TILASTOMATEMATIIKKA I

Transkriptio

1 TILASTOMATEMATIIKKA I Srkku Parvae 1. JOHDANTO MIHIN TILASTOTIEDETTÄ TARVITAAN? suure havatomäärä (data) keräämsee, tetoje tvstämsee ja kuvaluu (deskrptvset meetelmät, data-aalyys) johtopäätöste tekemsee epätäydellse ja epävarma formaato perusteella (tlastolle päättely: estmot, hypoteese testaus, rppuvuusmallt) tulevasuude eustamsee (akasarja-aalyys, eustusteora) MIHIN TILASTOTIEDE PERUSTUU? Tlastollse päättely meetelmät ojaavat tosaalta lmöstä kerättyy käytäö kokemuksee (havatoaesto) ja jakaumamalleh, tosaalta todeäkösyyslasketaa, joka perustuu aksoom. Nästä aksoomsta johdetaa laskusäätöjä ja päättelyssä käytettävä kaavoja. TILASTOTIETEEN PERUSONGELMIA: Mtä o teto ja mte epävarmuutta mtataa? Mtä o sattumavarasuus? Mte erotellaa systemaatte ja satuae vahtelu tosstaa? Mllä perusteella tehdää johtopäätöksä? Mte johtopäätöste luotettavuutta arvodaa? TILASTOTIEDETTÄ TARVITAAN MM. SEURAAVILLA ALOILLA: kakk kokeelle tutkmus! teke tutkmus systeeme ohjaus laaduvalvota luotettavuustekkka talouselämä, kauppa vakuutusala luooteteet ekologa väestötede tulevasuudetutkmus Eglakele term statstcs tarkottaa pats tlastotedettä, myös tlastoja sekä tlastollsa tuuslukuja. Tlastomatematkka o matemaattsta tlastotedettä. Tällä kursslla kesktytää todeäkösyyslasketaa, satuasmuuttuje jakaum ja äh perustuv tlastollse päättely meetelm. Esm. otatameetelmät ja kokede suuttelu evät kuulu kurss ahepreh, vakka ovatk tärkeä osa tlastollsta tutkmusta. 1

2 . TODENNÄKÖISYYSLASKENTAA.1. SATUNNAISKOKEET JA SATUNNAISMUUTTUJAT Satuaskoe o tostettavssa oleva ta tostuvast tapahtuva lmö, joka lopputulokse määrää satuae mekasm, lopputulosta e ss vo eustaa varmast. Koetta tostettaessa estyy tuloksssa tlastollsta sääömukasuutta suortuskertoje määrä kasvaessa. Satuaskokee mahdollset lopputulokset ovat alkestapahtuma. Otosavaruus o kakke alkestapahtume joukko, jota merktää seuraavassa S:llä. Esmerkkejä satuaskokesta ja otosavaruukssta: 1) Nopa hetto: S = {1,,3,4,5,6} ) Lamppuja pakataa 4 kappalee rasoh. Otetaa yks rasa ja testataa lamput (merk. k=kuolle, v=valle): S = {kkkk, kkkv, kkvk,..., vvvv} 3) Latevkoje lkm/v: S = {0,1,,...} 4) Tuottee pao: S = {xr x > 0} 5) Parsto elkä: S = {tr t 0} 6) Valtaa haastateltava heklö Suome kasalassta: otosavaruutee S kuuluvat kakk suomalaset. Otosavaruude määrttely rppuu tutkmukse kohteesta, joka määrää se mtä mtataa ta reksterödää. Esm. vmesessä tapauksessa otosavaruus o määrtelty hyv ylesest ja heklöltä vodaa haastattelussa kysyä useta melptetä, taustatetoja je. Jos tutkjaa kostas va heklö kata yhtee ajakohtasee kysymyksee, vos otosavaruus olla S = {puolesta, vastaa, e osaa saoa}. Tapahtuma tarkottaa otosavaruude osajoukkoa. Tapahtumlle pyrtää laskemaa todeäkösyyksä. Sekä otosavaruus että tapahtuma vodaa kuvalla - saallsest - matemaattslla symbolella - luettelemalla tapahtumaa kuuluvat alkestapahtumat - Ve dagrammlla. Satuasmuuttuja o alkestapauks lttyvä muuttuja, joka arvo o satuae. Satuasmuuttuja arvo määräytyy mttaamalla ta reksterömällä jok alkestapaukse omasuus. Koska kokee tulosta säätelee satuasmekasm, o X: arvok tätä kautta satuae. Koetta tostettaessa er arvot vahtelevat ja tätä vahtelua kuvaa satuasmuuttuja jakauma.

