10959

Многомерные случайные величины

Лекция

Математика и математический анализ

Многомерные случайные величины Очень часто результат испытания характеризуется не одной случайной величины а некоторой системой случайных величин которую называют также многомерной мерной случайной величиной или случайным вектором . Случайные величины в

Русский

2013-04-03

198.57 KB

83 чел.

Многомерные случайные величины

Очень часто результат испытания характеризуется не одной случайной величины, а некоторой системой случайных величин , которую называют также многомерной (    мерной) случайной величиной или случайным вектором .

Случайные величины , входящие в систему, могут быть как дискретными, так и непрерывными.

Приведем примеры многомерных случайных величин:

  1.  физическое состояние человека можно охарактеризовать системой случайных величин: рост, вес, возраст, и т.п.
  2.  успеваемость студента можно описать многомерной случайной величиной , где оценка по му предмету.

Геометрически двумерную и трехмерную случайные величины можно интерпретировать случайной точкой (вектором) на плоскости или в трехмерном пространстве . Как отмечалось ранее, наиболее полным описанием СВ является закон ее распределения. Дальнейшее рассмотрение многомерных СВ проведем на примере двумерных случайных величин.

Определим, как и для одномерной СВ, интегральную функцию распределения двумерной СВ:

    (9.1)

Геометрически функция распределения означает вероятность попадания случайной точки в заштрихованную область – бесконечный квадрант, лежащий левее и ниже точки  (рис. 9.1). Правая и верхняя границы области в квадрант не включаются – это значит, что функция распределения непрерывна слева по каждому из аргументов.

В случае дискретной двумерной случайной величины ее функция распределения определяется по формуле:

Рис. 9.1.

    (9.2)

Здесь (9.2) суммирование вероятностей производится по всем значениям , для которых и по всем , для которых .

Свойства двумерной функции распределения

  1.  Функция распределения  есть неотрицательная функция, заключенная между нулем и единицей, т.е.

.      (9.3)

Это утверждение следует из того, что интегральная функция распределения двумерной СВ есть вероятность.

  1.  Функция распределения  есть неубывающая функция, по каждому из аргументов, т.е.

  

      (9.4)

Т.к. при увеличении какого-либо аргумента заштрихованная область на рис.9.1 увеличивается, то вероятность попадания случайной точки в эту область, по крайней мере, уменьшиться не может.

  1.  Если хотя бы один из аргументов обращается в , функция распределения  равна нулю, т.е.

  (9.5)

Функция распределения в данных случаях равна нулю, т.к. события и их произведение представляют невозможные события.

  1.  Если один из аргументов равен , двумерная функция распределения  становится равной одномерной функции распределения от другого аргумента:

    

      (9.6)

где . Очевидность данного свойства (9.6) вытекает из того, что произведение события и достоверного события есть само событие , аналогично можно показать и для .

  1.  Если оба аргумента равны , то функция распределения  равна единице:

.      (9.7)

Это свойство обусловлено тем фактом, что совместная реализация двух достоверных событий и есть событие достоверное, а вероятность достоверного события равна единице.

Рассмотрим вероятность попадания двумерной СВ в некоторый прямоугольник (см. рис. 9.2). Вероятность попадания случайной точки в указанный прямоугольник можно записать:

.   (9.8)

Рис.9.2. Вероятность попадания в прямоугольник

Зная функцию распределения , выразим искомую вероятность. Эта вероятность равна вероятности попадания в бесконечный квадрант с вершиной , минус вероятности попадания в квадранты с вершинами и плюс вероятность попадания в квадрант (т.к. эта вероятность вычиталась дважды). Окончательно получим:

(9.9)

Плотность вероятности двумерной случайной величины

Двумерная случайная величина называется непрерывной, если ее функция распределения - непрерывная функция, дифференцируемая по каждому из аргументов, и существует вторая смешанная производная .

Как и для одномерной случайной величины, введем понятие плотности вероятности двумерной СВ.

Оценим вероятность попадания случайной точки в прямоугольник со сторонами и . Средняя плотность вероятности в данном прямоугольнике равна отношению вероятности к площади прямоугольника . Будем неограниченно уменьшать стороны прямоугольника, устремив и к нулю. С учетом (9.9) получим:

 

    (9.10)

Учитывая то, что функция  непрерывна и дифференцируемая по каждому аргументу, выражение (9.10) примет вид:

 (9.11)

Плотностью вероятности (плотностью распределения или совместной плотностью) непрерывной двумерной случайной величины называется вторая смешанная частная производная ее функции распределения, т.е.

   (9.12)

Плотность распределения двумерной СВ обладает свойствами, аналогичными свойствам плотности вероятности одномерной СВ:

  1.  Плотность распределения двумерной случайной величины есть неотрицательная функция, т.е.

     (9.13)

Это свойство вытекает из того, что  – функция неубывающая по каждому аргументу.

  1.  Вероятность попадания непрерывной двумерной случайной величины в область равна

   (9.14)

По аналогии с одномерной СВ, для двумерной СВ введем понятие "элемент вероятности", равный . Он представляет (с точностью до бесконечно малых более высоких порядков) вероятность попадания случайной точки в элементарный прямоугольник со сторонами и . Тогда вероятность попадания двумерной СВ в область на плоскости геометрически изображается объемом цилиндрического тела, ограниченного сверху поверхностью распределения и опирающегося на область , а аналитически – двойным интегралом (9.14).

  1.  Функция распределения непрерывной двумерной случайной величины выражается через ее плотность вероятности по формуле:

   (9.15)

Функция распределения  есть вероятность попадания в бесконечный квадрант , который можно рассматривать как прямоугольник, ограниченный абсциссами и и ординатами и .

  1.  Двойной несобственный интеграл в бесконечных пределах от плотности вероятности двумерной СВ равен единице.

    (9.16)

Несобственный интеграл (9.16) есть вероятность попадания во всю плоскость , т.е. вероятность достоверного события, равная 1.

Зная плотность вероятности двумерной СВ можно найти функции распределения и плотности вероятностей ее одномерных составляющих и . Учитывая (9.6) и (9.15), получим:

  (9.17)

Дифференцируя функции распределения и по аргументам и соответственно, получим плотности вероятности одномерных СВ:

 (9.18)

т.е. несобственный интеграл в бесконечных пределах от совместной плотности двумерной случайной величины по аргументу дает плотность вероятности , а по аргументу – плотность вероятности .

ПРИМЕР 1:  Задано распределение вероятностей дискретной двумерной случайной величины:

Y

X

3

10

12

4

0.17

0.13

0.25

5

0.10

0.30

0.05

Требуется: a) найти законы распределения составляющих и ;
b) составить функцию распределения.

РЕШЕНИЕ: а) Сложив вероятности “по столбцам”, найдем закон распределения составляющей :

X

3

10

12

>12

P

0.27

0.43

0.3

F

0

0.27

0.7

1

Сложив вероятности "по строкам", аналогично найдем закон распределения составляющей :

Y

4

5

>5

P

0.55

0.45

F

0

0.55

1

b) Составим функцию распределения:

Y

X

3

10

12

>12

4

0

0

0

0

5

0

0.17

0.30

0.55

>5

0

0.27

0.7

1

ПРИМЕР 2:  (Задача Бюффона)

Иглу длиной бросают на плоскость, на которой на расстоянии друг от друга проведены параллельные линии. Определите вероятность пересечения иглой одной из линий, если .

РЕШЕНИЕ. Введем систему случайных величин , где расстояние от середины игла до ближайшей линии, а острый угол между иглой и линией (см. рис.). Очевидно, что распределено равномерно в интервале , а распределен равномерно в интервале . Учитывая, что СВ и независимые, получим при .

Пересечение иглой одной из линий происходит при заданном угле , если . Отсюда получим искомую вероятность:

    


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40080. Принципы построения радиорелейных (РРЛ) и спутниковых систем связи (ССС) 38.88 KB
  Цепочку радиорелейной линии составляют радиорелейные станции трех типов: оконечные радиорелейные станции ОРС промежуточные радиорелейные станции ПРС узловые радиорелейные станции УРС.1 Радиорелейная линия связи На оконечной радиорелейной станции начинается и заканчивается тракт передачи. Аппаратура ОРС осуществляет преобразование сигналов поступающих от разных источников информации телефонные сигналы от междугородней телефонной станции телевизионные сигналы от междугородней телевизионной аппаратной и т. Радиосигналы ОРС с помощью...
40081. РРЛ прямой видимости и тропосферные 14.75 KB
  3 признака РРсв: 1наличие ретрансляции радио сигналов 2использование диапазона УКВ 3наземная радио связь Для обеспечения РРсв строятся РРЛ. Принцип РРЛ связи заключается в последовательной передачи сообщений от одной к другой РР станции для обеспечения заданной дальности. РРЛ называют совокупность техн.
40082. Принципы построения локальных сетей (Ethernet) 14.93 KB
  Наиболее широко используемой технологией является технология Ethernet и специализированный стандарт IEEE 802.3 При работе сети Ethernet используется топология звезда в которой каждый узел устройство соединен по сети с другим узлом с помощью активного сетевого оборудования такого как коммутатор. Типы сетей Ethernet Fst Ethernet Fst Ethernet это сеть Ethernet предназначенная для передачи данных со скоростью 100 Мбит с.
40083. Стандарты цифровых и аналоговых систем подвижной связи 14.48 KB
  К аналоговым ССПС относятся следующие стандарты: MPS усовершенствованная мобильная ТЛФ служба диапазон 800 МГц – США Канада Центральная и Южная Америка Австралия; это наиболее распространенный стандарт в мире; используется в России в качестве регионального стандарта. TCS общедоступная система связи диапазон 900 МГц – Англия Италия Испания Австрия Ирландия; второй по распространенности среди аналоговых; NМT – 450 и N МT – 900 мобильный телефон северных стран –...
40084. Принципы построения наземных и спутниковых систем телевизионного и звукового вещания 73.77 KB
  От недостатков земных радиорелейных линий свободны спутниковые системы связи ССС. В основе построения спутниковой системы связи лежит идея размещения ретранслятора на космическом аппарате КА. Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции аппаратурой спутника сигнала от передающих наземных станций к приёмникам. Благодаря этому обстоятельству в настоящее время почти все спутники связи предназначенные для коммерческого использования находятся на геостационарной орбите.
40085. ССС: геостационарные, низкие и средневысотные орбиты - принципы построения и их параметры 18.08 KB
  В системах спутниковой связи ССС основными показателями определяющим размеры зоны обслуживания качество и энергетику радиолиний являются тип орбиты и ее характеристики. Системы использующие КА на GEO MEO и LEOорбитах Показатель Геостац средне низкие Высота орбиты км 36 000 500015 000 5002000 Количество КА в ОГ 3 812 4866 Зона покрытия одного КА угол радиовидимости 50 от поверхности Земли 34 2528 37 Время пребывания КА в зоне радиовидимости в сутки 24 ч 152 ч 1015 мин Задержка при передаче речи мс Региональная связь...
40086. Параметры первичных сигналов 26.89 KB
  Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный звукового вещания телевизионный телеграфный передачи данных. Основными параметрами телефонного сигнала являются: мощность телефонного сигнала PТЛФ. Согласно данным МСЭТ средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым измерительным уровнем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности 025 средняя мощность телефонного сигнала PСР равна 22 мкВт.
40087. Теорема Шеннона для оценки производительности канала связи 17.5 KB
  Зато снизу к этому пределу можно подойти сколь угодно близко обеспечивая соответствующим кодированием информации сколь угодно малую вероятность ошибки при любой зашумленности канала. пропускная способность канала означающая теоретическую верхнюю границу скорости передачи данных которые можно передать с данной средней мощностью сигнала через аналоговый канал связи подверженный аддитивному белому гауссовскому шуму мощности равна: где пропускная способность канала бит с; полоса пропускания канала Гц; полная мощность сигнала над...
40088. Протокол, интерфейс, стек протоколов. Модель ISO/OSI 54.29 KB
  Интерфейс определяет набор услуг которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. Международная Организация по Стандартам Interntionl Stndrds Orgniztion ISO разработала модель которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем дает им стандартные имена и указывает какую работу должен делать каждый уровень. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия. Каждый уровень поддерживает интерфейсы с выше и нижележащими уровнями.