




























































































Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Wartosc oczekiwana i wariancja zmiennej losowej . ... Zadanie 1.10. ... Zadanie 8.10. Dwuwymiarowa zmienna losowa (X, Y ) ma rozkład dany tabelk ˛a:.
Typologia: Egzaminy
1 / 156
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
Przemysław Spurek
Definicja 1.1. Permutacj ˛a bez powtórze´n zbioru zło˙zonego z n ró˙znych elementów nazywamy ka˙zdy n wyrazowy ci ˛ag utworzony ze wszystkich wyrazów zbioru. Wszystkich mo˙zliwych permutacji zbioru n-elementowego jest:
Pn = n!.
Definicja 1.2. Niech A oznacza zbiór zło˙zony z k ró˙znych elementów A = {a 1 , a 2 , ..., ak}. Permutacj ˛a n elementow ˛a z powtórzeniami, w której elementy a 1 , a 2 , ..., ak powtarzaj ˛a si˛e odpowiednio n 1 , n 2 ,... , nk razy, n 1 + n 2 +... + nk = n, jest ka˙zdy n-wyrazowy ci ˛ag, w którym elementy a 1 , a 2 ,... , ak powtarzaj ˛a si˛e podan ˛a liczb˛e razy. Liczba takich permutacji z powtórzeniami wynosi
P (^) nn 1 +n^2 +...+nk= (^) n n! 1!^ ·^ n 2!^ ·^...^ ·^ nk!
Definicja 1.3. Kombinacj ˛a k–elementow ˛a utworzon ˛a ze zbioru n–elementowego (k ≤ n) nazywamy dowolny k-elementowy podzbiór tego zbioru. W podzbiorach kolejno´s´c elementów nie jest wa˙zna. Liczba k–elementowych kombinacji zbioru n–elementowego wyra˙za si˛e wzorem:
Cnk =
(n k
= (^) k!(nn −! k)!.
Definicja 1.4. Kombinacj ˛a k-elementow ˛a z powtórzeniami utworzon ˛a z n-elementowego multizbioru (k ≤ n, n > 0 ) nazywamy ka˙zdy k-elementowy multizbiór. W podzbiorach kolejno´s´c elementów nie jest wa˙zna. Liczba k-elementowych kombinacji z powtórzeniami zbioru n-elementowego wyra˙za si˛e wzorem: C^ ¯nk =
(k + n − 1 k
= (k k^ !(+n^ n −^ − 1)!^ 1)!.
Definicja 1.5. Wariacj ˛a bez powtórze´n k-wyrazow ˛a zbioru n-elementowego A ( 1 ≤ k ≤ n) nazywa si˛e ka˙zdy k-wyrazowy ci ˛ag k ró˙znych elementów tego zbioru. Kolejno´s´c elementów ma znaczenie. Liczba wszystkich k-wyrazowych wariacji bez powtórze´n zbioru n-elementowego wyra˙za si˛e wzorem:
V (^) nk = (^) (n −n! k)! = n · (n − 1) · ... · (n − k + 1).
ω 1 2 3 4 P (ω) 15 13 151 156 Tablica 1.1. Rozkład prawdopodobie´nstwa dla rzutu czworo´scienn ˛a kostk ˛a.
Definicja 1.6. Wariacj ˛a z powtórzeniami k-wyrazow ˛a zbioru n-elementowego A nazywa si˛e k-wyrazowy ci ˛ag elementów tego zbioru (dowolny element mo˙ze wyst ˛api´c wielokrotnie w ci ˛agu). Kolejno´s´c elementów ma znaczenie. Liczba wszystkich k-wyrazowych wariacji z mo˙zliwymi powtórzeniami zbioru n-elementowego jest równa V kn = nk.