3 Esmerkk.1. Tarkastellaa lamppuje tomvuutta 4 kappalee rasassa. Otosavaruus o S = {kkkk, kkkv, kkvk, kvkk, vkkk, kkvv, kvkv, kvvk, vkkv, vkvk, vvkk, kvvv, vkvv, vvkv, vvvk, vvvv} Esmerkk kokeesee lttyvästä tapahtumasta: A = "rasassa o yks tomva lamppu" = {kvvv, vkvv, vvkv, vvvk} Esmerkk kokeesee lttyvästä satuasmuuttujasta: X = vallste lamppuje lukumäärä, joka vo saada arvot 0,1,,3,4. Tapahtuma A vodaa esttää myös symbolsessa muodossa A = {X=3}. Esmerkk.. Valtaa koeheklö ta haastateltava Suome kasalassta. Tapahtuma: A = "heklö o opskelja" B = "heklö o alle 30-vuotas" Ve dagrammlla vodaa kuvata er tapahtume suhteta otosavaruudessa... JOUKKO-OPPIA Tapahtume kästtelyssä tarvtaa joukko-op merktöjä, kästtetä ja operaatota. Merktää seuraavassa joukkoja solla ja de alkota pellä krjamlla. Merktä: Seltys: a A alko a kuuluu joukkoo A A B joukko A ssältyy joukkoo B el A o B: osajoukko (myös A B) AB joukkoje A ja B yhdste el uo: de alkode joukko, jotka kuuluvat joko A:ha ta B:he ta molemp AB joukkoje A ja B lekkaus: de alkode joukko, jotka kuuluvat sekä A:ha että B:he A ta A c A: komplemett: de alkode joukko, jotka evät kuulu A:ha. A B ta A\B joukkoje A ja B erotus: de alkode joukko, jotka kuuluvat A:ha mutta evät B:he. O tyhjä joukko 3

4 TAPAHTUMIEN KUVAUS JOUKKO-OPERAATIOILLA JA VENNIN DIAGRAMMEILLA A ta B tapahtuu (ta molemmat): AB A ja B tapahtuvat: A B A tapahtuu, B e: A B = A B A e tapahdu: A Jos A B= O, joukot ovat erllset el psteveraat: llä e ole yhtesä alkota. Tapahtumat A ja B ovat sllo tosesa possulkevat. 4

5 Esm. Suome kasalaste joukossa tapahtumat H = "heklö kotkuta o Helsk" L = "heklö kotkuta o Lappeerata" ovat tosesa possulkevat. De Morga kaavat: A B A B E päde se, että aak toe tapahtuu el Kumpkaa e tapahdu A B A B E päde se, että molemmat tapahtuvat el Aakaa toe e tapahdu Kaavat pätevät myös useamma jouko yhdstelle ja lekkaukslle. Esmerkk.3. Kompoett k 1,..., k muodostavat ra kytkety systeem, jos systeem tom aa, ku yksk kompoett tom. Kompoett muodostavat sarjaa kytkety systeem, jos systeem tom va, ku kakk kompoett tomvat. Olkoot tettyy akaväl lttyvät tapahtumat A = "kompoett k tom". Lausu seuraavat tapahtumat tapahtume A avulla: a) Ra kytketty systeem tom. b) Ra kytketty systeem e tom. c) Sarjaa kytketty systeem tom. d) Sarjaa kytketty systeem e tom..3. TODENNÄKÖISYYS Tapahtuma A todeäkösyyttä (probablty) merktää P(A):lla. Todeäkösyys lmotetaa lukua välltä [0,1] ta prosettea. Todeäkösyys vodaa määrttää tlateesta rppue erlaslla tavolla, jotka evät ole kutekaa tosesa possulkeva. KLASSINEN TODENNÄKÖISYYS Klasse todeäkösyyde määrttely soveltuu, ku kakk alkestapahtumat ovat symmetrsä, yhtä mahdollsa ("yhtä todeäkösä"). Merktää N = kakke alkestapahtume lukumäärä N A = A: alkestapahtume lukumäärä el A:lle suotuse alkestapahtume lukumäärä Tapahtuma A todeäkösyys o N A P(A) N el suotuse alkestapahtume suhteelle osuus. Määrttely soveltuu va äärells joukkoh, mutta se vodaa ylestää äärettöm, mtattav joukkoh tarkastelemalla lukumäärä sjasta ptuutta, pta-alaa, tlavuutta je. Tällö puhutaa geometrsesta todeäkösyydestä, ks. esm..6. 5

