Математическим ожиданием дискретной случайной величины называют сумму произведений всех ее возможных значений на их вероятности:
Пример.
X -4 6 10
р 0,2 0,3 0,5
Решение: Математическое ожидание равно сумме произведений всех возможных значений X на их вероятности:
М (X) = 4*0,2 + 6*0,3 +10*0,5 = 6.
Для вычисления математического ожидания удобно расчеты проводить в Excel (в особенности когда данных много), предлагаем воспользоваться готовым шаблоном ().
Пример для самостоятельного решения (можете применить калькулятор).
Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X, заданной законом распределения:
X 0,21 0,54 0,61
р 0,1 0,5 0,4
Математическое ожидание обладает следующими свойствами.
Свойство 1. Математическое ожидание постоянной величины равно самой постоянной: М(С)=С.
Свойство 2. Постоянный множитель можно выносить за знак математического ожидания: М(СХ)=СМ(Х).
Свойство 3. Математическое ожидание произведения взаимно независимых случайных величин равно произведению математических ожиданий сомножителей: М (Х1Х2 ...Хп)=М (X1) М {Х2)*. ..*М (Xn)
Свойство 4. Математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме математических ожиданий слагаемых: М(Хг + Х2+...+Хn) = М{Хг)+М(Х2)+…+М(Хn).
Задача 189. Найти математическое ожидание случайной вели чины Z, если известны математические ожидания X н Y: Z = X+2Y, M(X) = 5, M(Y) = 3;
Решение: Используя свойства математического ожидания (математическое ожидание суммы равно сумме математических ожиданий слагаемых; постоянный множитель можно вынести за знак математического ожидания), получим M(Z)=M(X + 2Y)=M(X) + M(2Y)=M(X) + 2M(Y)= 5 + 2*3 = 11.
190. Используя свойства мaтематического ожидания, доказать, что: а) М(Х - Y) = M(X)-М (Y); б) математическое ожидание отклонения X-M(Х) равно нулю.
191. Дискретная случайная величина X принимает три возможных значения: x1= 4 С вероятностью р1 = 0,5; xЗ = 6 С вероятностью P2 = 0,3 и x3 с вероятностью р3. Найти: x3 и р3, зная, что М(Х)=8.
192. Дан перечень возможных значений дискретной случайной величины X: x1 = -1, х2 = 0, x3= 1 также известны математические ожидания этой величины и ее квадрата: M(Х) = 0,1, М(Х^2)=0,9. Найти вероятности p1, p2,p3 соответствующие возможным значениям xi
194. В партии из 10 деталей содержится три нестандартных. Наудачу отобраны две детали. Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X - числа нестандартных деталей среди двух отобранных.
196. Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X-числа таких бросаний пяти игральных костей, в каждом из которых на двух костях по
явится по одному очку, если общее число бросаний
равно двадцати.
Математическое ожидание биномиального распределения равно произведению числа испытаний на вероятность появления события в одном испытании:
Т.е., если сл. величина имеет закон распределения, то
называется
её математическим ожиданием. Если сл. величина имеет бесконечное число значений, то математическое ожидание определяется суммой бесконечного ряда 
, при условии, что этот ряд абсолютно сходится (в противном случае говорят, что математическое ожидание не существует).
Для непрерывной сл. величины, заданной функцией плотности вероят-ности f(x), математическое ожидание определяется в виде интеграла
при условии, что этот интеграл существует (если интеграл расходится, то говорят, что математическое ожидание не существует).
Пример 1 . Определим математическое ожидание случайной величины распределённой по закону Пуассона . По определению
или обозначим
, 
Значит, параметр , определяющий закон распределения пуассоновской случайной величины равен среднему значению этой величины.
Пример 2 . Для случайной величины, имеющей показательный закон распределения , математическое ожидание равно
(
):
(в интеграле пределы взять, с учётов того. что f (x) отлична от нуля только при положительных x).
Пример 3 . Случайнаявеличина, распределенная по закону распределения Коши , не имеет среднего значения. Действительно
Свойства математического ожидания .
Свойство 1 . Математическое ожидание постоянной равно самой этой постоянной.
Постоянная С принимает это значение с вероятностью единица и по определению М(С)=С×1=С
Свойство 2 . Математическое ожидание алгебраической суммы случайных величин равно алгебраической суме их математических ожиданий.
