background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

1

PiS15 W03: Zmienne losowe II 

1.

 

Charakterystyki liczbowe zm. l.  

2.

 

Charakterystyki położenia  

Przykład 1  

3.

 

Charakterystyki rozrzutu  

4.

 

Momenty zmiennej losowej  

Przykład 2 

5.

 

Charakterystyki współzależności liniowej 

Przykład 3,  
Przykład 4 

6.

 

Standaryzacja zmiennej losowej  

7.

 

Rozkład Bernoulliego i jego własności 

8.

 

Rozkład równomierny i jego własności  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

3

1. Charakterystyki liczbowe zm. l. 

Niech

 

na 

(Ω, ℱ, ℙ) określone będą zm. l.  , … ,  o war-

tościach rzeczywistych.

 

Charakterystykami liczbowymi

 zm. l. 

(lub ich rozkładów prawd.) nazywamy liczby charakteryzują-
ce  zbiór  wartości,  jakie  mogą  one  przyjmować,  np.  pod 
względem  wartości  najbardziej  prawd.,  rozrzutu  wokół  pew-
nej wartości, kształtu wykresu funkcji prawd. lub krzywej gę-
stości,  a  w  przypadku  kilku  zm.  l.  współzależności  między 
nimi.  

Charakterystyka  liczbowa  służy  do  syntetycznego  opisu 

wartości zm. l. Za pomocą kilku liczb można uzyskać w pro-
sty  sposób  dostatecznie  dobre  informacje  o  rozkładzie  zm.  l. 
lub zależnościach pomiędzy zm. l.  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

2

9.

 

Proces Bernoulliego  

10.

 

Rozkład dwumianowy i jego własności 

11.

 

Rozkład jednostajny i jego własności  

12.

 

Rozkład normalny i jego własności  

Przykład 6  
Przykład 7 
Przykład 8  

13.

 

Przykładowe projektowanie badań 

Przykład projektu zaliczeniowego na laboratorium cz. 1 

 
 
 

 
 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

4

2. Charakterystyki położenia  

Charakterystykę liczbową 

ℎ( ) zm. l.   nazywamy 

cha-

rakterystyką położenia

, jeśli dodanie do zm. l. dowolnej stałej 

zmienia wartość tej charakterystyki o tę stałą, tj.  

ℎ( + ) = ℎ( ) +  

Podstawowe charakterystyki położenia wartości zm. l.:  

a)

 

wartość oczekiwana

 (expected valuemean),  

b)

 

wartość modalna

 (mode),  

c)

 

kwantyle 

(quantile).  

 

 

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

5

Wartością oczekiwaną

 (wartością średnią, ang. expected va-

luemean) zm. l. X nazywamy liczbę 

=

, gdzie   jest 

operatorem wartości oczekiwanej, przy czym   

a)

 

dla zm. l. typu dyskretnego  

= ∑

  

b)

 

dla zm. l. typu ciągłego  

=

( )   

przy  założeniu,  że  występujący  szereg  i  całka  są  bezwzględ-
nie zbieżne. W przeciwnym przypadku powiemy, że zm. l. nie 
ma wartości oczekiwanej.  

Mianem wartości oczekiwanej jest miano zm. l.  .  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

7

Zm.  l.    i  ,  które  spełniają  warunek  z  tezy  własności  5 

nazywamy 

nieskorelowanymi zm. l.

  

 

Jeżeli zm. l. X ma wartość oczekiwaną m, to zm. l.  

= −  

 

nazywamy zm. l. scentrowaną

.  

 

Przykład  1.  Niech    będzie  liczbą  punktów  stałych  w  loso-
wej permutacji zbioru 

{!, ", }.  

a) Wyznaczyć wartość oczekiwaną zm. l.  .  
b) Uogólnić wynik na zbiór 

$ elementowy.  

Rozwiązanie.

  Doświadczenie  jest  tu  określone  poprzez  per-

mutację zbioru 

{!, ", }, stąd zbiór wyników  

Ω = {!" , ! ", "! , " !, !", "!}.  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

6

Własności wartości oczekiwanej  

Niech

 

na 

(Ω, ℱ, ℙ)

 

dane  będą  dwie  zm.  l.    i    dla  których 

istnieją 

,  oraz niech stała ! ∈ ℝ, wówczas  

 

1.

