη κανονική

19 Τυποποιημένη κανονική Μια τ.μ. Y N (0, 1) λέγεται τυποποιημένη κανονική.

20 Τυποποιημένη κανονική Μια τ.μ. Y N (0, 1) λέγεται τυποποιημένη κανονική. Η συνάρτηση κατανομής της συμβολίζεται με Φ(y): Φ(y) = P (Y y) = P (Y < y) = 1 y e t2 2 dt. 2π

21 Τυποποιημένη κανονική Μια τ.μ. Y N (0, 1) λέγεται τυποποιημένη κανονική. Η συνάρτηση κατανομής της συμβολίζεται με Φ(y): Φ(y) = P (Y y) = P (Y < y) = 1 y e t2 2 dt. 2π Η Φ(y) δεν υπολογίζεται σε κλειστή αναλυτική μορφή.

22 Τυποποιημένη κανονική Μια τ.μ. Y N (0, 1) λέγεται τυποποιημένη κανονική. Η συνάρτηση κατανομής της συμβολίζεται με Φ(y): Φ(y) = P (Y y) = P (Y < y) = 1 y e t2 2 dt. 2π Η Φ(y) δεν υπολογίζεται σε κλειστή αναλυτική μορφή. Τα βιβλία Πιθανοτήτων-Στατιστικής περιέχουν πίνακες της Φ(y) για 0 y 3 με βήμα 0.01.

23 Τυποποιημένη κανονική Μια τ.μ. Y N (0, 1) λέγεται τυποποιημένη κανονική. Η συνάρτηση κατανομής της συμβολίζεται με Φ(y): Φ(y) = P (Y y) = P (Y < y) = 1 y e t2 2 dt. 2π Η Φ(y) δεν υπολογίζεται σε κλειστή αναλυτική μορφή. Τα βιβλία Πιθανοτήτων-Στατιστικής περιέχουν πίνακες της Φ(y) για 0 y 3 με βήμα Συμμετρία της σππ. Φ( y) = 1 Φ(y).

24 Τυποποιημένη κανονική Μια τ.μ. Y N (0, 1) λέγεται τυποποιημένη κανονική. Η συνάρτηση κατανομής της συμβολίζεται με Φ(y): Φ(y) = P (Y y) = P (Y < y) = 1 y e t2 2 dt. 2π Η Φ(y) δεν υπολογίζεται σε κλειστή αναλυτική μορφή. Τα βιβλία Πιθανοτήτων-Στατιστικής περιέχουν πίνακες της Φ(y) για 0 y 3 με βήμα Συμμετρία της σππ. Φ( y) = 1 Φ(y). Φ(3) > Φ(y) 1 για y > 3.

25 Πίνακας τιμών κανονικής κατανομής

26 Πίνακας τιμών κανονικής κατανομής (συνέχεια)

27 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ.

28 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε

29 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x]

30 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y).

31 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y). Π.χ. Εστω ότι X N (µ, σ 2 ).

32 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y). Π.χ. Εστω ότι X N (µ, σ 2 ). P (a X b) = ;

33 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y). Π.χ. Εστω ότι X N (µ, σ 2 ). P (a X b) = ; ;

34 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y). Π.χ. Εστω ότι X N (µ, σ 2 ). P (a X b) = ; ; ;

35 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y). Π.χ. Εστω ότι X N (µ, σ 2 ). P (a X b) = ; ; ; P (a X b) = P ( a µ σ X µ σ b µ σ )

36 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y). Π.χ. Εστω ότι X N (µ, σ 2 ). P (a X b) = ; ; ; P (a X b) = P ( a µ σ = P ( a µ σ Y b µ σ X µ σ b µ ) σ ), Y N (0, 1)

37 Διαδικασία υπολογισμών για κανονικές τ.μ. Οταν έχουμε να υπολογίσουμε μια πιθανότητα που αφορά μια κανονική τ.μ. X, τότε 1 Μεταφράζουμε το αντίστοιχο ενδεχόμενο ως προς την αντίστοιχη τυποποιημένη Y = X E[X]. V ar[x] 2 Υπολογίζουμε την πιθανότητα μέσω της Φ(y). Π.χ. Εστω ότι X N (µ, σ 2 ). P (a X b) = ; ; ; P (a X b) = P ( a µ σ = P ( a µ σ = Φ( b µ σ Y b µ σ a µ ) Φ( ). σ X µ σ b µ ) σ ), Y N (0, 1)

38 Παράδειγμα 1: Υψος χιονόπτωσης

39 Παράδειγμα 1: Υψος χιονόπτωσης Η ετήσια χιονόπτωση σε μια περιοχή μοντελοποιείται μέσω μιας κανονικής τ.μ. με μέση τιμη 60 εκατοστά και τυπική απόκλιση 20.

