Matematika I 2a Konečná pravděpodobnost

Podobné dokumenty
Pravděpodobnost a její vlastnosti

Náhodné jevy. Teorie pravděpodobnosti. Náhodné jevy. Operace s náhodnými jevy

Intuitivní pojem pravděpodobnosti

Základy teorie pravděpodobnosti

2. přednáška - PRAVDĚPODOBNOST

Matematika III. 27. září Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. Matematika III

5.1. Klasická pravděpodobnst

Matematika III. 4. října Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. Matematika III

pravděpodobnosti Pravděpodobnost je teorií statistiky a statistika je praxí teorie pravděpodobnosti.

IB112 Základy matematiky

Pravděpodobnost a statistika

1. Statistická analýza dat Jak vznikají informace Rozložení dat

Pravděpodobnost a statistika

2. Definice pravděpodobnosti

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2018/2019

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2016/2017

Teorie pravěpodobnosti 1

Náhodný jev a definice pravděpodobnosti

Inženýrská statistika pak představuje soubor postupů a aplikací teoretických principů v oblasti inženýrské činnosti.

Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie, FVL, UO Brno kancelář 69a, tel

Informační a znalostní systémy

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2016

Obsah. Základy teorie pravděpodobnosti Náhodný jev Pravděpodobnost náhodného jevu Pravděpodobnost. Pravděpodobnost. Děj pokus jev

letní semestr Katedra pravděpodobnosti a matematické statistiky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy Matematická statistika

TEORIE PRAVDĚPODOBNOSTI. 2. cvičení

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

Lékařská biofyzika, výpočetní technika I. Biostatistika Josef Tvrdík (doc. Ing. CSc.)

Úvod do teorie pravděpodobnosti

Náhodný pokus Náhodným pokusem (stručněji pokusem) rozumíme každé uskutečnění určitého systému podmínek resp. pravidel.

Jevy, které za daných podmínek mohou, ale nemusí nastat, nazýváme náhodnými jevy. Příklad: při hodu hrací kostkou padne trojka

Populace vs. data. popisná (deskriptivní) popis konkrétních dat. letní semestr

4. Kombinatorika a matice

0. ÚVOD - matematické symboly, značení,

REÁLNÁ FUNKCE JEDNÉ PROMĚNNÉ

Drsná matematika III 9. přednáška Rovinné grafy: Stromy, konvexní mnohoúhelníky v prostoru a Platónská tělesa

Drsná matematika IV 7. přednáška Jak na statistiku?

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

Lineární algebra : Lineární prostor

Úvod do informatiky. Miroslav Kolařík

1 Základní pojmy. 1.1 Množiny

5 Pravděpodobnost. Sestavíme pravděpodobnostní prostor, který modeluje vytažení dvou ponožek ze šuplíku. Elementární jevy

Matematická analýza 1

Pravděpodobnost je. Martina Litschmannová Katedra aplikované matematiky, FEI, VŠB-TU Ostrava

Tomáš Karel LS 2012/2013

5. Lokální, vázané a globální extrémy

pravděpodobnosti a Bayesova věta

NMAI059 Pravděpodobnost a statistika

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

3. Podmíněná pravděpodobnost a Bayesův vzorec

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

5. Náhodná veličina. 2. Házíme hrací kostkou dokud nepadne šestka. Náhodná veličina nabývá hodnot z posloupnosti {1, 2, 3,...}.

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Drsná matematika III 1. přednáška Funkce více proměnných: křivky, směrové derivace, diferenciál

Řešení příkladů na procvičení pravděpodobnosti 1

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Základy teorie množin

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Množiny, relace, zobrazení

Každé formuli výrokového počtu přiřadíme hodnotu 0, půjde-li o formuli nepravdivou, a hodnotu 1, půjde-li. α neplatí. β je nutná podmínka pro α

Jevy A a B jsou nezávislé, jestliže uskutečnění jednoho jevu nemá vliv na uskutečnění nebo neuskutečnění jevu druhého

Pravděpodobnost a statistika (BI-PST) Cvičení č. 2

Pravděpodobnost Podmíněná p. Úplná p. III. Pravděpodobnost. III. Pravděpodobnost Statistika A (ZS 2015)

Náhodný jev. Jevy, které za daných podmínek mohou, ale nemusí nastat, nazýváme náhodnými jevy.

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

Lineární algebra : Metrická geometrie

KOMBINATORIKA. 1. cvičení

Pojem binární relace patří mezi nejzákladnější matematické pojmy. Binární relace

7. Rozdělení pravděpodobnosti ve statistice

Drsná matematika III 9. přednáška Rovinné grafy: Stromy, konvexní mnohoúhelníky v prostoru a Platónská tělesa

Náhodný vektor. Náhodný vektor. Hustota náhodného vektoru. Hustota náhodného vektoru. Náhodný vektor je dvojice náhodných veličin (X, Y ) T = ( X

Funkce a limita. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

2. Množiny, funkce. Poznámka: Prvky množiny mohou být opět množiny. Takovou množinu, pak nazýváme systém množin, značí se

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2015

fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

Řešené příklady z pravděpodobnosti:

p 2 q , tj. 2q 2 = p 2. Tedy p 2 je sudé číslo, což ale znamená, že

2. kapitola: Euklidovské prostory

METRICKÉ A NORMOVANÉ PROSTORY

Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky CZ.1.07/2.2.00/ Množiny, funkce

Matematika B101MA1, B101MA2

NAIVNÍ TEORIE MNOŽIN, okruh č. 5

Co je to univerzální algebra?

Náhodný vektor. Náhodný vektor. Hustota náhodného vektoru. Hustota náhodného vektoru. Náhodný vektor je dvojice náhodných veličin (X, Y ) T = ( X

analytické geometrie v prostoru s počátkem 18. stol.

Diskrétní náhodná veličina. November 12, 2008

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Základy lineárního programování VMAT, IMT 1 / 25

PRAVDĚPODOBNOST Náhodné pokusy. Náhodný jev

Limita a spojitost funkce

EXTRÉMY FUNKCÍ VÍCE PROMĚNNÝCH

MATEMATICKÁ STATISTIKA. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Základy matematické analýzy

a způsoby jejího popisu Ing. Michael Rost, Ph.D.

Pavel Horák LINEÁRNÍ ALGEBRA A GEOMETRIE 1 UČEBNÍ TEXT

Funkce. Definiční obor a obor hodnot

Formální systém výrokové logiky

Transkript:

Matematika I 2a Konečná pravděpodobnost Jan Slovák Masarykova univerzita Fakulta informatiky 24. 9. 2012

Obsah přednášky 1 Pravděpodobnost 2 Nezávislé jevy 3 Geometrická pravděpodobnost

Viděli jsme už funkce, jejichž hodnoty byly dány formulí nebo popisem změny hodnoty v závislosti na změnách závislé proměnné. Další obvyklý případ sledované hodnoty jsou výsledkem nějaké nahodilosti a my se snažíme popsat s jakou pravděpodobností nastane ta či ona možnost. Nejbanálnější příklad: házení kostkou s šesti stranami s označeními 1, 2, 3, 4, 5, 6. Matematický model takového házení poctivou kostkou předepisuje, že každá ze stran padá stejně často. Pro konkrétní kostku je ale jisté, že skutečné relativní četnosti výsledků nebudou stejné. Z velikého počtu pokusů lze usoudit na relativní četnosti jednotlivých výsledků hodů a tyto ustanovit jako pravděpodobnosti v našem matematickém popisu. Nicméně při sebevětším počtu pokusů nemůžeme vyloučit možnost, že se náhodou povedla velice nepravděpodobná kombinace výsledků a že se tím náš matematický model skutečnosti stal (pro tento konkrétní případ) nedobrým.

Definition (Náhodné jevy) Budeme pracovat s neprázdnou pevně zvolenou množinou Ω všech možných výsledků, kterou nazýváme základní prostor. Pro jednoduchost bude pro nás Ω konečná množina s prvky ω 1,..., ω n, představujícími jednotlivé možné výsledky. Každá podmnožina A Ω představuje možný jev. Často se setkáváme s případy, kdy ne všechny podmnožiny mohou nastávat, hovoříme pak o jevovém poli A. Požadujeme přitom: Ω A, tj. základní prostor, je jevem, je-li A, B A, pak A \ B A, tj. pro každé dva jevy je jevem i jejich množinový rozdíl, jsou-li A, B A, pak A B A, tj. pro každé dva jevy je jevem i jejich sjednocení.

Jevové pole je tedy systém podmnožin (konečného) základního prostoru uzavřený na průniky, sjednocení a rozdíly. Jednotlivé množiny A A nazýváme náhodné jevy (vzhledem k A). Komplement A c = Ω \ A jevu A je jevem, který nazýváme opačný jev k jevu A. Průnik dvou jevů opět jevem, protože pro každé dvě podmnožiny A, B Ω platí A \ (Ω \ B) = A B. Pro naše házení kostkou je Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6} a jevové pole je tvořeno všemi podmnožinami. Např. náhodný jev {1, 3, 5} pak interpretujeme jako padne liché číslo.

Terminologie připomíná souvislosti s popisem skutečných modelů: celý základní prostor Ω se nazývá jistý jev, prázdná podmnožina A se nazývá nemožný jev, jednoprvkové podmnožiny {ω} Ω se nazývají elementární jevy, společné nastoupení jevů A i, i I, odpovídá jevu i I A i, nastoupení alespoň jednoho z jevů A i, i I, odpovídá jevu i I A i, A, B A jsou neslučitelné jevy, je-li A B =, jev A má za důsledek jev B, když A B, je-li A A, pak se jev B = Ω \ A nazývá opačný jev k jevu A, píšeme B = A c.

Definition (Klasická konečná pravděpodobnost) Nechť Ω je konečný základní prostor a nechť jevové pole A je právě systém všech podmnožin v Ω. Klasická pravděpodobnost je takový pravděpodobnostní prostor (Ω, A, P) s pravděpodobnostní funkcí P : A R, P(A) = A Ω.

Takto definovaná skalární funkce P : A R má vlastnosti vlastnosti: je nezáporná, tj. P(A) 0 pro všechny jevy A, je aditivní, tj. P(A B) = P(A) + P(B), kdykoliv je A B = a A, B A, Důsledky pravděpodobnost jistého jevu je 1. Pro všechny jevy platí P(A c ) = 1 P(A). Additivnost platí pro jakýkoliv konečný počet neslučitelných jevů A i Ω, i I, tj. P( i I A i ) = i I P(A i ), kdykoliv je A i A j =, i j, i, j I.

Podívejme se, jak z házení kostkou dostat různě pravděpodobné elementární jevy na vhodně definovaném jevovém poli. Budeme pozorovat součty při hodu více kostkami. Uvažujme takto: při hodu jednou kostkou je každý výsledek stejně pravděpodobný s pravděpodobností 1 6. Při hodu dvěmi kostkami je každý předem zvolený výsledek (a, b), tj. dvojice přirozených čísel od jedné do šesti (včetně pořadí), stejně pravděpodobný s pravděpodobností 1 36. Pokud se budeme ptát po dvou pětkách, je tedy pravděpodobnost poloviční než u dvou různých hodnot bez uvedení pořadí. Pro jednotlivé možné součty uvedené v horním řádku nám vychází počet možností v řádku dolním: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 5 4 3 2 1

Obecně je sčítání pravděpodobností pro výskyty jevů složitější. Problém totiž je, že pokud jsou jevy slučitelné, částečně máme v součtu pravděpodobností započteny příznivé výskyty vícekrát. Nejjednodušší je si nejprve představit situci se dvěma slučitelnými jevy A, B. Uvažme nejprve klasickou pravděpodobnost, kde jde vlastně o počítání prvků v podmnožinách. Pravděpodobnost výskytu alespoň jednoho z nich, tj. pravděpodobnost jejich sjednocení, je dána vztahem P(A B) = P(A) + P(B) P(A B), (1) protože ty prvky, které patří do množiny A i B, jsme nejprve započetli dvakrát a tak je musíme jednou odečíst. Obdobně postupujeme u více množin a u obecné konečné pravděpodobnosti. Na úrovni mohutností množin jde o klasický princip inkluze a exkluze.

Příklad chaotického asistenta Asistent má poslat tři obálky na tři adresáty, provede to ale náhodně. Jaká je pravděpodobnost, že aspoň jeden adresát dostane svůj dopis? Spočteme si pravděpodobnost opačného jevu. Úlohu můžeme sformulovat tak, že hledáme pořadí čísel 1, 2 a 3 takové aby žádné číslo i nebylo právě na i-tém místě. Na první pohled vidíme, že takové jsou dvě: 321, 312. Spočteme totéž pomocí inkluze a exkluze: označíme M i množinu pořadí, které mají na i-tém místě i. Pak počet hledaných pořadí je d = 3! M 1 M 2 M 3 = 3! M 1 M 2 M 3 + M 1 M 2 + M 1 M 3 + M 2 M 3 M 1 M 2 M 3 = 6 2 2 2 + 1 + 1 + 1 1 = 2 Opačný jev má tedy pravděpodobnost 2/6 = 1/3, hledaná pravděpodobnost je tedy 2/3.

Definition Nezávislé jevy Uvažme libovolný pravděpodobnostní prostor (Ω, A, P) a v něm nějaké jevy A 1,..., A k. Řekneme, že tyto jevy jsou stochasticky nezávislé (vzhledem k pravděpodobnosti P), jestliže pro libovolné z nich vybrané jevy A i1,..., A il, 1 l k platí P(A i1 A il ) = P(A i1 )... P(A il ). Zjevně je každý podsystém stochasticky nezávislých jevů opět stochasticky nezávislý. Dále si pro dva stochasticky nezávislé jevy A, B spočtěme P(A B c ) = P(A\B) = P(A) P(A B) = P(A)(1 P(B)) = P(A)P(B c ). Odtud už snadno dovodíme, že záměnou jednoho nebo více stochasticky nezávislých jevů za jejich opačné jevy obdržíme opět stochasticky nezávislé jevy.

Často se hledá pravděpodobnost, že nastane alespoň jeden ze stochasticky nezávislých jevů, tzn. hledáme P(A 1 A k ). Můžeme pak použít elementární vlastnosti množinových operací, tzv. de Morganova pravidla, a dostáváme: A 1 A k = (A c 1 A c k )c P(A 1 A k ) = 1 P(A c 1 A c k ) = 1 (1 P(A 1))... (1 P(A k )).

Uvažme rovinu R 2 dvojic reálných čísel a v ní podmnožinu Ω se známým obsahem vol Ω (symbol vol od anglického volume, tj. obsah/objem). Příkladem může sloužit třeba jednotkový čtverec. Náhodné jevy budou reprezentovány podmnožinami A Ω za jevové pole A bereme systém podmnožin, u kterých umíme určit jejich obsah. Třeba všechna konečná sjednocení trojůhelníků. Nastoupení nebo nenastoupení jevu je dáno výběrem bodu v Ω, kterým se trefíme nebo netrefíme do množiny reprezentující jev A. Podobně jako u klasické pravděpodobnosti pak definujeme pravděpodobnostní funkci P : A R vztahem P(A) = vol A vol Ω.

Uvažme jako příklad problém, kdy náhodně vyberem dvě hodnoty a < b v intervalu (0, 1) R. Všechny hodnoty a i b jsou stejně pravděpodobné a otázka zní jaká je pravděpodobnost, že interval (a, b) bude mít velikost alespoň jedna polovina?. Odpověď je docela jednoduchá: volba čísel a, b je volbou libovolného bodu (a, b) ve vnitřku trojúhelníku Ω s hraničními vrcholy [0, 0], [0, 1], [1, 1] (načrtněte si obrázek!). Potřebujeme znát plochu podmnožiny, která odpovídá bodům s b > a + 1 2, tj. vnitřku trojúhelníku A ohraničeného vrcholy [0, 1 2 ], [0, 1], [ 1 2, 1]. Evidentně dostáváme P(A) = 1 4. Zkuste si samostatně odpovědět na otázku pro jakou požadovanou minimální délku intervalu (a, b) dostaneme pravděpodobnost jedna polovina?.