Zadanie 1.1. Rzucamy trzema identycznymi monetami. Oblicz prawdopodobie´nstwo zdarzenia, polegaj ˛acego na wyrzuceniu co najmniej dwóch orłów.
Zadanie 1.2. Z tali 52 kart losujemy 3 karty. Ile mo˙zliwych ci ˛agów kart mo˙zemy uzyska´c? Jakie jest prawdopodobie´nstwo, ˙ze wylosujemy w tym samym rozdaniu jako pierwsz ˛a kart˛e dam˛e pik, a jako drug ˛a jakikolwiek króla?
Zadanie 1.3. Z czterech kart: król pik, król karo, dama pik, dama karo losujemy dwie karty. Oblicz prawdopodobie´nstwo zdarzenia, polegaj ˛acego na wylosowaniu jako pierwszej karty jakiegokolwiek króla i jako drugiej karty jakiegokolwiek pika.
Zadanie 1.4. W pierwszym rz˛edzie w teatrze znajduje si˛e 10 ponumerowanych miejsc. Na ile sposobów, mo˙zemy posadzi´c w nim 10 ludzi?
Zadanie 1.5. Z czterech identycznych tali kart licz ˛acych po 24 karty losujemy po jednej karcie. Oblicz prawdopodobie´nstwo otrzymania czterech dziesi ˛atek.
Zadanie 1.6. W puli znajduj ˛a si˛e bile: 4 czarne, 2 niebieskie i jedna biała. Losujemy dwie bile (bez zwracania). Oblicz prawdopodobie´nstwo zdarzenia, polegaj ˛acego na wyci ˛agni˛eciu jednej bili białej i jednej czarnej.
Zadanie 1.7. Rozkład prawdopodobie´nstwa dla rzutu czworo´scienn ˛a kostk ˛a przedstawia Tabela 1.1: Oblicz prawdopodobie´nstwo zdarzenia losowego, polegaj ˛acego na wylosowaniu nieparzystej liczby oczek.
Zadanie 1.8. Niech P (A) = x, P (B) = 2x, a ponadto wiadomo, ˙ze jedno ze zdarze´n musi zaj´s´c. Wyznaczy´c x gdy A i B wykluczaj ˛a si˛e.
Zadanie 1.9. Wiedz ˛ac, ˙ze zdarzenia A i B nie maj ˛a cz˛e´sci wspólnej oraz:
P (A) =^25 , P (B) =^15.
Rozwi ˛azanie 1.1. Rzucamy trzema monetami, mo˙zemy rozpisa´c wszystkie mo˙zliwe wyniki, bo nie b˛edzie ich du˙zo:
Ω = {(O, O, O); (O, O, R); (O, R, O); (R, O, O); (R, R, R); (R, R, O); (R, O, R); (O, R, R); }
A = {(O, O, O); (O, O, R); (O, R, O); (R, O, O)}
Wi˛ec moc obu zbiorów wynosi |Ω| = 8 |A| = 4
Obliczamy prawdopodobie´nstwo
P (A) = ||AΩ|| =^48 =^12.
Rozwi ˛azanie 1.2. Oznaczmy: “Dp” - dam˛e Pik; “K” - dowolny król (jest ich 4 ); “J” - dowolna karta; J J J 52 · 51 · 50
Obliczmy moc Ω |Ω| = 52 · 51 · 50 = 132600
Obliczmy moc zbioru A Dp K J 1 · 4 · 50 |A| = 1 · 4 · 50 = 200
Obliczamy prawdopodobie´nstwo
P (A) = ||AΩ|| = 132600 200 = 6631.
Rozwi ˛azanie 1.3. Oznaczmy jako zdarzenie A - jako pierwsza kart˛e wylosowano jakiegokolwiek króla i jako drug ˛a kart˛e jakiegokolwiek pika. A = {(Kk, Kp), (Kk, Dp), (Kp, Kp)} |Ω| = 4 · 3 = 12
P (A) = ||AΩ|| = 12 3 =^14
Rozwi ˛azanie 1.4. 10 · 9 · ... · 1 = 10!