6 Esmerkk.4. Nopahetto: kakk luvut 1,,3,4,5,6 ovat yhtä todeäkösä. Tapahtuma A = "kolmella jaolle luku" = {3, 6} todeäkösyys o sllo P(A) = /6 = 1/3. TILASTOLLINEN ELI SUHTEELLISIIN FREKVENSSEIHIN PERUSTUVA TODENNÄKÖISYYS Tlastolle todeäkösyys o raja-arvo, jota tapahtuma suhteelle osuus koesarjassa lähestyy, ku koetta tostetaa (ta lmö tostuu) loputtom. Esmerkks opahetossa kolmella jaollste lukuje suhteelle osuus o suullee 1/3, ku opahettoje määrä o hyv suur. Lyhyessä hettosarjassa osuus saattaa poketa paljok arvosta 1/3. Ogelmaa o tämä raja-arvo määrttely, sllä kysymys e ole matemaattsesta raja-arvo kästteestä. Käytäössä tostoja vodaa tehdä va äärelle määrä, olkoo se. Jos (A) o de kokede lukumäärä jotka atovat tulokse A, o P(A) (A) Jos todeäkösyys o määrtettävä tlastollsest, o käytettävä rttävä laajaa aestoa, jotta tulos ols luotettava. Esmerkk.5. Teolle kappaletuotato. Mllä todeäkösyydellä sattumavarasest pomttu tuote o valle? Todeäkösyys o vallste suhteelle osuus tostettaessa pomtaa äärettömä mota kertaa samalasssa olosuhtessa, ts. suhteelle osuus koko tuotaossa. Oletetaa että o pomttu =1000 satuasta tuotetta, sattumavarasa akoa, ja havattu äde joukossa 1 vallsta. Vallse todeäkösyyde arvodaa oleva o 1/1000 = 0.01 = 1. %. GEOMETRINEN TODENNÄKÖISYYS Jos -ulottesesta joukosta valtaa pste X umpmähkää el ste, että kaklla pstellä o sama valtamahdollsuus (pomtatodeäkösyys), ja A o jok : osajoukko, P(X A) m(a) m( ) mssä m o jouko -ulottee mtta (ptuus, pta-ala, tlavuus je.). Määrttely perustuu todeäkösyyde frekvesstulktaa, mutta se o myös ylestys klassse todeäkösyyde määrttelyy, kute aemm huomautett. Esmerkk.6. Kaks ystävystä ovat sopeet, että he saapuvat louasakaa tety ravtola etee ja louastavat yhdessä, jos tapaavat tosesa. Kumpk valtsee saapumsajakohda täys sattumavarasest klo 1.00 ja välltä. Esks saapuva odottaa ravtola edessä tasa 10 muutta, jos toe e ole pakalla. Kuka suurella todeäkösyydellä ystävykset tapaavat tosesa? Vastaus: 11/36. 6

7 SUBJEKTIIVINEN TODENNÄKÖISYYS P(A) = uskomukse aste A: tapahtumselle Esmerkkejä: "Mahdollsuus, että etttuttava suostuu tapaamsee es vkoloppua, o 70 %". "SaPa vottaa Ässät seuraavassa ottelussa 5 %: varmuudella." Mllä todeäkösyydellä vde vuode ssällä sattuu hmshekä vaatva ydvomalaoettomuus? Subjektvsta todeäkösyyttä joudutaa käyttämää tlatessa, jossa tapahtuma o autkertae ekä koetta voda tostaa. Ns. bayesläe tlastotede perustuu subjektvs todeäkösyyks, esm. Bayes-verkkoje lasketa. Subjektvsee todeäkösyyde määrttelyy o suhtauduttava varoe, etek jos stä käytetää hyväks päätökseteossa..4. TODENNÄKÖISYYDEN AKSIOMAATTINEN MÄÄRITTELY Ollaksee hyv määrtelty, todeäkösyyde tulee täyttää erätä ylesest hyväksyttyjä omasuuksa, aksoomeja. Todeäkösyyttä P vodaa ptää otosavaruude mttaa, joka o toteutettava seuraavat suhteellse estymsfrekvess omasuudet: TODENNÄKÖISYYDEN PERUSOMINAISUUDET (AKSIOOMAT) A1. 0 P(A) 1 jokaselle tapahtumalle A S. A. P(S) = 1 ("varma tapahtuma") A3. Jos A ja B ovat erllset (tosesa possulkevat) tapahtumat el A B= O, A ta B tapahtuu todeäkösyydellä P(AB) = P(A) + P(B). Omasuudet A1-A3 ovat äärellse todeäkösyysketä aksoomat. Ku S o ääretö joukko, vaadtaa lsäks: A3'. Jos A 1,A,... ovat tosesa possulkeva tapahtuma el A A j = O ku j, P(A 1 A. ) = P(A 1 ) + P(A ) +... SEURAUSOMINAISUUKSIA Seuraavat omasuudet vodaa osottaa aksoome A1-A3 perusteella: () Mahdoto tapahtuma: P( O ) = 0 () () (v) Komplemetttapaukse todeäkösyys: P( A ) = 1 P(A) Jos A B el A:sta seuraa B, P(A) P(B) A ta B tapahtuu: P(AB) = P(A) + P(B) P(AB) 7

