Značení 1.1 (posloupnost výsledků pokusu). Mějme posloupnost opakovaných (i závislých) pokusů,

Podobné dokumenty
Výběrové charakteristiky a jejich rozdělení

Definice 7.1 Nechť je dán pravděpodobnostní prostor (Ω, A, P). Zobrazení. nebo ekvivalentně

Úvod do lineární algebry

Intuitivní pojem pravděpodobnosti

Pravděpodobnost a statistika

Náhodný vektor a jeho charakteristiky

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

NMAI059 Pravděpodobnost a statistika

Někdy lze výsledek pokusu popsat jediným číslem, které označíme X (nebo jiným velkým písmenem). Hodíme dvěma kostkami jaký padl součet?

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

13. cvičení z PSI ledna 2017

5.1. Klasická pravděpodobnst

Dále budeme předpokládat, že daný Markovův řetězec je homogenní. p i1 i 2

Náhodná veličina. Michal Fusek. 10. přednáška z ESMAT. Ústav matematiky FEKT VUT, Michal Fusek

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

0.1 Úvod do lineární algebry

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

1 Vektorové prostory.

Střední hodnota a rozptyl náhodné. kvantilu. Ing. Michael Rost, Ph.D.

Cvičení ze statistiky - 5. Filip Děchtěrenko

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vlastní čísla a vlastní hodnoty. študenti MFF 15. augusta 2008

0.1 Úvod do lineární algebry

Limitní věty teorie pravděpodobnosti. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie, FVL, UO Brno kancelář 69a, tel

Diskrétní náhodná veličina. November 12, 2008

prof. RNDr. Roman Kotecký DrSc., Dr. Rudolf Blažek, PhD Pravděpodobnost a statistika Katedra teoretické informatiky Fakulta informačních technologií

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

8.1. Definice: Normální (Gaussovo) rozdělení N(µ, σ 2 ) s parametry µ a. ( ) ϕ(x) = 1. označovat písmenem U. Její hustota je pak.

Téma 22. Ondřej Nývlt

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

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

populace soubor jednotek, o jejichž vlastnostech bychom chtěli vypovídat letní semestr Definice subjektech.

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

14. cvičení z PSI. 9. ledna Pro každý stav platí, že všechny hrany z něj vycházející mají stejnou pravděpodobnost.

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

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

Operace s maticemi. 19. února 2018

Markovské metody pro modelování pravděpodobnosti

KGG/STG Statistika pro geografy

Statistika II. Jiří Neubauer

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

1 Řešení soustav lineárních rovnic

Stochastické modely Informace k závěrečné zkoušce

Základy teorie pravděpodobnosti

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

Rozdělení náhodné veličiny. Distribuční funkce. Vlastnosti distribuční funkce

4. Aplikace matematiky v ekonomii

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Poznámky k předmětu Aplikovaná statistika, 5.téma

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

12. cvičení z PSI prosince (Test střední hodnoty dvou normálních rozdělení se stejným neznámým rozptylem)

5 Časové řady. Definice 16 Posloupnost náhodných veličin {X t, t T } nazveme slabě stacionární, pokud

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

IB112 Základy matematiky

Riemannův určitý integrál

Soustavy lineárních rovnic

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

Náhodné chyby přímých měření

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

Náhodná veličina Číselné charakteristiky diskrétních náhodných veličin Spojitá náhodná veličina. Pravděpodobnost

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

Všechno, co jste chtěli vědět z teorie pravděpodobnosti, z teorie informace a

10. N á h o d n ý v e k t o r

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Matematika. Kamila Hasilová. Matematika 1/34

Přednáška. Další rozdělení SNP. Limitní věty. Speciální typy rozdělení. Další rozdělení SNP Limitní věty Speciální typy rozdělení

1. Pravděpodobnost a statistika (MP leden 2010)

Pravděpodobnostní metody

Příklady: - počet členů dané domácnosti - počet zákazníků ve frontě - počet pokusů do padnutí čísla šest - životnost televizoru - věk člověka

2. Definice pravděpodobnosti

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

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

Úvod do teorie pravděpodobnosti

X = x, y = h(x) Y = y. hodnotám x a jedné hodnotě y. Dostaneme tabulku hodnot pravděpodobnostní

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

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

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

)(x 2 + 3x + 4),

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

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

8 Matice a determinanty

Normální rozložení a odvozená rozložení

Pravděpodobnost a statistika, Biostatistika pro kombinované studium. Jan Kracík

Symetrické a kvadratické formy

Operace s maticemi

Pravděpodobnost a její vlastnosti

MKI Funkce f(z) má singularitu v bodě 0. a) Stanovte oblast, ve které konverguje hlavní část Laurentova rozvoje funkce f(z) v bodě 0.