 

! = !;  

2.

 

(! ) = ! ;  

3.

 

( + !) =

+ !; 

4.

 

( + ) =

+

;  

własność 4 ma uogólnienie na sumę skończonej ilości zm. l. 
Z  własności 2, 3 i 4 wynika, że operator   jest liniowy.  

5.

 

Ponadto, jeżeli zm. l. X i są niezależne, to 

)( −

)( − )* = 0 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

8

Prawd. poszczególnych wyników oraz liczby punktów stałych 
podane są w tablicy 1.1. 

Ω 

 

 

a b c 
a c b 
b a c 
b c a 
c a b 
c b a  

   3  
   1 
   1 
   0 
   0 
   1 

1/6 
1/6 
1/6 
1/6 
1/6 
1/6 

Tablica 1.1. Liczby punktów stałych.  

Stąd wartość oczekiwana  

= 3 -

1

60 + 1 -

1

60 + 1 -

1

60 + 0 -

1

60 + 0 -

1

60 + 1 -

1

60 = 1

 

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

9

b)  Wyznaczymy  oczekiwaną  liczbę  punktów  stałych  w  loso-
wej  permutacji  zbioru 

1 = {1, 2, … , $}.  Dla  każdego  3 ∈ 1, 

niech 

(ω) równa się 1, jeśli losowa permutacja 

ω

 ma punkt 

stały na i-tym miejscu, i 0 w p. p, stąd dla każdego i,  

=  . 

Niech oznacza liczbę punktów stałych w permutacji 

ω

  

(ω) = (ω) +

5

(ω) + ⋯ + (ω).  

Stąd z własności liniowości dla n zm. l.  

=

+

5

+ ⋯ +

,  

czyli 

= 1. 

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

11 

Wariancją 

(variance)

 

zm. l.   nazywamy wartość oczeki-

waną kwadratu scentrowanej zm. l., tj. liczbę 

7

5

 określoną 

wzorem:  

7

5

= ( −

)

5

 

przy czym, jeżeli zm. l. jest:   

a)

 

typu dyskretnego, to  

7

5

= ∑ ( −

)

5

( ),   

b)

 

typu ciągłego, to  

7

5

=

( −

)

5

( )   

Wariancja  zm.  l.  istnieje,  gdy  szereg  (całka)  występujący 
w definicji wariancji jest zbieżny.  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

10 

3. Charakterystyki rozrzutu  

Charakterystykę  liczbową  zm.  l.  nazywamy 

charaktery-

styką  rozrzutu

,  jeśli  dodanie  do  zm.  l.  dowolnej  stałej  nie 

zmienia  wartości  tej  charakterystyki.  Charakterystykami  roz-
rzutu wartości zm. l. są: 

a) 

wariancja

 (ang. variance),  

b) 

odchylenie standardowe

 (ang. standard deviation),  

c) 

odchylenie ćwiartkowe

.  

Względną  charakterystyką  rozrzutu  jest 

współczynnik 

zmienności

 (ang. coefficient of variation).  

Niech   będzie zm. l. określoną na 

(Ω, ℱ, ℙ) i ma wartość 

oczekiwaną 

=

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

12 

Wartość wariancji zm. l.   oznaczamy 

σ

5

. Mianem wariancji 

jest kwadrat miana badanej zm. l.  

Własności wariancji. Niech na 

(Ω, ℱ, ℙ) dane będą zm. l.   

i   o skończonych wariancjach oraz 

! ∈ ℝ.  wówczas  

a)

 

7

5

! = 0 

 wariancja stałej jest równa zero,  

b)

 

7

5

≥ 0 – nieujemność wariancji, 

c)

 

7

5

( + !) = 7

5

 

 niezmienniczość na przesunięcie,  

d)

 

7

5

(! ) = !

5

7

5

 dla 

! ≠ 0; 

e)

 

7

5

( ± ) = 7

5

+ 7

5

, gdy są nieskorelowane. 

Odchyleniem  standardowym

  lub  dyspersją  zm.  l.  X  nazywa-

my dodatni pierwiastek z wariancji, tj. liczbę 

σ = 7 .  

Mianem dyspersji jest miano badanej zmiennej. 

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

13 

4. Momenty zmiennej losowej 

Niech na 

(Ω, ℱ, ℙ) dana będzie zm. l. oraz  ∈ ℝ, < ∈ ℕ. 

 

Charakterystykę liczbową 

( − )

>

 (o ile istnieje) nazy-

wamy momentem k-tego rzędu zm. l. X względem stałej c.  

Szczególną rolę odgrywają momenty dla 

= 0 i  =

.  

Jeżeli 

= 0, to momenty nazywają się momentami zwy-

kłymi i oznaczamy je 

>

, tj.   

>

( ) =

>

 

Jeżeli 

=

, to momenty nazywają się momentami cen-

tralnymi i oznaczamy je przez 

?

>

, tj. 

?

>

( ) = ( −

)

>

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

15 

Przykład  2.  Losujemy  liczbę  z  przedziału 

(!, "), gdzie ! <

".  Niech  X  oznacza  wylosowaną  liczbę.  Wyznaczyć  dwa 
pierwsze momenty zwykłe oraz wariancję zm. l. X.   

Rozwiązanie. 

a) Rozkład zm. X określa gęstość 

( ) = A1/(" − !),

gdy  ∈ (!, "),

0,

F p. p. ,

 

więc momenty wyznaczamy przez całkowanie  

=

H I

H

I

=

IJH

5

5

=

H I

5

H

I

=

H

K

I

K

L(H I)

=

I

M

JIHJH

M

L

,  

stąd 

7

5

=

I

M

JIHJH

M

L

− N

IJH

5

O

5

=

(H I)

M

5

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

14 

Z istnienia momentów wyższych rzędów wynika istnienie 

momentów niższych rzędów.  

Wartość  oczekiwana  jest  momentem  zwykłym  rzędu 

pierwszego.  

Wariancja jest momentem centralnym rzędu drugiego.  

Związek między wariancją a momentami zwykłymi  

Jeżeli istnieje wariancja 

7

5

 zm. l. X, to  

7

5

=

5

5

 

Niech na 

(Ω, P, ℙ) dana będzie para zm. l. Y.  

Momentem zwyczajnym rzędu (

< + Q) pary ( , ) nazywa-

my charakterystykę liczbową 

>R

 określoną wzorem:  

>R

( , ) = (

> R

). 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

16 

5. Charakterystyki współzależności liniowej  

Jeżeli  rozważamy  kilka  zm.  l.  określonych  na  tej  samej 

przestrzeni 

(Ω, ℱ, ℙ), to możemy badać je nie tylko z osobna, 

ale  również  łącznie,  na  przykład  w  celu  wyznaczenia  współ-
zależności pomiędzy nimi. 

Podstawowymi charakterystykami określającymi współza-

leżność liniową pomiędzy parami zm. l.-ych są: 

a)

 

kowariancja (covariance), 

b)

 

współczynnik korelacji (

correlation coefficient

)  

Niech na 

(Ω, ℱ, ℙ) dane będą dwie zm. l. Y.  

Kowariancją zm. l. X i Y dla których 

| | < ∞, (tj. istnieje 

moment mieszany), nazywamy liczbę  

UV( , ) = (( −

)( − )) 

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

17 

Mianem kowariancji jest iloczyn mian zmiennych Y.  

Własności kowariancji:   

1.

 

UV( , ) = UV( , ) – przemienność kowariancji,  

2.

 

UV( , ) = 7

5

,   

3.

 

UV( , ) = ( ) −

,  

4.

 

| UV( , )| ≤ 7  7  – nierówność Schwarza.  

5.

 

7

5

( ± ) = 7

5

+ 7

5

± 2 UV( , ), 

 

Z  własności  3)  wynika,  że  dla  każdej  pary  niezależnych 

zm. l. X i Y 

UV( , ) = 0.  

Odwrotne stwierdzenie jest fałszywe. Ilustruje to przykład.  

Przykład  3.  Obliczyć  kowariancję  oraz  zbadać  niezależność 
zm. l. brzegowych dla wektora l. (XY) o łącznym rozkładzie:  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

19 

Niech na 

(Ω, ℱ, ℙ) dana będzie para zm. l.   i  .  

Współczynnikiem korelacji

 zm. l.   i   nazywamy charak-

terystykę liczbową 

UYY( , ) określoną wzorem:  

UYY( , ) =

UV( , )

7 ∙ 7

 

Wartości  współczynnika  korelacji  oznaczamy 

Z

[

.  Współ-

czynnik  korelacji  jest  wielkością  bez  miana  i  nie  zależy  od 
przyjętej skali oraz od położenia początku układu współrzęd-
nych, w którym są rejestrowane zmienne.  

Własności współczynnika korelacji.  

a)

 

−1 ≤ ρ

[

≤ 1, przy czym Z

[

= 1, wtedy i tylko wtedy, 

gdy 

= ! + " z prawd. 1. 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

18 

  

0,2 

0,2 

0,2 

10 

0,2 

0,2 

Rozwiązanie.

 Po wykonaniu obliczeń mamy:  

= 8, 

= 2,  ( ) = 16, zatem  UV( , ) = 0, 

więc zm. l. X i są 

nieskorelowane

, ale nie są niezależne, bo  

P( = 6, = 1) = 0,2 ≠ P( = 6)P( = 1) = 0,16  

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

20 

b)

 

dla dowolnych stałych 

!, ", ,   

UV(! + ",

+ ) = !   UV( , ) 

Zatem, jeśli stałe a i są tego samego znaku, to współczynnik 
korelacji zm. l. 

! + " i  +  jest taki sam, jak zm. l.   i  . 

Oznacza to, że współczynnik korelacji nie zależy od przyjętej 
skali  oraz  od  położenia  początku  układu  współrzędnych, 
w którym są rejestrowane zm.   i  .  

 
Przykład 4. W produkcji pewnego zakładu braki ze względu 
na  własności  mechaniczne  produktu  stanowią  3%,  a  braki  ze 
względu  na  własności  elektryczne  tego  produktu  4,5%.  Pro-
dukcja  dobra  stanowi  95%  całej  produkcji.  Wyznaczyć 
współczynnik korelacji między brakami obu typów.

 

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

21 

Wskazówka.  Wprowadzamy  dwie  dychotomiczne  zm.  l.   
i  . Jeśli wyrób 

ω

 jest brakiem ze względu na własności me-

chaniczne,  to  przyjmujemy,  że 

(ω) = 1,  w  przeciwnym 

przypadku 

(ω) = 0. Podobnie,  (ω) = 1, gdy wyrób 

ω

 jest 

brakiem ze względu na własności elektryczne oraz 

(ω) = 0, 

w przeciwnym przypadku. Dane uzupełniamy tak, aby otrzy-
mać rozkład łączny i rozkłady brzegowe. 

  

 

0,95 

 

 

 

 

0,03 

[

 

 

0,045 

 

Na koniec obliczamy odpowiednie momenty.  

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

23 

Własności.

  Niech  Z  będzie  standaryzowaną  zm.  l.  dla  zm.  l. 

, wówczas  

a)

 

1 = 0,  

b)

 

7

5

1 = 1,  

c)

 

` ( ) = `

a

N

7

O.  

Dowody. Własności wynikają z przekształceń:  

1 = N

7

O =

7

( −

) = 0, 

7

5

1 = 7

5

N

7

O =

7

M

7

5

( −

) = 1.  

` ( ) = P( ≤ ) = P -1 ≤

7

0 ≝ `

a

-

7

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

22 

6. Standaryzacja zmiennej losowej  

Standaryzacją

 zm. l.   o skończonej wartości oczekiwanej 

 i wariancji 

7

5

> 0 nazywamy przekształcenie  

ℎ( ) =

7

 

Zm. l. 

1 = ℎ( ) nazywamy 

standaryzowaną zm. l.

 (

the

 

stan-

dardized r. v.

 

Standaryzacja  zm.  l.  może  być  uogólniona  na  tak  zwaną 

zm.  l.  zredukowaną

”,  która  jest  określana  za  pomocą  innej 

charakterystyki położenia i/lub innej charakterystyki rozrzutu. 

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

24 

7. Rozkład Bernoulliego i jego własności 

Rozkładem  Bernoulliego 

(

Bernoulli  distribution

)  (zwa-

nym  w  polskiej  literaturze  rozkładem  zero-jedynkowym)  na-
zywamy rozkład zm. l.   dla której 

(Ω) = {0, 1}. Wartość 1 

przyjmuje z prawd. p, a 0 z prawd. 

d = 1 − , czyli  

e

( ) = A

,  dla  = 1,

1 − ,  dla  = 0.

 

Rozkład ten oznaczamy 

h( ). Zapis  ~h( ) oznacza, że 

zm. l. X ma rozkład Bernoulliego z parametrem   

( ∈ (0, 1)) 

Momenty  zwykłe: 

>

= 1

>

+ 0

>

(1 − ) = ,  dla  k 

=

  1, 

2,… , stąd 

= , 

5

= , 7

5

= (1 − ).  

Rozkład ten jest stosowany w kontroli jakości wyrobów.  

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

25 

8. Rozkład równomierny i jego własności  

Zm.  l.  X  typu  dyskretnego  ma 

rozkład  równomierny

 

(

discrete  uniform  distribution

)  na  zbiorze 

(Ω) = j, gdzie 

j = { ,

5

, … , },  co  oznaczamy  ~k(j),  jeżeli  każdą 

z  wartości 

>

∈ j przyjmuje z tym samym prawd., tj.  

l

(

>

|j) = P( =

>

) =    

Rozkład  równomierny  jest  modelem  losowania  liczby 

w totalizatorze  sportowym,  wyniku  rzutu  idealną  kostką,  lo-
sowania numeru produktu z ponumerowanej ich partii, itp.  

Własności. Jeżeli

 

~k(j), to 

=

m

7

5

=

m

M

− ( )

5

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

27 

10. Rozkład dwumianowy i jego własności  

Zm.  l.  X  typu  dyskretnego  ma 

rozkład  dwumianowy 

(

binomial  distribution

)  na  zbiorze 

(Ω) = {0, 1, … , $} z pa-

rametrami 

$  i    ($ ∈ ℕ, 

∈ (0, 1),  co  zapisujemy 

~"3$($, ), jeżeli jej funkcja prawd. 

H

  wyraża  się  wzo-

rem:   

H

( |$, ) = N$O (1 − )   Q!  ∈ {0, 1, … , $} 

Zm. l. X o rozkładzie 

"3$($, ) zlicza liczbę sukcesów (je-

dynek), w ciągu n niezależnych doświadczeń, których mode-
lem jest proces Bernoulliego.  

   Ciąg niezależnych zm. l. o tym samym rozkładzie nazywa-
my prostą próbą losową i ozn. SRS (simple random sample). 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

26 

9. Proces Bernoulliego  

Procesem  Bernoulliego

1

  (

Bernoulli  process

)  nazywamy 

skończony  lub  nieskończony  ciąg 

,

5

, …  identycznych 

i  niezależnych zm. l. o rozkładzie Bernoulliego, tj. przyjmu-
jących  dwie  wartości:  1  z  prawd.  p  zwanym  sukcesem  i  0 
z prawd. 

d

1

 zwanym porażką.  

Z  procesem  Bernoulliego  związane  są  rozkłady: 

Bernoul-

liego

dwumianowy

 i 

Pascala

.  

                                                           
1

 Jakub Bernoulli (1654-1705)  

   Matematyk szwajcarski, jeden z licznej rodziny Bernoullich, autor Ars conjectandi, pierw-

szego dzieła poświęconego rachunkowi prawdopodobieństwa.   

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

28 

 

 

Rys. 1. Łamane funkcji prawd. rozkładów dwumianowych 

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

29 

Własności rozkładu dwumianowego:  

1.

 

Jeżeli 

~h( ) dla i 

=

 0, 1, 2,…, jest ciągiem nieza-

leżnych  zm.  l.  o  tym  samym  rozkładzie  Bernoulliego,  to 
ich suma  

 

n =

+

5

+ ⋯ +   

ma rozkład dwumianowy 

n ~"3$($

, ).  

2.

 

Jeżeli 

~"3$($, ), to 

= $ , 7

5

= $ (1 − ),  

U( ) = A

o($ + 1) p,

Q! ($ + 1) ∉ ℕ

r

($ + 1) , ($ + 1) − 1, Q! ($ + 1) ∈ ℕ

r

 

gdzie symbol 

o p oznacza część całkowitą z liczby x

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

31 

12. Rozkład normalny i jego własności  

Zm.  l.  X  typu  ciągłego  ma 

rozkład  normalny

  (normal  di-

stribution) z parametrami 

 i 

σ, ( ∈ ℝ, σ > 0), co zapisu-

jemy 

~s( , σ), jeśli jej gęstość 

s

 wyraża się wzorem: 

t

( | , σ) =

u√5w

exp N−

( z)

M

5u

M

O , ∈ ℝ  

Gęstość  rozkładu  normalnego  zaproponował 

Gauss

2

,  jako 

model rozkładu częstości błędów pomiarowych.  

                                                           
2

 Carl Friedrich Gauss (1777-1855) 

  matematyk  niemiecki.  Jeden  z  najwybitniejszych  matematyków  wszystkich 

czasów, zwany przez współczesnych książę matematyków. Profesor uniwersytetu w Getyndze.  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

30 

11. Rozkład jednostajny i jego własności  

Zm.  l.    typu  ciągłego  ma 

rozkład  jednostajny 

(

uniform 

distribution

) na przedziale 

(!, "), −∞ < ! < " < +∞, co za-

pisujemy 

~k(!, "), gdy jej dystrybuanta dana jest wzorem:  

CDF: `

l

( |!

, ") = •

0 dla  < !,

− !

" − !

dla ! ≤

< "

,

1 dla  ≥ ".

 

Własności. 

Jeżeli 

~k(!

, "), to  

>

=

H

mۥ

I

mۥ

(H I)(>J )

stąd 

=

IJH

5

7

5

=

(H I)

M

5

.  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

32 

Na jego cześć krzywe gęstości rozkładów normalnych na-

zywamy 

krzywymi Gaussa.

  

 

Rys. 3 Krzywe Gaussa.  

Gęstość  osiąga  maksimum  w  punkcie 

= ,  natomiast 

dla 

= ; σ ma punkty przegięcia.  

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

33 

Własności: Jeżeli 

~s( , σ), to 

= , 7

5

= σ

5

.  

 

Rys. 4. Wykresy dystrybuant rozkładów normalnych 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

35 

Standaryzowany rozkład normalny  

Jeśli 

~s( , ‚) i zm. l. X poddamy standaryzacji Z, to 

1~s(0, 1). Rozkład s(0, 1) nazywamy 

standardowym roz-

kładem normalnym

. Dystrybuanta stand. rozkładu normalne-

go jest oznaczana przez 

Φ

 i ma postać  

Φ(„) =

√5w

exp N−

M

5

O

, „ ∈ ℝ. 

Z symetrii gęstości stand. rozkładu normalnego względem osi 
Oy wynika zależność:   

Φ(−z) = 1 − Φ(z). 

Wartości funkcji 

Φ są stablicowane. Dla  ~s( , ‚) ko-

rzystamy z tej tablicy po jej standaryzacji.  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

34 

Przykład  6.  Wytrzymałość  lin  stalowych  (wyrażona 
w   [MPa]),  pochodzących  z  masowej  produkcji,  jest  zm.  l.  X 
o  gęstości danej wzorem:   

s

( | , σ) =

‡√5w

exp N−

(

rr)

M

ˆr

O , ∈ ℝ.  

Ile wynoszą średnia i wariancja wytrzymałości lin.  

Odp.: 

= 100[MPa], 7

5

= 25[MPa]

2

.  

Zastosowanie rozkładu normalnego  

Rozkład  normalny  jest  najważniejszym  i  najczęściej  sto-

sowanym  rozkładem  w  MP  i  SM  oraz  najczęściej  stosowa-
nym  rozkładem  w  zastosowaniach  inżynierskich  i  ekono-
micznych.  
 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

36 

Przykład  7.  Wytrzymałość  W  (w  [MPa])  lin  stalowych,  po-
chodzących z pewnej partii, ma rozkład jak w przykładzie 6. 
Obliczyć prawd. zdarzenia, że losowo wybrana lina z tej partii 
będzie miała wytrzymałość większą niż 105 [MPa],  

Rozwiązanie.

 Z praw wielkich liczb możemy przyjąć, że czę-

stość  przyjmowania  wartości  z  przedziału  (

−∞

;  x)  jest  równa 

prawd. przyjmowania wartości z tego przedziału.  

Obliczamy prawd. zdarzenia 

> 105 [MPa]  

P( > 105) = 1 − P( ≤ 105) 

=

Š‹Œ

1 − P N1 ≤

rˆ rr

ˆ

O = 1 − P(1 ≤ 1) = 1 − Φ(1), 

Φ(1) odczytujemy z tablicy st. lub programu komp.  

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

37 

Ponieważ 

Φ(1) ≈ 0,8413, więc prawd., że losowo wybrana 

lina  z  rozważanej  partii  będzie  miała  wytrzymałość  większą 
niż 105 [MPa] wynosi 0,1587.  

 

Kwantyle rozkładu normalnego   

Niech 

` ( | , ‚) będzie dystrybuantą zm. l. o rozkła-

dzie normalnym. Kwantyle  zm. l. X  wyznaczamy za pomocą 
funkcji  kwantylowej 

` ( | , σ),  która  dla  ∈ (0, 1)  jest 

określona wzorem:  

` ( | , σ) =

+ 7 ∙ Φ ( ) = + σΦ ( ), 

gdzie 

Φ ( ) jest funkcją kwantylową rozkładu s(0, 1).  

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

39 

Przykład  8.  Zużycie  paliwa  niezbędnego  do  przebycia  przez 
odrzutowiec odległości między dwoma miastami jest zm. l. X 
o  rozkładzie 

s(5,5;  0,5)  [tony].  Ustalić  ilość  tankowanego 

paliwa  tak,  aby  prawd.  dolotu  do  miejsca  przeznaczenia  wy-
niosło ponad 0,99.  

Rozwiązanie.

 Wyznaczamy wartość x dla której 

P( < ) =

0,99, czyli kwantyl rzędu 0,99, tj. 

r,••

.  

Korzystamy  z  zależności 

r,••

=

+ 7 ∙ „

r,••

.  Ponieważ 

= 5,7; 7 = 0,5; „

r,••

= Φ (0,99) = 2,3263, więc  

r,••

= 6,863 ton.  

Zatankowanie 6,9 ton paliwa daje nam co najmniej 99% pew-
ność, że wystarczy paliwa na cały lot.  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

38 

Ponieważ  

Φ ( ) = −Φ (1 − ), dla  ∈ (0, 1) 

więc wystarczy znać wartości tej funkcji dla 

∈ (0,5; 1).  

Kwantyl rzędu p, tj. 

Φ ( ) oznaczamy „

.  

Wartości  funkcji  odwrotnej 

Φ

1

  podobnie  jak  samej  dys-

trybuanty 

Φ

 są zestawiane w tablicach statystycznych. Często 

stosowane kwantyle podane są w podanej tablicy kwantyli.  

 

p  0,75 

0,90 

0,95 

0,975 

0,99 

0,995  0,999 

z

0,6745  1,2816  1,6449  1,9600  2,3263  2,5758  3,0902 

Tablica. Wybrane kwantyle rozkładu 

s(0, 1) 

 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

40 

13. 

 Przykładowe projektowanie badań  

(Palenie i rak). Zaprojektować badanie zależności chorowania 
na raka od palenia tytoniu w grupie 60 osób dla których dane 
są zebrane w tablicy 1.  

C\

nie pali          pali  suma 

bez raka  
z rakiem 

    40              10 
      7               3 

50 
10 

suma 

    47              13 

60 

Tablica 1. Palenie i rak 

Realizacja projektu.  
1.  Oznaczenia  i  koncepcja  badań.
  Niech 

Ω będzie zbiorem 

badanych  osób.  Każda  osoba 

“ ∈ Ω badana jest ze względu 

background image

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

41 

na dwie dychotomiczne cechy, których modelami są zm. l. C i 
S określone na zbiorze 

Ω i o wartościach w zbiorze {0, 1}.  