8 (v) A tapahtuu, B e: P(A B) = P(A) P(AB). Myös ä: P(A B) = P(AB) P(B) Esmerkk.7. Valtaa koeheklö ta haastateltava Suome kasalassta. Oletetaa, että opskeljota o o 8 % väestöstä ja alle 30-vuotade osuus väestöstä o 36 %. Alle 30- vuotata opskeljota o 7 % koko väestöstä. Merktää tapahtuma A = "opskelja" B = "alle 30-vuotas" Tedetää todeäkösyydet P(A) = 0.08, P(B) = 0.36 ja P(A B) = Laske, mllä todeäkösyydellä heklö a) e ole opskelja? b) o vähtää 30-vuotas opskelja? c) vähtää 30-vuotas, e opskelja? Ratkasu (prrä kuvat): a) P( A ) = = 0.9 b) P( A B ) = P(A B) = P(A) P(AB) = = c) P( A B ) = P( A B ) = 1 P(AB) = 1 [P(A) + P(B) P(AB)] = 1 ( ) = Ku alkestapauksa o äärelle ta umerotuva määrä (ts. e ovat lueteltavssa), o kyseessä dskreett todeäkösyysmall. Ku alkestapauksa o ylumerotuva määrä (esm. jok reaallukuväl), o kyseessä jatkuva todeäkösyysmall. Jatkuvaa tapauksee palataa jakaume yhteydessä; seuraavassa tarkastellaa dskreettä tapausta. TODENNÄKÖISYYDEN LASKEMINEN ALKEISTAPAHTUMIEN AVULLA Olkoo otosavaruus äärelle, S = {e 1, e,...,e }, ta umerotuvast ääretö, S = {e 1, e,...} ja alkestapahtume todeäkösyydet lukuja P(e ) = p, mssä 0 p 1 ja p = 1. Tapahtuma A S todeäkösyys o 8

9 P (A) ea P(e Dskreetssä tapauksessa ss ) Tapahtuma A todeäkösyys saadaa summaamalla A:ha kuuluve alkestapahtume todeäkösyydet. Klassse todeäkösyyde mukae kaava saadaa myös edellse perusteella: Jos äärellse otosavaruude S = {e 1, e,...,e N } kakk alkestapahtumat ovat yhtä todeäkösä, P(e ) = p = N 1 ja tapahtuma A S todeäkösyys o P(A) = A: alkestapauste lkm N 1 = N A /N Tämä o sekä klassse että frekvesstulka mukae todeäkösyys..5. KOMBINATORIIKKAA TULOPERIAATE: Jos jok operaato o mahdollsta suorttaa p er vaheessa ja :essä vaheessa o er valtamahdollsuutta (=1,...,p), er vahtoehtoja o p 1 1 p kappaletta. PERMUTAATIOT, VARIAATIOT JA KOMBINAATIOT: -alkose jouko permutaato o jouko alkosta muodostettu järjestetty joo k-varaato o jouko k-alkoe järjestetty joo k-kombaato o jouko k-alkoe osajoukko. Er yhdstelme lukumäärät: -alkosella joukolla o! = (-1) 1 er permutaatota (! o : kertoma). Perustelu: Tuloperaattee mukaa 1. alko vodaa valta tavalla,. alko -1 tavalla je. ja vmee alko yhdellä tavalla. -alkosella joukolla o () k = (-1) (-k+1) =! / (-k)! er k-varaatota. Perustelu: Tuloperaate. -alkosella joukolla o 9