Ограничимся доказательством этого свойства только для суммы двух дискретных случайных величин, т.е. докажем, что
Под суммой двух дискретных сл. Величин понимается сл. Величина, которая принимает значения с вероятностями
По определению
где вероятность события , вычисленная при условии, что . В правой части последнего равенства перечислены все случаи появления события , поэтому равна полной вероятности появления события , т.е. 
. Аналогично 
. Окончательно имеем
Свойство 3 . Математическое ожидание произведения двух независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий.
| У | … | |||||||
| Q | … | |||||||
| Х | … | |||||||
| Р | … | |||||||
Приведем доказательства этого свойства только для дискретных величин. Для непрерывных случайных величин оно доказывается аналогично.
Пусть Х и У независимы и имеют законы распределения
Произведением этих случайных величин будет случайная величина, которая принимает значения с вероятностями равными, в силу независимости случайных величин, . Тогда
Следствие . Постоянныймножитель можно выносить за знак матема-тического ожидания. Так век постоянная С не зависит от того какое значение примет сл. величина X, то по свойству 3. имеем
М(СХ)=М(С)×М(Х)=С×М(Х)
Пример . Если a и b постоянные, то М(ах+b)=аМ(х)+b.
Математическое ожидание числа появления события в схеме независимых испытаний.
Пусть производится n независимых опытов, ве-роятность появления события в каждом из которых равна Р. Чис-ло появлений события в этих n опытах является случайной величиною Х распределённой по биномиальному закону. Однако, непосредственное вычисление её среднего значения громоздко. Для упрощения воспользуемся разложением, которым будем пользоваться в дальнейшем неоднократно: Число появления события в n опытах состоит изчисла появлений события в отдельных опытах, т.е.
где имеет закон распределения (принимает значение 1, если событие в данном опыте произошло, и значение 0, если событие в данном опыте не появилось).
| Р | 1-р | р |
Поэтому
т.е. среднее число появлений события в n независимых опытах равно произведению числа опытов на вероятность появления события в одном опыте.
Например, если вероятность попадания в цель при одном выстреле равна 0,1, то среднее число попадания в 20 выстрелах равно 20×0,1=2.
Задача 1. Вероятность всхожести семян пшеницы равна 0,9. Какова вероятность того, что из четырех посеянных семян взойдут не менее трех?
Решение. Пусть событие А – из 4 семян взойдут не менее 3 семян; событие В – из 4 семян взойдут 3 семени; событие С – из 4 семян взойдут 4 семени. По теореме сложения вероятностей
Вероятности 
и 
определим по формуле Бернулли, применяемой
в следующем случае. Пусть проводится
серия п
независимых испытаний, при каждом из
которых вероятность наступления события
постоянна и равна р
,
а вероятность ненаступления этого
события равна 
.
Тогда вероятность того, что событие А
в п
испытаниях появится ровно 
раз, вычисляется по формуле Бернулли
,
где 
– число сочетаний из п
элементов по 
.
Тогда
Искомая вероятность
Задача 2. Вероятность всхожести семян пшеницы равна 0,9. Найти вероятность того, что из 400 посеянных семян взойдут 350 семян.
Решение. Вычислить
искомую вероятность 
по формуле Бернулли затруднительно
из-за громоздкости вычислений. Поэтому
применим приближенную формулу, выражающую
локальную теорему Лапласа:
,
где 
и 
.
Из условия задачи . Тогда
.
Из таблицы 1 приложений находим . Искомая вероятность равна
Задача 3. Среди семян пшеницы 0,02% сорняков. Какова вероятность того, что при случайном отборе 10000 семян будет обнаружено 6 семян сорняков?
Решение. Применение
локальной теоремы Лапласа из-за малой
вероятности 
приводит к значительному отклонению
вероятности от точного значения 
.
Поэтому при малых значениях р
для вычисления 
применяют асимптотическую формулу
Пуассона
,
где .
Эта формула
используется при 
,
причем чем меньше р
и больше п
,
тем результат точнее.
По условию задачи
;
.
Тогда
Задача 4. Процент всхожести семян пшеницы равен 90%. Найти вероятность того, что из 500 посеянных семян взойдут от 400 до 440 семян.