Minikurz aplikované statistiky. Minikurz aplikované statistiky p.1

Matematika 1 MA1. 2 Determinant. 3 Adjungovaná matice. 4 Cramerovo pravidlo. 11. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 29

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Uspořádanou n-tici reálných čísel nazveme aritmetický vektor (vektor), ā = (a 1, a 2,..., a n ). Čísla a 1, a 2,..., a n se nazývají složky vektoru

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

1 Rozptyl a kovariance

6. Vektorový počet Studijní text. 6. Vektorový počet

Úlohy nejmenších čtverců

14. cvičení z PSI. 9. ledna 2018

Distribuční funkce je funkcí neklesající, tj. pro všechna

Transkript:

Rekurentní jevy Značení. (posloupnost výsledků pokusu). Mějme posloupnost opakovaných (i závislých) pokusů, kde každý má tutéž konečnou nebo spočetnou množinu výsledků E, E,...}. Pak E j,..., E jn } značí jev, že i-tý pokus skončil E ji pro i, n}. Definice. (jev v posloupnosti pokusů). Necht pro všechny konečné posloupnosti výsledků platí (a) P (E j,..., E jn ) = j n= P (E j,..., E jn, E jn ) pro < n < (b) O každé posloupnosti lze rozhodnout, zda má či nemá vlastnost ξ. Pak řekneme, že ξ nastává na n-tém místě posloupnosti E j, E j,..., pokud posloupnost E j,..., E jn } má vlastnost ξ. Definice.3 (rekurentní jev). Vlastnost ξ je rekurentní jev, pokud ξ nastal na n-tém a (n + m)- tém místě E j,..., E jn+m }. Pak platí P (E j,..., E jn+m ) = P (E j,..., E jn ) P (E jn+,..., E jn+m ) Definice.4 (výskyt v n-tém pokusu). Pro rekurentní jev ξ definujeme pro n < posloupnosti. u n }, kde u n = P (ξnastane v n-tém pokusu). f n }, kde f n = P (ξnastane v n-tém pokusu poprvé) Speciálně definujeme u 0 :=, f 0 := 0. Pak f n tvoří rozdělení pravděpodobnosti, u n ale ne. Poznámka.5 (vztah f n a u n ). Pokud ξ nastal v kroku n, musel někdy nastat poprvé. Pokud to bylo v k-tém kroku, lze uvažovat, že ξ nastal na konci posloupnosti délky n k. Pak platí (dle věty o úplné pravděpodobnosti) pro n : u n = f u n + f u n +... + f n u 0 Což je konvoluce bez prvního členu (proto jsme dodefinovali u 0 a f 0 ). Poznámka.6 (vytvořující funkce rekurzivních jevů). Vytvořující funce u n } je U(x) = n=0 u n x n, vytvořující funkce f n } je F (x) = n=0 f n x n. Pro n > 0 můžeme zapsat rovnice tvaru u n = f 0 u n + f u n + f u n +... + f n u 0. Ty vynásobíme x n, sečteme je po sloupcích a dostaneme U(x) = u 0 x 0 + U(x) F (x). Platí tedy následující věta: Věta.7. U(x) = F (x) U(x) resp. F (x) = U(x) U(x) resp. U(x) = F (x). Poznámka.8. f n } udává rozdělení náhodné veličiny T, která popisuje čekání na první výskyt ξ. Pokud f = n= f n <, potom T je nevlastní náhodná veličina (T = ) a pravděpodobnost, že jev nenastal, je f. Definice.9 (doba návratu). Mějme nezávislé náhodné veličiny T i, i r se stejným rozdělením f n }. T i interpretujeme jako dobu návratu, tedy počet pokusů mezi (i )-ním a i-tým výskytem. Pak T (r) = r i= T i je doba čekání na r-tý výskyt. Značení.0 (pravděpodobnost r-tého návratu). Značíme f n (r) Speciálně f (r) 0 := 0. = P (ξnastane po r-té v n-tém pokusu). Věta. (vytvořující funkce pro r-tý návrat). Pro rekurentní jevy lze vytvořující funkci r-tých návratů spočítat jako r-tou mocninu vytvořující funkce prvních návratů, tedy f (r) n } = f n } r.