10 k! k!( k)! (mtys: bomkerro yl k:) er k-kombaatota. Perustelu: Jokae k-alkoe joukko vodaa järjestää el permutoda k! er tavalla, jote k- varaatota o k! kertaa k-kombaatode määrä ja kombaatota ss varaatode määrä jaettua k!:lla. TODENNÄKÖISYYKSIEN LASKEMINEN: Alkestapahtumks valtaa tlatee mukaa joko varaatot ta kombaatot se mukaa oko järjestyksellä välä va e. Ku otos pomtaa "umpmähkää", o jokasella k- varaatolla keskeää yhtäsuur pomtatodeäkösyys, samo kaklla k-kombaatolla. Erlaste tapahtume todeäkösyydet vodaa tällö laskea klassse todeäkösyyde el tasase todeäkösyysmall mukasest alkestapahtume lukumääre suhteea: suotuse alk.tap. lkm kakke alk.tap. lkm Esmerkk.8. Arvamyyjällä o N arpaa, josta vottoarpoja o m kpl. Asakas ostaa arpaa. Mllä todeäkösyydellä hä saa k vottoarpaa? N Otetaa alkestapauksks kappalee kombaatot N: arva joukosta, jota o kpl. m k vottoarpaa vodaa valta m: joukosta er tavalla k N m loput -k e-vottoarpaa vodaa valta er tavalla. k Tuloperaattee ojalla suotusa kombaatota, el sellasa arpayhdstelmä, jossa o k vottoarpaa ja -k e-vottoarpaa, o m N k m k kappaletta. Koska arvat valtaa umpmähkää, o jokae yhdstelmä yhtä mahdolle, jote todeäkösyys saada k vottoa o P("k vottoa") = m k N N m k. Vottoje lukumäärä saotaa oudattava hypergeometrsta jakaumaa parametre N, m,. Esmerkk.9. Tlastomatematka opettaja o ataut opskeljolle 5 tetttehtävää ratkasuee ja luvaut valta tästä kokoelmasta 5 kysymystä seuraavaa tett täys satuasest. Optmste opskelja päättää selvtä helpolla ja opskelee ulkoa 10 helpota tärppä. Mllä todeäkösyydellä hä pääsee tetstä läp, jos läppääsyrajaa o 3 oke? 10

11 Ratkasu: Merktää N = 5 tehtäve määrä m = 10 opskelja tärpt = 5 opettaja valtsemat tettkysymykset Erlasa tettejä vodaa muodostaa N 5 5 5! 5! 0! = P("k oke") = P("kymmeee tärpp osuu k vdestä tettkysymyksestä") m N m = k k k 5 k N 5 5 P("tett läp") = P("3, 4 ta 5 oke") = P( 3 oke ) + P( 4 oke ) + P( 5 oke ) 1015 P( 3 oke ) = P( 4 oke ) = P( 5 oke ) = = 0.37 = = jote P("tett läp") = = el o 30 %: mahdollsuus..6. EHDOLLINEN TODENNÄKÖISYYS Ehdolle todeäkösyys tarkottaa jok tapahtuma todeäkösyyttä, ku satuaskokee tuloksesta jo tedetää jota. Tapahtuma A ehdolle todeäkösyys ehdolla B o P(A B) P(A B) ku P(B) 0. P(B) 11

12 Tulkta: A: todeäkösyys (suhteelle osuus) perusjoukossa B A: todeäkösyys, jos B varma omasuude A toteuttave alkestapauste suhteelle osuus de alkestapauste joukossa, jolla o omasuus B Kertosäätö: P(A B) P(B)P(A B) P(A)P(B A) Ylestys: Jos P(A 1 A... A -1 ) > 0, P(A 1 A... A ) = P(A 1 )P(A A 1 )P(A 3 A 1 A ) P(A A 1 A...A -1 ) Huom. Ehdolle todeäkösyys toteuttaa todeäkösyyde perusomasuudet, esm. P( A B) = 1 P(A B) je. Esmerkk.10. Opskeljota o o 8 % väestöstä ja alle 30-vuotade osuus väestöstä o 36 %. Alle 30-vuotata opskeljota o 7 % koko väestöstä. Estetää joku seuraavsta kysymyksstä: Jos satuae koeheklö osottautuu alle 30-vuotaaks, mllä todeäkösyydellä hä o opskelja? Jos valtaa satuae koeheklö alle 30-vuotade suomalaste joukosta, mllä todeäkösyydellä hä o opskelja? Mkä o opskeljode suhteelle osuus alle 30-vuotasta? Kakssa ässä tapauksssa o kyse samasta ehdollsesta todeäkösyydestä: Merktää tapahtuma A = "opskelja" B = "alle 30-vuotas" Tedetää todeäkösyydet P(A) = 0.08, P(B) = 0.36 ja P(A B) = 0.07, jote kysytty todeäkösyys (el suhteelle osuus) o P(A B) = P(AB)/P(B) = 0.07 / TILASTOLLINEN RIIPPUMATTOMUUS Tapahtumat A ja B ovat keskeää rppumattomat, jos ja va jos (R) P(A B) P(A)P(B) el jos (R1) P(A B) P(A) ku P(B) 0 el jos (R) P(B A) P(B) ku P(A) 0 1