40 Παράδειγμα 1: Υψος χιονόπτωσης Η ετήσια χιονόπτωση σε μια περιοχή μοντελοποιείται μέσω μιας κανονικής τ.μ. με μέση τιμη 60 εκατοστά και τυπική απόκλιση 20. Ποιά η πιθανότητα η φετεινή χιονόπτωση να είναι τουλάχιστον 80 εκατοστά;

41 Παράδειγμα 1: Υψος χιονόπτωσης Η ετήσια χιονόπτωση σε μια περιοχή μοντελοποιείται μέσω μιας κανονικής τ.μ. με μέση τιμη 60 εκατοστά και τυπική απόκλιση 20. Ποιά η πιθανότητα η φετεινή χιονόπτωση να είναι τουλάχιστον 80 εκατοστά;

42 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ.

43 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ.

44 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: f X (x) = { cx(3 x), 0 x 3, 0, αλλιώς.

45 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: c = ; f X (x) = { cx(3 x), 0 x 3, 0, αλλιώς.

46 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: c = ; E[X] = ; f X (x) = { cx(3 x), 0 x 3, 0, αλλιώς.

47 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: c = ; E[X] = ; V ar[x] = ; f X (x) = { cx(3 x), 0 x 3, 0, αλλιώς.

48 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: c = ; E[X] = ; V ar[x] = ; f X (x) = P (X 1 X [ 1, 2]) = ; { cx(3 x), 0 x 3, 0, αλλιώς.

49 Άσκηση 1: Υπολογισμοί για συνεχείς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: c = ; E[X] = ; V ar[x] = ; f X (x) = P (X 1 X [ 1, 2]) = ; P (X 1 X [0, 4]) = ; { cx(3 x), 0 x 3, 0, αλλιώς.

50 Άσκηση 2: Συναρτήσεις συνεχούς τ.μ.

51 Άσκηση 2: Συναρτήσεις συνεχούς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ.

52 Άσκηση 2: Συναρτήσεις συνεχούς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: f X (x) = { 1, 0 x 1, 0, αλλιώς.

53 Άσκηση 2: Συναρτήσεις συνεχούς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: f X (x) = Y = X 2, Z = e X. { 1, 0 x 1, 0, αλλιώς.

54 Άσκηση 2: Συναρτήσεις συνεχούς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: f X (x) = Y = X 2, Z = e X. { 1, 0 x 1, 0, αλλιώς. Συναρτήσεις κατανομής F Y (y), F Z (z) ;

55 Άσκηση 2: Συναρτήσεις συνεχούς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: f X (x) = Y = X 2, Z = e X. { 1, 0 x 1, 0, αλλιώς. Συναρτήσεις κατανομής F Y (y), F Z (z) ; Σππ f Y (y), f Z (z) ;

56 Άσκηση 2: Συναρτήσεις συνεχούς τ.μ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: f X (x) = Y = X 2, Z = e X. { 1, 0 x 1, 0, αλλιώς. Συναρτήσεις κατανομής F Y (y), F Z (z) ; Σππ f Y (y), f Z (z) ; E[Y ], E[Z] ;

57 Άσκηση 3: Μη-φραγμένη σππ.

58 Άσκηση 3: Μη-φραγμένη σππ. X: Συνεχής τ.μ.

59 Άσκηση 3: Μη-φραγμένη σππ. X: Συνεχής τ.μ. Σππ: f X (x) = { 1 2, x 0 < x 1, 0, αλλιώς.

60 Άσκηση 3: Μη-φραγμένη σππ. X: Συνεχής τ.μ. { Σππ: 1 2 f X (x) =, 0 < x 1, x 0, αλλιώς. Συνάρτηση κατανομής F X (x) = ;

61 Άσκηση 3: Μη-φραγμένη σππ. X: Συνεχής τ.μ. { Σππ: 1 2 f X (x) =, 0 < x 1, x 0, αλλιώς. Συνάρτηση κατανομής F X (x) = ; P (X > 1/2) = ;

62 Άσκηση 3: Μη-φραγμένη σππ. X: Συνεχής τ.μ. { Σππ: 1 2 f X (x) =, 0 < x 1, x 0, αλλιώς. Συνάρτηση κατανομής F X (x) = ; P (X > 1/2) = ; E[X] = ;, V ar[x] = ;

63 Μελέτη

64 Μελέτη Μπερτσεκάς, Δ.Π. και Τσιτσικλής, Γ.Ν. (2013) Εισαγωγή στις Πιθανότητες με Στοιχεία Στατιστικής, Εκδόσεις Τζιόλα. Θεωρία: Ασκήσεις: 3.3 Κανονικές Τυχαίες Μεταβλητές 3.3 Προβλήματα 11, 12 Οι ασκήσεις που περιέχονται στις παρούσες διαφάνειες και δεν έγιναν στην τάξη.

65 Τέλος Ενότητας

66 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στο πλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ενωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

67 Σημειώματα

68 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Εργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0.

69 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Εθνικόν και Καποδιστριακόν Πανεπιστήμιον Αθηνών «Πιθανότητες και Στατιστική. Συνεχείς τυχαίες μεταβλητές». Εκδοση: 1.0. Αθήνα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

70 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Εκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Εργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

71 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Εργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.