Niech 

”(“) = 1, jeśli wylosowana osoba “ ma raka i 0 je-

ś

li nie ma oraz niech 

•(“) = 1, jeśli osoba ta pali papierosy i 

0 w p.p.  

2.

 

Wyznaczamy łączny rozkład i brzegowe rozkłady.  

Zauważmy,  że  P(

=

  0;  S 

=

  0) 

=

  40/60,  P(

=

  0,  S 

=

  1) 

=

 

10/60, i tak dalej. Łączny rozkład (C, S) jest dany w tablicy 2, 

C\

     0           1 


40/60     10/60 

  7/60        3/60 

Tablica 2. Łączny rozkład. 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

43 

Przykład projektu zaliczeniowego na laboratorium cz. 1 

Uwaga.  Należy  przytaczać  wzory  i  składnie  funkcji  wykorzystywanych  w  roz-
wiązaniach.  Udzielać  pełnych  odpowiedzi.  Sporządzić  tabelę  ocen  według 
wzoru.  W  przypadku  braku  rozwiązania  etapu,  pod  jego  numerem,  w  polu 
„uzyskano” wpisać „0”.  

Etap 

1  2  3  4  5  6  7  Łącznie 

do uzyskania  2  2  2  1  1  2  4 

14 

uzyskano 

 

 

 

 

 

 

 

 

Długość X (w [mm]) detalu produkowanego na pewnym automacie jest zmien-
ną losową o gęstości prawdopodobieństwa  

( ) =

‡√5w

exp N

M

J–r –rr

r,r—

O , ∈ ℝ, 

1. Rozpoznać  rozkład  długości  detalu  i  jego  parametry,  wyznaczyć drugi  mo-

ment zwykły długości detalu, naszkicować krzywą gęstości i dystrybuantę.  

2. Obliczyć prawd. zdarzeń: 

| − 19,98| ≥ 0,02, | −

| < 7 .  

3. Dla jakiej wartości stałej b zachodzi równość 

P)

r,rˆ

< < "* = 0,90?  

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

42 

Stąd rozkłady brzegowe zm. l. S

˜

= - 0

1

47 60

13 60

⁄ 0  

š

= - 0

1

50 60

10 60

⁄ 0  

3. Badamy niezależność. Zm. l. nie są niezależne, gdyż  

›(” = 1, • = 1) =

L

œr

= 0,05  

natomiast 

›(” = 1)›(• = 1) = 0,036. 

4. Obliczamy wartości oczekiwane i wariancje.  

” =

r

œr

,  • =

L

œr

(”

5

) =

r

œr

(•

5

) =

L

œr

7

5

” =

ˆ

7

5

• =

œ

Lœrr

5. Obliczamy kowariancję i współczynnik korelacji  

(”•) =

L

œr

,  

UV(”, •) =

ˆ

Lœr

, stąd 

UYY( , ) ≈ 0,090462. 

 

K.J. Andrzejczak, PiS15 W03: Zmienne losowe II 

 

44 

4. Wyznaczyć kwartyle długości detalu oraz obliczyć gęstości dla nich.  

5. Wyznaczyć  przedział  w  którym  mieści  się  95%  produkowanych  detali  po 

złomowaniu  5%  detali  o  największej  odchyłce  długości  od  wymiaru  prze-
ciętnego.  

6. Wyznaczyć prawd. zdarzenia, że łączna długość 180 detali będzie mniejsza 

od 358[cm].  

7. Detal  spełnia  normę  długości,  jeśli  jego  długość  mieści  się  w  przedziale 

(19,6;  20,4).  W  celu  sprawdzenia  dokładności  produkcji  zmierzona  zostanie 
długość 180 losowo wybranych detali. 
a)

 

 Wprowadzić zmienną losową opisującą wynik sprawdzania normy długo-
ś

ci  badanej  partii  detali.  Podać  jej  rozkład  i  sporządzić  wykresy  PMF  i 

CDF.  

b)

 

 Obliczyć  prawd.  zdarzenia,  że  w  badanej  partii  detali,  co  najmniej  175 

z nich spełni normę długości.  

c)

 

 Wyznaczyć wartość oczekiwaną, odchylenie standardowe oraz modę licz-
by detali, które spełnią normę długości i prawdopodobieństwo dla mody.