13 Tulkta: tose sattume (varmast) e vakuta tose todeäkösyytee tapahtumat evät ole mssää vuorovakutuksessa keskeää A: todeäkösyys (suhteelle osuus) joukossa B o sama ku koko otosavaruudessa S B: todeäkösyys (suhteelle osuus) joukossa A o sama ku koko otosavaruudessa S Rppumattomuude määrtelmää vodaa soveltaa jompaa kumpaa suutaa: Jos A: ja B: rppumattomuus o selvää (muulla tavo perusteltavssa), laskukaavoja (R), (R1) ta (R1) vo käyttää. Jos et tedä tapahtuma rppumattomks, tulokaavaa (R) e vo käyttää todeäkösyyde P(AB) laskemseks! Käytä esm. kaavaa P(AB) = P(A) + P(B) P(AB). Jos taas tuetaa rppumattomuude määrtelmää (R), (R1) ta (R) kuuluvat todeäkösyydet, rppumattomuus ta rppuvuus vodaa päätellä tarkastamalla kaava pakkasaptävyys. Ylestys: Tapahtumat A 1,A,...,A ovat täydellsest rppumattomat, jos P( I A ) P(A ) I kaklla dekskombaatolla I {1,...,}. Huomautuksa: Täydellsestä rppumattomuudesta seuraa tapahtume A ja A j parttae rppumattomuus, mutta e käätäe. A ja B rppumattomat A ja B rppumattomat A ja B rppumattomat je. Esmerkk.11. Opskeljota o o 8 % väestöstä ja alle 30-vuotade osuus väestöstä o 36 %. Alle 30-vuotata opskeljota o 7 % koko väestöstä. Merktää A = "opskelja" B = "alle 30-vuotas" Ovatko A ja B rppumattomat? P(A)P(B) = = = P(AB), jote tapahtumat evät ole rppumattomat.. Vahtoehtoe perustelu: Esmerk.10 perusteella P(A B) P(A), jote tapahtumat evät ole rppumattomat. Käytäöllsemm lmastua: uorsta opskelee suuremp osuus ku koko väestöstä (ta akussta). Esmerkk.1. Suome kasalaste joukossa tapahtuma A = "opskelja" C = sytyyt elokuussa vodaa ptää rppumattoma, ja elokuussa sytyede opskeljode osuus koko väestöstä o P(A)P(C). Huomo: Tosesa possulkevat tapahtumat evät ole rppumattoma! 13

14 RIIPPUMATTOMAT SATUNNAISKOKEET Rppumattomuude kästettä vodaa soveltaa myös er satuaskokede yhdstelm ts. kokes, jossa o er otosavaruudet. Satuaskokeet ovat rppumattoma, jos tose tulos e vakuta tose tulokse todeäkösyyks. Kokede suortusjärjestyksellä e ole välä. Tehdää kaks rppumatota satuaskoetta, jode otosavaruudet ovat S 1 ja S. Jos AS 1 ja BS ovat äde tulosmahdollsuuksa (tapahtuma), P(A ja B) = P(A)P(B). Tapahtumaa "A ja B" merktää symbollla AB (joukkoje karteese tulo) Esmerkk.13. Hetetää rahaa ja oppaa. Laskettava todeäkösyys, että rahahetosta saadaa klaava ja opa slmäluku o parlle. Esmerkk.14. Vomala geeraattorede pyörttämsee käytetää härötlateessa kolmea moottora 1,, ja 3, jode tuls va lmaatuessa käystyä automaattsest ja tosstaa rppumatta. Tyyppä 1 oleve moottore käystymstodeäkösyys o 99 %, ku taas moottore ja 3 käystymstodeäkösyys o va 90 %. Mllä todeäkösyydellä härötlateessa a) aak yks moottor käystyy? b) täsmällee kaks moottora käystyy? Alkestapauksa ovat kakk er tapahtumavahtoehdot: S = {KKK, KKE, KEK, EKK, KEE, EKE, EEK, EEE} mssä K vastaa käystyvää, E e käystyvää moottora. Huom. P("e käysty") = 1 - P("käystyy ) Oletetaa, että moottort keskeää täydellsest rppumattoma, jollo alkestapahtume todeäkösyydet lasketaa tuloa: P(KKK) = = P(KKE) = = P(KEK) = = P(EKK) = = P(KEE) = = P(EKE) = = P(EEK) = = P(EEE) = = a) P("aak yks käystyy") = 1 P("ykskää e käysty") = 1 P(EEE) = = b) P("kaks moottora käystyy") = P({KKE,KEK,EKK}) = P(KKE) + P(KEK) + P(EKK) = =