Rozwi ˛azanie 1.5. Zakładamy, ˙ze talia podana w zadaniu jest tali ˛a pokerow ˛a i zawiera po cztery karty 9, 10, J, Q, K, A. Prawdopodobie´nstwo wyci ˛agni˛ecia dziesi ˛atki z jednej talii (|A| = 4, gdy˙z w talii s ˛a cztery 10-tki, |Ω| = 24, gdy˙z losujemy tylko jedn ˛a z 24 kart):
P (A) = ||AΩ|| = 24 4 =^16
Prawdopodobie´nstwo sukcesu, czyli wyci ˛agni˛ecia cztery razy dziesi ˛atki z czterech talii: P (B) = P (A)^4 = (^16 )^4 = 12961 ≈ 0 , 077%
Rozwi ˛azanie 1.6. Oznaczmy przez A - wyci ˛agni˛eciu jednej bili białej i jednej czarnej.
|Ω| =
Prawdopodobie´nstwo zdarzenia:
P (A) = ||AΩ|| = 214
Rozwi ˛azanie 1.7. Wylosowanie nieparzystej liczby oczek dla kostki czworo´sciennej to wylosowanie jednego lub trzech oczek.
P (A∪B) =^15 + 15 1 = 154
Rozwi ˛azanie 1.8. Z zadania mamy, ˙ze P (A) = x, P (B) = 2x i P (A ∪ B) = 1. Wiemy te˙z, ˙ze zdarzenia A i B wykluczaj ˛a si˛e (P (A ∩ B) = ∅). Zatem
P (A ∪ B) = P (A) + P (B) − P (A ∩ B) 1 = x + 2x − 0 1 = 3x x = (^13)
Rozwi ˛azanie 1.9. a) Poniewa˙z zdarzenia A i B nie maj ˛a cz˛eci wspólnej to P (A∩B) = 0 b) P (A ∪ B) = P (A) + P (B) − P (A ∩ B) = 25 + 15 − 0 = (^35) c) P (A \ B) = P (A) − P (A ∩ B) = 25 − 0 = (^25)
Rozwi ˛azanie 1.13. Liter w słowie MATEMATYKA jest 10 , wi˛ec wszystkich mo˙zliwych ci ˛agów stworzonych z tych liter b˛edzie 10! Jednak litery: A, M, T powtarzaj ˛a si˛e. Dlatego liczba mo˙zliwych wyrazów uło˙zonych z tych liter wynosi
10! 2!2!3!
Rozwi ˛azanie 1.14. Rozwi ˛azanie: Rodzina przy stole musi siedzie´c w okreslonej kolejno´sci RDDDR (R-rodzic, D-dziecko). Mo˙zemy ich ustawi´c na 3! (na tyle sposobów dzieci) ∗2! (na tyle sposobów rodzice) = 12 sposobów. Nast˛epnie traktuj ˛ac rodzin˛e jako jeden element permutujemy j ˛a wraz z pozostałymi osobami siedz ˛acymi przy stole. Mo˙zemy to zrobi´c na 6! sposobów. Wszystkich sposobów rozsadzenia ludzi przy stole jest:
|A| = 2! · 3! · 6!
Uwaga. Je˙zeli stół jest okr ˛agły to mo˙zna podzieli´c wyniki przez ilo´s´c obrotów.
|A| = 2!^ ·^10 3!^ ·^ 6!.
Rozwi ˛azanie 1.15. Niech { 1 , 2 , 3 , ..., 29 , 30 }. Losujemy 10 ró˙znych liczb. Oznaczmy:
a) zdarzenie A = wszystkie wylosowane liczby s ˛a nieparzyste
b) zdarzenie B = dokładnie 3 liczby podzielne s ˛a przez 5,
c) zdarzenie C = wylosowano 5 liczb parzystych, 5 liczb nieparzystych, w tym dokładnie jedna liczba podzielna przez 10?
n = 30, k = 10
(n k
Obliczamy prawdopodobie´nstwa
P (A) = ||AΩ|| = 30045015 3003 = 100051.