Důkaz. Pro r = podobně jako v předchozí větě. Uvažujeme, že f n = f 0 f n + f f n +... + f n f 0 (pokud jev poprvé nastal v kroku k, lze uvažovat, že nastal poprvé také na konci posloupnosti délky n k). Což je úplná konvoluce pro n 0. Vzniklé rovnice vynásobíme x n a sečteme po sloupcích, což dá požadovaný výsledek. Pro r > plyne indukcí. Věta.. Pravděpodobnost, že rekurzivní jev nastane v nekonečné posloupnosti alespoň r-krát, je f r, kde f = n=0 f n. Poznámka.3 (chování f n (r) ). Funkce r-tých návratů se chová podobně jako součet nezávislých náhodných veličin - jde vlastně o nezávislé náhodné veličiny T, T,..., které představují doby mezi návraty jevu. Po nastání jevu zapomínám předchozí pokusy. Proto se doba čekání na r-tý výskyt ξ dá popsat náhodnou veličinou T (r) = r i= T i, viz..9.. Klasifikace rekurentních jevů Definice.4 (trvalý a přechodný rekurentní jev). Rekurentní jev ξ je (a) trvalý, pokud f = n=0 f n =, (b) přechodný, pokud f <. Poznámka.5. ˆ ξ je trvalý, pak P (ξ nastane v nekonečné posloupnosti pokusů ) =. ˆ ξ je přechodný, pak P ( ) = 0. u = u n=0 < + a také f = u (viz vytvořující funkce F, U). Definice.6 (Střední doba návratu). Pro trvalý jev ξ označíme µ = ET = n= n f n za střední dobu návratu ξ. Definice.7. Pokud µ < +, jev ξ označujeme za nenulový, pokud µ = +, za nulový. Definice.8. Rekurentní jev ξ je periodický, právě když λ > n, λ n : u n = 0. Největší takové λ se nazývá perioda jevu ξ.. Příklady Definice.9 (Náhodná procházka po přímce). Mějme posloupnost nezávislých náhodných veličin X, X,... Alt(p). Jednoduchá náhodná procházka s pravděpodobností zdaru p je potom posloupnost S n } n=0, kde S n = n i= X i. Příklad.0 (Náhodná procházka po přímce). Mějme jednoduchou náhodnou procházku po přímce s p =. V čase n nastává ξ návrat do počátku, jestliže S n = 0 (tedy počet zdarů a nezdarů je v n-tém kroku stejný). Ukážeme, že ξ je periodický jev trvalý pro p = a přechodný jinak. Řešení. Zřejmě u n+ = 0 (v lichém kroku se nelze vrátit) a u n = ( ) n n p n ( p) n Bi(n, p) (n tam, n zpět). ξ je tedy periodický jev. Poznámka.. Využíváme Stirlingovu formuli: n! n n e n πn. ) = (n)! Pak ( n n!n! TO BE DONE = (n)n n!n! = (n) n e 4n 4πn n nn e n πn nn e n πn = πn n πn.

Příklad. (Náhodná symetrická procházka po čtvercové síti). p = 4. Chceme opět znát u n. Zafixujeme si počet kroků v jednom směru jako i, ostatní z něj plynou (pro u n to činí i kroků v opačném směru a n i v obou zbývajících). Potom u n = n n! i!i!(n i)!(n i)! 4 n πn u n = i=0 Jde tedy o periodický trvalý rekurentní jev. Příklad.3 (Náhodná symetrická procházka ve třech rozměrech). Musíme zafixovat dva směry, stále multinomické rozdělení, již přechodný jev. TODO příklad s hodem mincí a výpočtem u n, f n.3 Limitní věta Věta.4. Necht ξ je rekurentní neperiodický jev. Potom lim u µ µ < n = n 0 µ = Poznámka.5. µ značí střední dobu návratu ξ, viz.6. Pro nulový rekurentní jev je ET =. Věta.6. Necht ξ je rekurentní trvalý periodický jev s periodou λ. Potom λ lim u µ µ < λn = n 0 µ =.4 Asymptotické rozdělení četnosti rekurentních jevů Věta.7. Necht rekurentní jev ξ je trvalý. Označíme N n počet výskytů do času n a T (r) dobu čekání na r-tý výskyt ξ. Potom jevy [N n r] a [T (r) n], r n < jsou ekvivalentní. Předpokládejme dále, že rozdělení dob prvních návratů má konečnou střední hodnotu ET = µ a konečný rozptyl vart = σ. Potom N n N ( n µ, nσ µ ) a platí 3 ( T (r) ) lim P rµ r σ r = Φ(y), y R r. T (r) = r i= T i. ET (r) = E( r i= T i) = r ET = rµ var(t (r) ) = var( ) = r vart = rσ 3. [N n r] = [T (r) n], r n < 4. Připomenutí - centrální limitní věta: Mějme X, X,... nezávislé náhodné proměnné s rozdělením EX = µ a rozptylem varx = σ <. ) Pak lim n P < x x Φ(x). ( n i= Xi nµ nσ 5. N n N ( n µ, nσ µ 3 ) - prý kouknu a vidím. EN n n µ (viz další věta) Rozptyl není jasný, musí se uhodnout. A ) 6. P (N n r) r Φ ( n rµ rσ n= 3

7. P (T (r) x) = P ( r i= T i rµ rσ x rµ ) ( ) x rµ xto Φ rσ rσ Věta.8. Necht rekurentní jev ξ je trvalý a nenulový. Potom pro n platí EN n n µ, kde µ je střední doba návratu..5 Rovnice obnovy Poznámka.9. Limitní věty předchozích odstavců lze považovat za speciální případy určité obecné věty, kterou lze formulovat analyticky bez použití pravděpodobnostních pojmů. Jak uvidíme, i tato obecná věta má pravděpodobnostní význam. Definice.30 (rovnice obnovy). Necht a 0, a,... a b 0, b,... jsou dvě posloupnosti takové, že a 0 = 0, a n [0, ], b n 0, n=0 b n <. Položme u n = b n + a 0 u n + a u n +... + a n u 0, tj. Tento vztah se nazývá rovnicí obnovy. u n } = b n } + a n } u n } Poznámka.3. Platí U(x) = B(x) + A(x)U(x) U(x) = B(x) A(x). Definice.3. Posloupnost a n } nazveme periodickou, pokud existuje λ > tak, že n, λ n : a n = 0. Největší takové λ nazveme periodou. Věta.33. Necht posloupnost a n } je neperiodická. Potom platí:. Je-li n= a n <, potom n= u n <.. Je-li n= a n =, tzn. a n } lze považovat za rozdělení doby návratu nějakého trvalého neperiodického rekurentního jevu ξ, potom lim u n = n n=0 bn n= nan 0 n= na n < n= na n = 3. Je-li n= a n >, potom pro n je u n B(x) x n+ A (x), kde x < je jediný kořen rovnice A(x) =. Věta.34. Necht posloupnost a n } je periodická s periodou λ. Potom platí:. Je-li n= a n <, potom n= u n <.. Je-li µ =, potom lim n u n = 0. 3. Je-li µ <, pak n= a n =, tj. a n } lze považovat za rozdělení doby návratu nějakého trvalého periodického rekurentního jevu ξ. Potom pro 0 j < λ platí a lim u nλ+j = λ k=0 b kλ+j n µ lim n n n k=0 u ν = b k µ ν= TODO výklad, poznámky k celé sekci 4

Markovovy řetězce Příklad. (Motivace). Máme rubikovu kostku, náhodně s ní otáčíme. Jak dlouho bude trvat, než se vrátíme do sestaveného stavu? Mohu náhodné otáčení stěnami rubikovy kostky popsat jako náhodnou procházku? Pokud ano, po jaké struktuře? 6 stěn, lze točit tam a zpět možností. Celkem konečně mnoho stavů, každý má sousedů. P E... E n E 0.... E n 0 p i,j = P (přechod E i E j ) na každém řádku bude /. E i jsou všechny stavy RK. Jsou průchody stavem E rekurentním jevem? ano. Zajímá nás E(E i E ). Definice. (Markovův řetězec). Posloupnost pokusů, z nichž každý má tu samou konečnou nebo spočetnou množinu možných výsledků E, E,..., nazveme Markovovým řetězcem (MŘ), jestliže pravděpodobnost každé konečné posloupnosti výsledků (pokusů nultého až n-tého) je dána vztahem P (E j0,..., E jn ) = a j0 p j0,j p j,j... p jn,j n kde a k (k N) jsou pravděpodobnosti výsledků nultého pokusu a p j,k (j, k N) je pro všechny pokusy stejná podmíněná pravděpodobnost výsledku E k za podmínky výsledku E j v pokuse předchozím (P (E j E k ) = P (E k E j )). Značení.3. MŘ budeme popisovat (P, a), kde P = (p i,j) je čtvercová matice s (podmíněnými) pravděpodobnostmi přechodu (prvního řádu) p i,j = P (E i E j ) a a = (a i ) je počáteční rozdělení pravděpodobností. Poznámka.4. Všimněte si, že P je stochastická matice, tedy platí i : j p i,j =. Je dobré si vždy namalovat graf MŘ... Příklad.5 (malá/velká). E i bude značit stav mojí kapsy. X i = +...p...q, E E i+...p i = E i...q. P bude nekonečná matice:......... 0 P = q 0 p q 0 p. 0........ Začínáme vždy ve stavu E 0, takže a = (..., 0,..., 0, }} =a 0, 0,..., 0,...) Příklad.6 (náhodná procházka s pohlcující bariérou). Podobně jako v předchozím případě, s tím rozdílem, že při dosažení krajního stavu v něm zůstanu. 5

Příklad.7 (náhodná procházka s odrážející bariérou). Podobně jako v předchozím případě, s tím rozdílem, že namísto přechodu do krajního stavu zůstávám na místě. Příklad.8 (sběratel kupónů). Příklad.9 (Ehrenfestův myšlený pokus). Příklad.0 (volby). Příklad. (ALOHA protokol). 6