15 .8. KOKONAISTODENNÄKÖISYYS JA BAYESIN KAAVA Oletetaa, että otosavaruus S jakaatuu erlls osttes A 1, A,..., A el S = A 1 A... A ja A A j = O, ku j. Tämä tarkottaa että jokae alko kuuluu täsmällee yhtee joukosta A. Oletetaa, että tuetaa erää tapahtuma B todeäkösyydet joukossa A. Sllo vodaa laskea tapahtuma B kokoastodeäkösyys: P(B) = P(A 1 )P(B A 1 ) P(A )P(B A ) Perustelu: Koska B = BS = B(A 1 A... A ) = (BA 1 ) (BA ), ja yhdstee joukot ovat erllsä, saadaa yo. kaava soveltamalla säätöä P(BA ) = P(A )P(B A ). Edellsestä seuraa Bayes kaava, jolla lasketaa kääteset ehdollset todeäkösyydet: P(A B) P(A )P(B A ) P(B) P(A )P(B A ) P(A )P(B A )... P(A 1 1 )P(B A ) Esmerkk.15. Kolme koetta valmstaa lastölkkejä. Esmmäe koe valmstaa 40 % kaksta tölkestä ja se tuotaosta o 3 % vallsa. Toe koe valmstaa 30 % tölkestä ja se tuottaa vallsa %. Kolmae koee tuotaosta o vallsa 1 %. a) Motako prosetta koko tuotaosta o vallsa? b) Jos satuasest valttu tölkk paljastuu vallseks, mllä todeäkösyydellä se o peräs esmmäsestä koeesta? Tedetää P(K1)=0.4 P(V K1)=0.03 P(K)=0.3 P(V K)=0.0 P(K3)=0.3 P(V K3)=0.01 a) P(V) = P(K1)P(V K1) + P(K)P(V K) + P(K3)P(V K3) = = 0.01 b) P(K1 V) = P(K1)P(V K1)/P(V) = / 0.01 = Esmerkk.16. Väestöstä 0.1 % o erää vrukse kataja. Laboratorotest vrukse toteamseks ataa okea (postvse) tulokse todeäkösyydellä 0.99, jos heklö o vrukse kataja. Jos heklö o terve, test ataa okea (egatvse) tulokse todeäkösyydellä Jos satuasest valttu heklö testataa ja tulos o postve, mllä todeäkösyydellä heklö todella o vrukse kataja? Vastaus:

16 3. JAKAUMAT Satuasmuuttuja o muuttuja, joka arvo koetta ta mttausta tostettaessa vahtelee ealta arvaamattomast, jok satuasmekasm mukaa. Esm. sytyvä lapse sukupuol, opa heto tulos, kahde opa slmälukuje summa, tlaukse tomtusaka, tuottee kestokä, vallste tuottede määrä tuotatoerässä, koee käyttökatkoje määrä vuorokaudessa. Satuasmuuttuja jakauma o mall, joka kuvaa satuasmuuttuja arvoje vahtelua ptkällä tähtämellä, koko perusjoukossa. Jakauma lmastaa pstetodeäkösyysfukto (probablty fucto), theysfukto (probablty desty fucto) ta kertymäfukto (cumulatve dstrbuto fucto) avulla. Jakauma el satuasmuuttuja er arvoje ta arvojoukkoje todeäkösyys palautuu otosavaruude todeäkösyysmttaa P, dskreetssä tapauksessa alkestapauste todeäkösyyks. Merktää satuasmuuttuja solla krjamlla (X, Y je.) ja satuasmuuttuja arvoja umerolla ta pellä krjamlla. Sllo esm. lauseke "X=x" merktsee otosavaruudessa de alkestapauste joukkoa, jolla muuttuja X saa arvo x. Esmerkssä.1. todett, että jos X = vallste lamppuje lukumäärä 4 lampu rasassa, tapaus X=3 vastaa otosavaruude osajoukkoa {kvvv, vkvv, vvkv, vvvk} DISKREETTI SATUNNAISMUUTTUJA Satuasmuuttuja X o dskreett, jos sllä o äärelle ta umerotuvast ääretö määrä mahdollsa arvoja. Arvot ovat yleesä kokoaslukuja, esmerkks kappalemäärä. Esmerkkejä: opa heto tulos, vallste tuottede määrä tuotatoerässä, palvelupsteesee saapuve asakkade määrä vuorokaudessa. Pstetodeäkösyysfukto p(x) = P(X=x) lmasee kakke mahdollste arvoje todeäkösyydet el se määrttää X: jakauma. Pstetodeäkösyysfukto tarvtsee määrtellä va mahdollste arvoje joukossa (muualla = 0). Jakauma kertymäfukto F psteessä x o todeäkösyys, että satuasmuuttuja arvo o korketaa x, el F(x) P(X x) Kertymäfukto o määrtelty kaklla reaalluvulla. Jos satuasmuuttuja X mahdollset arvot ovat x 1, x,..., kertymäfukto lasketaa summaamalla pstetodeäkösyyksä pemmästä arvosta lähte arvoo x ast: F (x) x x p(x ) 16