Решение. Если
вероятность наступления события А
в каждом из п
испытаний постоянна и равна р
,
то вероятность 
того, что событие А
в таких испытаниях наступит не менее 
раз и не более 
раз определяется по интегральной теореме
Лапласа следующей формулой:
,
где
, 
.
Функция 
называется функцией Лапласа. В приложениях
(табл. 2) даны значения этой функции для
.
При 
функция 
.
При отрицательных значениях х
в силу нечетности функции Лапласа 
.
Используя функцию Лапласа, имеем:
По условию задачи
.
По приведенным выше формулам находим
и 
:
Задача 5. Задан закон распределения дискретной случайной величины Х :
Найти: 1) математическое ожидание; 2) дисперсию; 3) среднее квадратическое отклонение.
Решение. 1) Если закон распределения дискретной случайной величины задан таблицей
|
| ||||||
Где в первой строке даны значения случайной величины х, а во второй – вероятности этих значений, то математическое ожидание вычисляется по формуле
2) Дисперсия 
дискретной
случайной величины Х
называется математическое ожидание
квадрата отклонения случайной величины
от ее математического ожидания, т.е.
Эта величина
характеризует среднее ожидаемое значение
квадрата отклонения Х
от 
.
Из последней формулы имеем
Дисперсию 
можно найти другим способом, исходя из
следующего ее свойства: дисперсия 
равна разности между математическим
ожиданием квадрата случайной величины
Х
и квадратом ее математического ожидания
,
то есть
Для вычисления 
составим следующий закон распределения
величины 
:
3) Для характеристики
рассеяния возможных значений случайной
величины вокруг ее среднего значения
вводится среднее квадратическое
отклонение 
случайной величины Х
,
равное квадратному корню из дисперсии
,
то есть
.
Из этой формулы
имеем: 
Задача 6. Непрерывная случайная величина Х задана интегральной функцией распределения
Найти: 1)
дифференциальную функцию распределения
;
2) математическое ожидание 
;
3) дисперсию 
.
Решение. 1)
Дифференциальной функцией распределения
непрерывной случайной величины Х
называется производная от интегральной
функции распределения 
,
то есть
.
Искомая дифференциальная функция имеет следующий вид:
2) Если непрерывная
случайная величина Х
задана функцией 
,
то ее математическое ожидание определяется
формулой
Так как функция
при 
и при 
равна нулю, то из последней формулы
имеем
.
3) Дисперсию 
определим по формуле
Задача 7. Длина детали представляет собой нормально распределенную случайную величину с математическим ожиданием 40 мм и средним квадратическим отклонением 3 мм. Найти: 1) вероятность того, что длина произвольно взятой детали будет больше 34 мм и меньше 43 мм; 2) вероятность того, что длина детали отклонится от ее математического ожидания не более чем на 1,5 мм.
Решение. 1) Пусть
Х
– длина детали. Если случайная величина
Х
задана дифференциальной функцией 
,
то вероятность того, что Х
примет значения, принадлежащие отрезку
,
определяется по формуле
.
Вероятность
выполнения строгих неравенств 
определяется той же формулой. Если
случайная величина Х
распределена по нормальному закону, то
, (1)
где 
– функция Лапласа, 
.
В задаче . Тогда
2) По условию задачи
,
где 
.
Подставив в (1) ,
имеем
. (2)
Из формулы (2) имеем.
Случайные величины помимо законов распределения могут описываться также числовыми характеристиками .
Математическим ожиданием М (x) случайной величины называется ее среднее значение.
Математическое ожидание дискретной случайной величины вычисляется по формуле
где – значения случайной величины, р i - ихвероятности.
Рассмотрим свойства математического ожидания:
1. Математическое ожидание константы равно самой константе
2. Если случайную величину умножить на некоторое число k, то и математическое ожидание умножится на это же число
М (kx) = kМ (x)
3. Математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме их математических ожиданий
М (x 1 + x 2 + … + x n) = М (x 1) + М (x 2) +…+ М (x n)
4. М (x 1 - x 2) = М (x 1) - М (x 2)
5. Для независимых случайных величин x 1 , x 2 , … x n математическое ожидание произведения равно произведению их математических ожиданий
М (x 1 , x 2 , … x n) = М (x 1) М (x 2) … М (x n)
6. М (x - М (x)) = М (x) - М (М(x)) = М (x) - М (x) = 0
Вычислим математическое ожидание для случайной величины из Примера 11.
М (x) = = 
.
Пример 12. Пусть случайные величины x 1 , x 2 заданы соответственно законами распределения:
x 1 Таблица 2
x 2 Таблица 3
Вычислим М (x 1) и М (x 2)
М (x 1) = (- 0,1) 0,1 + (- 0,01) 0,2 + 0 · 0,4 + 0,01 · 0,2 + 0,1 · 0,1 = 0
М (x 2) = (- 20) 0,3 + (- 10) 0,1 + 0 · 0,2 + 10 · 0,1 + 20 · 0,3 = 0
Математические ожидания обеих случайных величин одинаковы- они равны нулю. Однако характер их распределения различный. Если значения x 1 мало отличаются от своего математического ожидания, то значения x 2 в большой степени отличаются от своего математического ожидания, и вероятности таких отклонений не малы. Эти примеры показывают, что по среднему значению нельзя определить, какие отклонения от него имеют место как в меньшую, так и в большую сторону. Так при одинаковой средней величине выпадающих в двух местностях осадков за год нельзя сказать, что эти местности одинаково благоприятны для сельскохозяйственных работ. Аналогично по показателю средней заработной платы не возможно судить об удельном весе высоко- и низкооплачиваемых работниках. Поэтому, вводится числовая характеристика – дисперсия D (x) , которая характеризует степень отклонения случайной величины от своего среднего значения:
D (x) = M (x - M (x)) 2 . (2)
Дисперсия –это математическое ожидание квадрата отклонения случайной величины от математического ожидания. Для дискретной случайной величины дисперсия вычисляется по формуле:
D (x) = 
= 
(3)
Из определения дисперсии следует, что D (x) 0.
Свойства дисперсии:
1. Дисперсия константы равна нулю
2. Если случайную величину умножить на некоторое число k , то дисперсия умножится на квадрат этого числа
D (kx) = k 2 D (x)
3. D (x) = М (x 2) – М 2 (x)
4. Для попарно независимых случайных величин x 1 , x 2 , … x n дисперсия суммы равна сумме дисперсий.
D (x 1 + x 2 + … + x n) = D (x 1) + D (x 2) +…+ D (x n)
Вычислим дисперсию для случайной величины из Примера 11.
Математическое ожидание М (x) = 1. Поэтому по формуле (3) имеем:
D (x) = (0 – 1) 2 ·1/4 + (1 – 1) 2 ·1/2 + (2 – 1) 2 ·1/4 =1·1/4 +1·1/4= 1/2
Отметим, что дисперсию вычислять проще, если воспользоваться свойством 3:
D (x) = М (x 2) – М 2 (x).
Вычислим дисперсии для случайных величин x 1 , x 2 из Примера 12 по этой формуле. Математические ожидания обеих случайных величин равны нулю.
D (x 1) = 0,01· 0,1 + 0,0001· 0,2 + 0,0001· 0,2 + 0,01· 0,1 = 0,001 + 0,00002 + 0,00002 + 0,001 = 0,00204
D (x 2) = (-20) 2 · 0,3 + (-10) 2 · 0,1 + 10 2 · 0,1 + 20 2 · 0,3 = 240 +20 = 260
Чем ближе значение дисперсии к нулю, тем меньше разброс случайной величины относительно среднего значения.
Величина называется среднеквадратическим отклонением . Модой случайной величины x дискретного типа Md называется такое значение случайной величины, которому соответствует наибольшая вероятность.
Модой случайной величины x непрерывного типа Md , называется действительное число, определяемое как точка максимума плотности распределения вероятностей f(x).
Медианой случайной величины x непрерывного типа Mn называется действительное число, удовлетворяющее уравнению
Следующим по важности свойством случайной величины вслед за математическим ожиданием является ее дисперсия, определяемая как средний квадрат отклонения от среднего:
Если обозначить через то дисперсия VX будет ожидаемым значением Это характеристика „разброса" распределения X.
В качестве простого примера вычисления дисперсии предположим, что нам только что сделали предложение, от которого мы не в силах отказаться: некто подарил нам два сертификата для участия в одной лотерее. Устроители лотереи продают каждую неделю по 100 билетов, участвующих в отдельном тираже. В тираже выбирается один их этих билетов посредством равномерного случайного процесса - каждый билет имеет равные шансы быть выбранным - и обладатель этого счастливого билета получает сто миллионов долларов. Остальные 99 владельцев лотерейных билетов не выигрывают ничего.
Мы можем использовать подарок двумя способами: купить или два билета в одной лотерее, или по одному для участия в двух разных лотереях. Какая стратегия лучше? Попытаемся провести анализ. Для этого обозначим через случайные величины, представляющие размер нашего выигрыша по первому и второму билету. Ожидаемое значение в миллионах, равно
и то же самое справедливо для Ожидаемые значения аддитивны, поэтому наш средний суммарный выигрыш составит
независимо от принятой стратегии.
Тем не менее, две стратегии выглядят различными. Выйдем за рамки ожидаемых значений и изучим полностью распределение вероятностей
Если мы купим два билета в одной лотерее, то наши шансы не выиграть ничего составят 98% и 2% - шансы на выигрыш 100 миллионов. Если же мы купим билеты на разные тиражи, то цифры будут такими: 98.01% - шанс не выиграть ничего, что несколько больше, чем ранее; 0.01% - шанс выиграть 200 миллионов, также чуть больше, чем было ранее; и шанс выиграть 100 миллионов теперь составляет 1.98%. Таким образом, во втором случае распределение величины несколько более разбросано; среднее значение, 100 миллионов долларов, несколько менее вероятно, тогда как крайние значения более вероятны.
Именно это понятие разброса случайной величины призвана отразить дисперсия. Мы измеряем разброс через квадрат отклонения случайной величины от ее математического ожидания. Таким образом, в случае 1 дисперсия составит
в случае 2 дисперсия равна
Как мы и ожидали, последняя величина несколько больше, поскольку распределение в случае 2 несколько более разбросано.
Когда мы работаем с дисперсиями, то все возводится в квадрат, так что в результате могут получиться весьма большие числа. (Множитель есть один триллион, это должно впечатлить
даже привычных к крупным ставкам игроков.) Для преобразования величин в более осмысленную исходную шкалу часто извлекают квадратный корень из дисперсии. Полученное число называется стандартным отклонением и обычно обозначается греческой буквой а:
Стандартные отклонения величины для наших двух лотерейных стратегий составят . В некотором смысле второй вариант примерно на 71247 долларов рискованнее.
Каким образом дисперсия помогает в выборе стратегии? Это не ясно. Стратегия с большей дисперсией рискованнее; но что лучше для нашего кошелька - риск или безопасная игра? Пусть у нас есть возможность купить не два билета, а все сто. Тогда мы могли бы гарантировать выигрыш в одной лотерее (и дисперсия была бы нулевой); или же можно было сыграть в сотне разных тиражей, ничего не получая с вероятностью зато имея ненулевой шанс на выигрыш вплоть до долларов. Выбор одной из этих альтернатив лежит за рамками этой книги; все, что мы можем сделать здесь,- это объяснить, как произвести подсчеты.
В действительности имеется более простой способ вычисления дисперсии, чем прямое использование определения (8.13). (Есть все основания подозревать здесь какую-то скрытую от глаз математику; иначе с чего бы дисперсия в лотерейных примерах оказалась целым кратным Имеем
поскольку - константа; следовательно,
„Дисперсия есть среднее значение квадрата минус квадрат среднего значения"
Например, в задаче про лотерею средним значением оказывается или Вычитание (квадрата среднего) дает результаты, которые мы уже получили ранее более трудным путем.
Есть, однако, еще более простая формула, применимая, когда мы вычисляем для независимых X и Y. Имеем
поскольку, как мы знаем, для независимых случайных величин Следовательно,
„Дисперсия суммы независимых случайных величин равняется сумме их дисперсий" Так, например, дисперсия суммы, которую можно выиграть на один лотерейный билет, равняется
Следовательно, дисперсия суммарного выигрыша по двум лотерейным билетам в двух различных (независимых) лотереях составит Соответствующее значение дисперсии для независимых лотерейных билетов будет
Дисперсия суммы очков, выпавших на двух кубиках, может быть получена по той же формуле, поскольку есть сумма двух независимых случайных величин. Имеем
для правильного кубика; следовательно, случае смещенного центра масс
следовательно, если у обоих кубиков центр масс смещен. Заметьте, что в последнем случае дисперсия больше, хотя принимает среднее значение 7 чаще, чем в случае правильных кубиков. Если наша цель - выбросить побольше приносящих удачу семерок, то дисперсия - не лучший показатель успеха.
Ну хорошо, мы установили, как вычислить дисперсию. Но мы пока не дали ответа на вопрос, почему надо вычислять именно дисперсию. Все так делают, но почему? Основная причина заключается в неравенстве Чебышева которое устанавливает важное свойство дисперсии:
(Это неравенство отличается от неравенств Чебышёва для сумм, встретившихся нам в гл. 2.) На качественном уровне (8.17) утверждает, что случайная величина X редко принимает значения, далекие от своего среднего если ее дисперсия VX мала. Доказательство
тельство необычайно просто. Действительно,
деление на завершает доказательство.
Если мы обозначим математическое ожидание через а стандартное отклонение - через а и заменим в (8.17) на то условие превратится в следовательно, мы получим из (8.17)
Таким образом, X будет лежать в пределах -кратного стандартного отклонения от своего среднего значения за исключением случаев, вероятность которых не превышает Случайная величина будет лежать в пределах 2а от по крайней мере для 75% испытаний; в пределах от до - по крайней мере для 99%. Это случаи неравенства Чебышёва.
Если бросить пару кубиков раз, то общая сумма очков во всех бросаниях почти всегда, при больших будет близка к Причина этого следующая: дисперсия независимых бросаний составит Дисперсия в означает стандартное отклонение всего
Поэтому из неравенства Чебышёва получаем, что сумма очков будет лежать между
по крайней мере для 99% всех бросаний правильных кубиков. Например, итог миллиона бросаний с вероятностью более 99% будет заключен между 6.976 млн и 7.024 млн.
В общем случае, пусть X - любая случайная величина на вероятностном пространстве П, имеющая конечное математическое ожидание и конечное стандартное отклонение а. Тогда можно ввести в рассмотрение вероятностное пространство Пп, элементарными событиями которого являются -последовательности где каждое , а вероятность определяется как
Если теперь определить случайные величины формулой
то величина
будет суммой независимых случайных величин, которая соответствует процессу суммирования независимых реализаций величины X на П. Математическое ожидание будет равно а стандартное отклонение - ; следовательно, среднее значение реализаций,
будет лежать в пределах от до по крайней мере в 99% временного периода. Иными словами, если выбрать достаточно большое то среднее арифметическое независимых испытаний будет почти всегда очень близко к ожидаемому значению (В учебниках теории вероятностей доказывается еще более сильная теорема, называемая усиленным законом больших чисел; но нам достаточно и простого следствия неравенства Чебышёва, которое мы только что вывели.)
Иногда нам не известны характеристики вероятностного пространства, но требуется оценить математическое ожидание случайной величины X при помощи повторных наблюдений ее значения. (Например, нам могла бы понадобиться средняя полуденная температура января в Сан-Франциско; или же мы хотим узнать ожидаемую продолжительность жизни, на которой должны основывать свои расчеты страховые агенты.) Если в нашем распоряжении имеются независимые эмпирические наблюдения то мы можем предположить, что истинное математическое ожидание приблизительно равно
Можно оценить и дисперсию, используя формулу
Глядя на эту формулу, можно подумать, что в ней - типографская ошибка; казалось бы, там должно стоять как в (8.19), поскольку истинное значение дисперсии определяется в (8.15) через ожидаемые значения. Однако замена здесь на позволяет получить лучшую оценку, поскольку из определения (8.20) вытекает, что
Вот доказательство:
(В этой выкладке мы опираемся на независимость наблюдений, когда заменяем на )
На практике для оценки результатов эксперимента со случайной величиной X обычно вычисляют эмпирическое среднее и эмпирическое стандартное отклонение после чего записывают ответ в виде Вот, например, результаты бросаний пары кубиков, предположительно правильных.