Teoria prawdopodobie´nstwa zajmuje si˛e zdarzeniami pojawiaj ˛acymi si˛e przy wykonywaniu do´swiadczenie losowych, czyli takich, których wyniku nie da si˛e z góry przewidzie´c, a jednocze´snie daj ˛acych si˛e powtarza´c w tych samych warunkach. Impuls do rozwoju teorii prawdopodobie´nstwa dała analiza gier hazardowych (XVII wiek), a tak˙ze, w pó´zniejszych czasach, analiza zjawisk masowych. Przeanalizujmy kilka przykładów do´swiadcze´n losowych.
Przykład 2.1. Pojedynczy rzut moneta. Mo˙zliwe wyniki to orzeł lub reszka. Do´swiadczenie mo˙zna powtarza´c wielokrotnie w tych samych warunkach. Czego mo˙zna oczekiwa´c w wyniku wielokrotnego powtórzenia tego do´swiadczenia?
Przykład 2.2. Pojedynczy rzut kostka. Mo˙zliwe wyniki to elementy zbioru { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 }, ale poniewa˙z wyników jest wi˛ecej, mo˙zemy w naturalny sposób mówi´c o zdarzeniach, np.: wypada parzysta liczba oczek, wypada liczba oczek mniejsza ni˙z 4 itd. Ka˙zdemu takiemu zdarzeniu odpowiada podzbiór mo˙zliwych wyników. Zdarzeniom b˛edziemy przypisywał prawdopodobie´nstwo ich zaj´scia.
Przykład 2.3. Z talii 52 kart wybieramy losowo 5. Jaka jest szansa, ˙ze wszystkie wylosowane karty b˛ed˛e czerwone (kiery lub kara)? Wynikami s ˛a wszystkie 5–elementowe podzbiory zbioru 52–elementowego. Interesuj ˛ace nas zdarzenie składa si˛e ze wszystkich 5–elementowych podzbiorów kart czerwonych, czyli szansa zaj˛ecia zdarzenia wynosi ( 26 5
5
Przykład 2.4. Rzucamy symetryczn ˛a monet ˛a do chwili pojawienia si˛e orła. Ile jest mo˙zliwych wyników? Czy jest ich przeliczalnie wiele? Jak przypisa´c im prawdopodobie´nstwa?
Podstawowe oznaczenia. Zbiór zawieraj ˛acy wszystkie mo˙zliwe wyniki do´swiadczenia nazywamy zbiorem zdarze´n elementarnych i oznaczamy przez Ω.
Definicja 2.1. Niech Ω b˛edzie dowolnym zbiorem, zwanym przestrzeni ˛a zdarze´n elementarnych. Elementy ω tej przestrzeni nazywamy zdarzeniami elementarnymi.
Zauwa˙zmy, ˙ze jest pewna dowolno´s´c w wyborze. Moneta z Przykładu 1. mo˙ze np. upa´s´c kantem - czy uwzgl˛edniamy taka sytuacje? Kolejno´s´c kart z Przykładu
minimalne, rozs ˛adne wymagania co do klasy zdarze´n F, którym b˛edziemy przypisywa´c prawdopodobie´nstwo: — je˙zeli rozwa˙zamy zdarzenie A ⊂ Ω, to automatycznie dopuszczamy mo˙zliwo´s´c, ˙ze A nie zajdzie. To jest zdarzenie A′^ = Ω \ A; — w Przykładzie 4. mamy niesko´nczon ˛a alternatyw˛e zdarze´n, czemu odpowiada branie niesko´nczonej sumy zbiorów; — rozpatrywany model powinien zawiera´c co najmniej jedno zdarzenie. σ-ciało podzbiorów Ω. Zdarzeniami nazywa´c b˛edziemy wył ˛acznie podzbiory nale˙z ˛ace do F. Przełó˙zmy powy˙zsze wymagania na formalne własno´sci matematyczne zbioru F:
Definicja 2.2. Rodzin˛e zdarze´n F spełniaj ˛ac ˛a warunki (S1-S3) nazywamy σ–ciałem (podzbiorów zbioru Ω).