17 Esmerkk 3.1. Olkoo X = koee käyttökatkoje määrä vuorokaudessa. Oletetaa, että seuraavat todeäkösyydet o määrtetty (suhteellsa frekvesseä ptkällä akavälllä): p(0) = P(X=0) = 0.45 p(1) = P(X=1) = 0.30 p() = P(X=) = 0.15 p(3) = P(X=3) = 0.06 p(4) = P(X=4) = 0.04 Jakauma o havaollsta esttää pylväsdagramma: Jakauma kertymäfukto o 0 ku x ku 0 x ku 1 x F (x) 0.90 ku x ku 3 x 4 1 ku x 4 Esmerkks todeäkösyys että vuorokaudessa o korketaa katkoa o P(X ) = F() = 0.9 Todeäkösyys, että vuorokaudessa o vähtää 3 katkoa o kertymäfukto avulla P(X 3) = 1 P(X ) = 1 F() = =

18 DISKREETIN JAKAUMAN OMINAISUUKSIA: 1. 0 p(x) 1. p (x) 1 (summaus yl kakke mahdollste arvoje) x 3. Dskreet satuasmuuttuja kertymäfukto o kasvava, okealta jatkuva porrasfukto. 4. P(a < X b) = P(X b) P(X a) = F(b) F(a). Jos X saa va kokoaslukuarvoja ja a<b kokoaslukuja, b P(a X b) = p (x) = F(b) F(a 1). xa Mkä tahasa arvojouko A todeäkösyys saadaa summaamalla kakke se arvoje todeäkösyydet: P (X A) xa p(x) Esmerkk 3.. Tarkastellaa esmerk.14. kolme moottor järjestelmää. Olkoo satuasmuuttuja X käystyve moottore lukumäärä. Mkä o X: jakauma? Todeäkösyydet saadaa esmerkssä.14. laskettuje alkestapauste todeäkösyykse avulla: P(X=0) = P(EEE) = P(X=1) = P(KEE) + P(EKE) + P(EEK) = = P(X=) = P(KKE) + P(KEK) + P(EKK) = = P(X=3) = P(KKK) = Nämä arvot määrttävät X: jakauma, joka vodaa esttää alla olevaa taulukkoa. Taulukossa laskettu lsäks kertymäfukto arvot kokoaslukupstessä. k Todeäkösyys Kertymäfukto p(k) = P(X=k) F(k) = P(Xk) JATKUVA SATUNNAISMUUTTUJA Jatkuvalla satuasmuuttujalla o ylumerotuva määrä mahdollsa arvoja, esm. jok reaallukuväl, postve reaalaksel ta koko reaallukuje joukko R. Esm. kappalee massa ja ptuus, tuottee kestokä, tuulessa kaatuva puu suutakulma, tlaukse tomtukse myöhästymsaka, jatkuva suuree mttausvrhe. Er arvoje todeäkösyyttä e sllo voda 18

19 määrtellä pstettä. Olkoo X yt jatkuva satuasmuuttuja. Se arvoje jakautumsta kuvaa e-egatve theysfukto (el todeäkösyystheys) f(x), josta er arvoväle todeäkösyydet saadaa tegromalla. Jakauma kertymäfukto o F (x) P(X x) x f (t)dt el x-aksel ja theysfukto väl jäävä pta-ala alarajalta (-) arvoo x ast. Väl a X b todeäkösyys o P (a X b) f (t)dt. Esmerkk: Vvotetu aluee pta-ala o a) F(a) = P(X a) b a b) P(a X b) Huomautus: Kakssa tegraalessa tegrodaa va yl se väl, jossa f(x)>0. 19

20 JATKUVAN JAKAUMAN OMINAISUUKSIA: 1. f(x) 0. f (x)dx 1 3. Jatkuva jakauma kertymäfukto F(x) o jatkuva, kasvava fukto ja lm F(x) 0, lm F(x) 1. x x F (x) = f(x) sllo ku F o dervotuva. b 4. P(a X b) = P(a < X b) = P(a X < b) = P(a < X < b) = F(b) F(a) = f (x)dx a Arvojouko A todeäkösyys saadaa tegromalla yl tämä jouko: P (X A) A f (x)dx 5. a P(X=a) = f (x)dx = 0 kaklle lukuarvolle a. a Yksttäse arvo todeäkösyydestä e ole melekästä puhua. Vodaa saoa, että arvo a o mahdolle jos ja va jos f(a)>0. Esmerkk 3.3. (Mlto & Arold) Oletetaa, että erää bes lyjyptosuus X vo vahdella välllä g/l ja se jakauma theysfukto o f (x) 1.5x ku 0.1 x 0.5 muualla a) Mkä o jakauma kertymäfukto? