Методы оценок неизвестных параметров распределения
Нормальное распределение на прямой, нормальная кривая. Влияние параметров нормального распределения на форму нормальной кривой. Вероятность отклонения в заданный интервал нормальной случайной величины. Вычисление вероятности заданного отклонения.
Рубрика | Математика |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 06.12.2012 |
Размер файла | 1,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
24
Федеральное агентство по образованию РФ
Дагестанский Государственный Университет
Математический факультет
Кафедра информатики и вычислительной техники
Курсовая работа
На тему:
"Методы оценок неизвестных параметров распределения"
Выполнила: студентка 3 курса 5 группы
Тажудинова П.Г.
Руководитель: Магомедов И.И.
Махачкала 2008 г.
Содержание
- Введение
- 1. Нормальное распределение на прямой
- 2. Нормальная кривая
- 3. Влияние параметров нормального распределения на форму нормальной кривой
- 4. Вероятность отклонения в заданный интервал нормальной случайной величины
- 5. Вычисление вероятности заданного отклонения
- 6. Правило трех сигм
- 7. Равномерное распределение
- 8. Задачи
- Литература
Введение
Исходным объектом статистических исследований является выборка
,
Из распределения , которое полностью или частично неизвестно.
В математической статистике традиционно выделяют в качестве основных два следующих класса задач:
1. Оценка неизвестных параметров.
2. Проверка статистических гипотез.
Задачи первого класса возникают, когда по выборке нужно оценить какую-нибудь неизвестную числовую характеристику распределения Р (оно ведь неизвестно).
То есть, для заданного функционала
От распределения Р мы должны указать функцию от выборки (или, что то же, статистику)
Предназначенную для использования вместо параметра в качестве его приближения.
Статистику называют оценкой параметра . Разумеется, оценок для параметра может быть очень много. Для оценки функционала вида
естественно использовать статистику
.
Но можно, конечно, рассматривать и другие оценки, скажем,
,
где - элементы вариационного ряда и т.д. в качестве можно брать и значения, не зависящие от выборки.
Часто в постановке задач об оценивании содержится указания на то, каким является множество возможных значений параметра . Например, если оценивается доля какого-нибудь минерала в руде, то ясно, что.
Качественной разницы между задачами первого класса (теории оценок) и второго класса (проверка статистических гипотез) не существует.
Основные законы распределения:
1. Биномиальный закон распределения.
Определение. Дискретная случайная величина Х имеет биномиальный закон
Распределения с параметрами n и p, если она принимает
значения 0,1,2,…,m,…,n с вероятностями
,
где 0<p<1, .
2. Закон распределения Пуассона
Определение. Дискретная случайная величина Х имеет закон распределения
Пуассона с параметром , если она принимает значения
0,1,2,…,m,… (бесконечное но счетное множество значений) с
вероятностями
.
3. Геометрическое распределение
Определение. Дискретная случайная величина Х=m имеет геометрическое
распределение с параметром , если она принимает значения
1,2,…,m… (бесконечное, но счетное множество значений) с
вероятностями
,
где 0<p<1, .
4. Гипергеометрическое распределение
Определение. Дискретная случайная величина Х имеет гипергеометрическое
распределение с параметрами n, M, N, если она принимает
значения 0,1,2,…,m,…, min (n,M) с вероятностями
,
где , ; n,M,N - натуральные числа.
5. Равномерный закон распределения
Определение. Непрерывная случайная величина Х имеет равномерный закон
распределения на отрезке , если ее плотность вероятности
постоянна на этом отрезке и равна нулю вне его, т.е.
6. Показательный (экспоненциальный) закон распределения
Определение. Непрерывная случайная величина Х имеет показательный (экспоненциальный) закон распределения с параметром , если ее плотность вероятности имеет вид:
7. Нормальный закон распределения
Определение. Непрерывная случайная величина Х имеет нормальный закон распределения (закон Гаусса) с параметрами и , если ее плотность вероятности имеет вид:
.
8. - распределение.
Определение. Распределением (хи-квадрат) с степенями свободы называется распределение суммы квадратов независимых случайных величин, распределенных по стандартному нормальному закону, т.е.
,
где (=1,2,… ) имеет нормальное распределение N (0;1).
9. Распределение Стьюдента.
Определение. Распределение Стьюдента (или t-распределением) называется распределение случайной величины
,
где Z - случайная величина, распределенная по стандартному нормальному закону, т.е. N (0; 1);
- независимая от Z случайная величина, имеющая - распределение с степенями свободы.
10. Распределение Фишера-Снедекора.
Определение. Распределение Фишера-Снедекора (или F-распределением) называемся распределение случайной величины
,
где и - случайные величины, имеющие -распределение соответственно с и степенями свободы.
параметр распределение нормальная кривая
1. Нормальное распределение на прямой
Нормальным называют распределение вероятностей непрерывной случайной величины, которое описывается плотностью
.
Нормальное распределение определяется двумя параметрами: и . Достаточно знать эти параметры, чтобы задать нормальное распределение. Покажем, что вероятностный смысл этих параметров таков: есть математическое ожидание, - среднее квадратическое отклонение нормального распределения.
а) По определению математического ожидания непрерывной случайной величины,
Введем новую переменную . Отсюда , . Приняв во внимание, что новые пределы интегрирования равны старым, получим
Первое из слагаемых равно нулю (под знаком интеграла нечетная функция; пределы интегрирования симметричны относительно начала координат). Второе из слагаемых равно (интеграл Пуассона ).
Итак, , т.е. математическое ожидание нормального распределения равно параметру .
б) По определению дисперсии непрерывной случайной величины, учитывая, что , имеем
.
Введем новую переменную . Отсюда , . Приняв во внимание, что новые пределы интегрирования равны старым, получим
.
Интегрирую по частям, положив , , найдем
.
Следовательно,
.
Итак, среднее квадратическое отклонение нормального распределения равно параметру .
Общим называют нормальное распределение с произвольными параметрами и (>0).
Нормированным называют нормальное распределение с параметрами и .
Плотность нормированного распределения
.
Функция общего нормального распределения
,
А функция нормированного распределения
.
Вероятность попадания нормированной нормальной величины X в интервал (0,x) можно найти, пользуясь функцией Лапласа
.
Действительно
Учитывая, что и, следовательно, в силу симметрии относительно нуля , а значить, и ,
Легко получить, что .
Действительно,
.
2. Нормальная кривая
График плотности нормального распределения называют нормальной кривой (кривая Гаусса).
Исследуем функцию
Методами дифференциального исчисления.
1. Очевидно, функция определена на всей оси .
2. При всех значениях функция принимает положительные значения, т.е. нормальная кривая расположена над осью .
3. Предел функции при неограниченном возрастании (по абсолютной величине) равен нулю: , т.е. ось служит горизонтальной асимптотой графика.
4. Исследуем функции на экстремум. Найдем первую производную:
.
Легко видеть, что при , при , при .
Следовательно, при функция имеет максимум равный .
5. Равность содержится в аналитическом выражении функции в квадрате, т.е. график функции симметричен относительно прямой .
6. Исследуем функцию на точки перегиба. Найдем вторую производную:
.
Легко видеть, что при и вторая производная равна нулю, а при переходе через эти точки она меняет знак (в обеих этих точках значение функции равно ). Таким образом, точки графика и является точками перегиба.
На рис. изображена нормальная кривая при и .
3. Влияние параметров нормального распределения на форму нормальной кривой
График функции и имеют одинаковую форму; сдвинув график в положительном направлении оси на единиц масштаба при или в отрицательном направлении при , получим график . Отсюда следует, что изменение величины параметра (математического ожидания) не изменяет формы нормальной кривой, а приводить лишь к ее сдвигу вдоль оси : вправо, если возрастает, и влево, если убывает.
По иному обстоит дело, если изменяется параметр (среднее квадратическое отклонение). Максимум дифференциальной функции нормального распределения равен
.
Отсюда следует, что с возрастанием максимальная орбита нормальной кривой убывает, а сама кривая становится более пологой, т.е. сжимается к оси ; при убывании нормальная кривая становится более "островершинной" и растягивается в положительном направлении оси .
При любых значениях параметра и о площадь, ограниченная нормальной кривой и осью , остается равной единице.
На рис. изображены нормальные кривые при различных значениях и . Чертеж наглядно иллюстрирует, как изменение параметра сказывается на форме нормальной кривой.
При и нормальную кривую
называют нормированной.
4. Вероятность отклонения в заданный интервал нормальной случайной величины
Если случайная величина X задана плотностью распределения , то вероятность того, что X примет значение, принадлежащее интервалу , такова:
Пусть случайная величина X распределена по нормальному закону. Тогда вероятность того, что X примет значение, принадлежащее интервалу , равна
Можно преобразовать эту формулу так, чтобы можно было пользоваться готовыми таблицами. Введем новую переменную . Отсюда , . Найдем новые пределы интегрирования. Если , то ; если , то .
Таким образом, имеем
Пользуясь функцией Лапласа
,
окончательно получим
.
5. Вычисление вероятности заданного отклонения
Часто требуется вычислить вероятность того, что отклонение нормально распределенной случайной величины X по абсолютной величине меньше заданного положительного числа , т.е. требуется найти вероятность осуществления неравенства .
Заметим это неравенство равносильным ему двойным неравенством
, или .
Пользуясь формулой
,
получим
Приняв во внимание равенство (функция Лапласа - нечетная), окончательно имеем
.
В частности, при
.
На рисунке наглядно показано, что если две случайные величины нормально распределены и , то вероятность принять значение, принадлежащее интервалу , больше у той величины, которая имеет меньшее значение . Этот факт полностью соответствует вероятностному смыслу параметра ( есть среднее квадратическое отклонение; оно характеризует рассеяние случайной величины вокруг ее математического ожидания).
События состоящие в осуществлении неравенства и , - противоположные. Поэтому, если вероятность осуществления неравенства равна , то вероятность неравенства равна .
6. Правило трех сигм
Преобразуем формулу
,
положив . В итоге получим
.
Если и, следовательно, , то
,
т.е. вероятность то, что отклонение по абсолютной величине будет меньше утроенного среднего квадратического отклонения, равна 0,9973.
Другими словами, вероятность того, что абсолютная величина отклонения превысит утроенное среднее квадратическое отклонение, очень мала, а именно равна 0,0027. это означает, что лишь в 0,27% случаев так может произойти. Такие события исходя из принципов невозможности маловероятных событий можно считать практически невозможными. В этом и состоит сущность правила тих сигм: если случайная величина распределена нормально, то абсолютная величина ее отклонения от математического ожидания не превосходит утроенного среднего квадратического отклонения.
На практике правило трех сигм применяются так: если распределение изучаемой случайной величины неизвестно, но условие, указанное приведенном правиле, выполняются, то есть основание предполагать, что изучаемая величина распределена нормально; в противном случае она не распределена нормально.
7. Равномерное распределение
Определение. Непрерывная случайная величина Х имеет равномерный закон распределения на отрезке , если ее плотность вероятности постоянна на этом отрезке и равна нулю вне его, т.е.
Функция распределения случайной величины Х, распределенной по равномерному закону, есть
(*)
ее математическое ожидание
а дисперсия
При функция распределения
При получим
При очевидно, что
т.е. формула (*) доказана.
Математическое ожидание случайной величины Х с учетом его механической интерпретации как центра массы равно абсциссе середины отрезка, т.е.
Тот же результат получается если вычислить интеграл:
А для дисперсии имеем:
Равномерный закон распределения используется при анализе ошибок округления при проведении числовых расчетов (например, ошибка округления числа до целого распределена равномерно на отрезке [-0,5; +0,5]), в ряде задач массового обслуживания, при статистическом моделировании наблюдений, подчиненных заданному распределению. Так, случайная величина Х, распределена по равномерному закону на отрезке [0,1], называемая "случайным числом от 0 до 1", служит исходным материалом для получения случайных величин с любым законом распределения.
8. Задачи
1. Производится измерение диаметра вала без систематических (одного знака) ошибок. Случайные ошибки измерения X подчинены нормальному закону со средним квадратическим отклонением мм. Найти вероятность того, что измерение будет произведено с ошибкой, не превосходящей по абсолютной величине 15мм.
Решение.
Математическое ожидание случайных ошибок равно нулю, поэтому применима формула
Положив , , находим
По таблице находим Искомая вероятность
2. Автомат изготавливает шарики. Шарик считается годным, если отклонение X диаметра шарика от проектного размера по абсолютной величине меньше 0,7мм. Считая, что случайная величина X распределена нормально со средним квадратическим отклонением мм, найти, сколько в среднем будет годных шариков среди ста изготовленных.
Решение.
Так как X - отклонение (диаметра шарика от проектного размера), то
.
Воспользовавшись формулой
, подставив , , получим
Таким образом, вероятность отклонения, меньшего 0,7мм, равна 0,92. Отсюда следует, что примерно 92 шарика из 100 окажутся годными.
3. Диаметр круга измерен приближенно, причем , и . Рассматривая диаметр как случайную величину Х, распределенную равномерно в интервале , найти математическое ожидание и дисперсию площади круга.
Решение.
1. Математическое ожидание площади круга - случайной величины находим по формуле
.
Подставив , , получим
2. Дисперсию площади круга находим по формуле
Подставив , , получим
4. Полагая, что рост мужчин определенной возрастной группы есть нормально распределенная случайная величина Х с параметрами и , найти случайную величину Х.
Решение.
Практически достоверно, что рост мужчин данной возрастной группы заключен в границах от до . Найдем эти границы:
,
(см),
т.е. (см).
Литература
1. "Теория вероятностей и математическая статистика".В.Е. Гмурман Москва: "Высшая школа" 1998 г.
2. "Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике" В.Е. Гмурман Москва: "Высшая школа" 2002 г.
3. "Теория вероятностей и математическая статистика".Н.Ш. Кремер Москва: "Юнити-Дана", 2004 г.
4. "Математическая статистика. Оценка параметров. Проверка гипотез". А.А. Боровков Москва: изд. "Наука" 1996 г.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
История открытия нормального закона, его применение в науке и технике. Вероятность попадания случайной величины, подчиненной нормальному закону, на заданный участок. Нормальная функция распределения. Геометрическая интерпретация вероятного отклонения.
контрольная работа [506,3 K], добавлен 21.04.2019Вероятность попадания случайной величины Х в заданный интервал. Построение графика функции распределения случайной величины. Определение вероятности того, что наудачу взятое изделие отвечает стандарту. Закон распределения дискретной случайной величины.
контрольная работа [104,7 K], добавлен 24.01.2013Плотность распределения непрерывной случайной величины. Характеристика особенностей равномерного и нормального распределения. Вероятность попадания случайной величины в интервал. Свойства функции распределения. Общее понятие о регрессионном анализе.
контрольная работа [318,9 K], добавлен 26.04.2013Определение, доказательство свойств и построение графика функции распределения. Вероятность попадания непрерывной случайной величины в заданный интервал. Понятие о теореме Ляпунова. Плотность распределения "хи квадрат", Стьюдента, F Фишера—Снедекора.
курсовая работа [994,4 K], добавлен 02.10.2011Вычисление математического ожидания, дисперсии, функции распределения и среднеквадратического отклонения случайной величины. Закон распределения случайной величины. Классическое определение вероятности события. Нахождение плотности распределения.
контрольная работа [38,5 K], добавлен 25.03.2015Расчет параметров экспериментального распределения. Вычисление среднего арифметического значения и среднего квадратического отклонения. Определение вида закона распределения случайной величины. Оценка различий эмпирического и теоретического распределений.
курсовая работа [147,0 K], добавлен 10.04.2011Оценивание параметров закона распределения случайной величины. Точечная и интервальная оценки параметров распределения. Проверка статистической гипотезы о виде закона распределения, нахождение параметров системы. График оценки плотности вероятности.
курсовая работа [570,4 K], добавлен 28.09.2014Оценки неизвестных параметров закона распределения случайной величины Х по данным выборки. Интервальное оценивание. Случайный интервал. Граничные точки доверительного интервала. Нижний и верхний доверительные пределы.
реферат [30,0 K], добавлен 31.03.2003Определение вероятностей различных событий по формуле Бернулли. Составление закона распределения дискретной случайной величины, вычисление математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения случайной величины, плотностей вероятности.
контрольная работа [344,8 K], добавлен 31.10.2013Особенности функции распределения как самой универсальной характеристики случайной величины. Описание ее свойств, их представление с помощью геометрической интерпретации. Закономерности вычисления вероятности распределения дискретной случайной величины.
презентация [69,1 K], добавлен 01.11.2013