Prawdopodobie ´nstwo. Aksjomaty Kołmogorowa. Mo˙zemy teraz zdefiniowa´c miar˛e probabilistyczn ˛a na wprowadzonym σ-ciele.
Definicja 2.3. Prawdopodobie´nstwem nazywamy dowolna funkcj˛e P : F → R o warto´sciach rzeczywistych, okre´slon ˛a na σ–ciele zdarze´n F ⊂ 2 Ω, spełniaj ˛ac ˛a warunki:
i=
Ai
i=
P (Ai).
Warunek (B1) stwierdza, ˙ze prawdopodobie´nstwo ka˙zdego zdarzenia jest nieujemne. (B2) wzi˛eło si˛e stad, ˙ze prawdopodobie´nstwo zdarzenia pewnego wynosi 1. (B3) mówi, ze dla zdarze´˙ n wykluczaj ˛acych si˛e prawdopodobie´nstwo ich sumy równe jest sumie prawdopodobie´nstw tych zdarze´n. Ten warunek nazywa si˛e przeliczaln ˛a addytywno´sci ˛a prawdopodobie´nstwa. Powy˙zsze warunki sformułował po raz pierwszy w 1933 roku Andriej Nikołajewicz Kołmogorow jako aksjomaty teorii prawdopodobie´nstwa. Do´swiadczenie losowe. Matematyczny model do´swiadczenia losowego to trójka
(Ω, F, P ),
Twierdzenie 2.1 (Wzór na prawdopodobie´nstwo całkowite). Je˙zeli {H 1 , H 2 ,... , Hn} jest rozbiciem Ω na zdarzenia o dodatnich prawdopodobie´nstwach, to dla dowolnego zdarzenia A
P (A) =
∑^ n i=
P (A|Hi)P (Hi).
Zadanie 2.2. Kto´s rzucił 3 razy monet ˛a i poinformował nas, ˙ze wypadła nieparzysta liczba orłów (zdarzenie B). Jaka jest szansa, ˙ze wypadły 3 orły (zdarzenie A).
Zadanie 2.3. Losujemy jedn ˛a rodzin˛e spo´sród rodzin z dwojgiem dzieci. Obliczy´c prawdopodobie´nstwo zdarzenia, ˙ze wybierzemy rodzin˛e z dwoma chłopcami, je´sli wiemy, ˙ze w tej rodzinie:
Zadanie 2.4. Firma produkuje 98 % wyrobów odpowiadaj ˛acych normie. W´sród wyrobów spełniaj ˛acych norm˛e jest 75 % wyrobów pierwszego gatunku. Obliczy´c prawdopodobie´nstwo, ˙ze losowo wybrany wyrób jest pierwszego gatunku.
Zadanie 2.5. Z urny zawieraj ˛acej 10 kul białych i 20 czarnych wyci ˛agamy kolejno bez zwracania 3 kule. Jakie jest prawdopodobie´nstwo wyci ˛agni˛ecia 3 kul białych.
Zadanie 2.6. Pierwsza urna zawiera 4 białe i jedn ˛a czarn ˛a kule, druga – 2 białe i 3 czarne. Losujemy urn˛e tak, by szansa wybrania pierwszej urny była dwukrotnie mniejsza ni˙z drugiej. Nast˛epnie z wybranej urny losujemy kul˛e. Jakie jest prawdopodobie´nstwo wylosowania kuli białej.
Zadanie 2.7. Mamy w urnie b kul białych i c czarnych. Wyci ˛agamy jedn ˛a kul˛e i natychmiast j ˛a wyrzucamy, nie sprawdzaj ˛ac koloru. Jaka jest szansa wyci ˛agni˛ecia za drugim razem kuli białej.
Twierdzenie 2.2 (Wzór Bayesa). Je˙zeli {Hi}i∈I jest przeliczalnym rozbiciem Ω na zdarzenia o dodatnich prawdopodobie´nstwach oraz P (A) > 0 , to dla dowolnego j ∈ I mamy P (Hj |A) = ∑P^ (A|Hj^ )P^ (Hj^ ) i∈I P^ (A|Hi)P^ (Hi)
Uwaga 2.1. Prawdopodobie´nstwo hipotetyczne P (Hi) nazywamy prawdopodobie´nstwem a priori (przed do´swiadczeniem), P (Hi|A) prawdopodobie´nstwem a posteriori (po do´swiadczeniu).
Zadanie 2.8. W do´swiadczeniu z Zad. 2.7 oblicz prawdopodobie´nstwo, ˙ze kula z pierwszego losowania jest biała, gdy biała jest kula z drugiego losowania.
Zadanie 2.9. W sytuacji z Zad. 2.6 oblicz prawdopodobie´nstwo, ˙ze losowano z drugiej urny gdy wynikiem losowania jest kula biała.
Zadanie 2.10. W firmie IT 20% wytwarzanych modułów przechodzi specjalny proces inspekcji. Z danych historycznych wiadomo, ˙ze ka˙zdy moduł poddany inspekcji nie ma defektów z prawdopodobie´nstwem 0.95. Dla modułu nie poddanego procesowi inspekcji prawdopodobie´nstwo to wynosi jedynie 0.7. Klient znajduje defekt w module. Jakie jest prawdopodobie´nstwo, ˙ze moduł ten przeszedł przez proces inspekcji?
Stad mamy, ze:
P (B) ≥ P (A)
Podpunkt 5
Na mocy poprzedniej własno´sci mamy
P (B) − P (A) = P (B \ A) ≥ 0.
Nierówno´s´c wynika z aksjomatu 1.
Podpunkt 6
Zauwa˙zmy, ˙ze
A ∪ B = [A \ (A ∩ B)] ∪ (A ∪ B) ∪ [B \ (A ∩ B)]
oraz powy˙zsze zdarzenia s ˛a rozł ˛aczne. Mamy wi˛ec
P (A ∪ B) = P (A) − P (A ∩ B) + P (A ∪ B) + P (B) − P (A ∩ B). Wynika równie˙z mo˙zna odczyta´c z poni˙zszego diagramu.
A B
Rozwi ˛azanie 2.2.
Ω = {(o, o, o), (o, o, r), (o, r, o), (o, r, r), (r, o, o), (r, o, r), (r, r, o), (r, r, r)}
Prawdopodobie´nstwo wylosowania trzech orłów pod rz ˛ad:
P (A) =^18
Prawdopodobie´nstwo wylosowania nieparzystej ilo´sci orłów:
P (B) =^48
Prawdopodobie´nstwo warunkowe zdarzenia A pod warunkiem zdarzenia B
P (A|B) = P^ P(A (^ ∩B^ )B )= P^ ({(r, r, r P ({()} ∩ {o, o, r()o, o, r, (o, r, o),^ ()o, r, o, (r, o, o),^ ()r, o, o, (r, r, r),^ ()r, r, r}) )})=
(^18) 48 =
Rozwi ˛azanie 2.3. Oznaczmy przez: C - Chłopiec D - Dziewczynka Omega wynosi: Ω = {(C, D), (C, C), (D, D), (D, C))}
a) wybierzemy rodzin˛e z dwoma chłopcami pod warunkiem, ˙ze starsze dziecko jest chłopcem. A = {(C, C)} - rodzina z dwoma chłopcami. B = {(D,C), (C,C)} - starsze dziecko jest chłopcem. A ∩ B = {(C, C)}
P (B) = (^12) P (A ∩ B) = (^14)
P (A|B) = P^ ( PA (^ B∩^ )B )=
(^14) 12 =
b) wybierzemy rodzin˛e z dwoma chłopcami pod warunkiem, ˙ze jest co najmniej jeden chłopiec. A = {(C,C)} - rodzina z dwoma chłopcami. B = {(C,D), (C,C), (D,C)} - co najmniej jeden chłopiec. A ∩ B = {(C, C)}
P (B) = (^34) P (A ∩ B) = (^14)
P (A|B) = P^ ( PA (^ B∩^ )B )=
(^14) 34 =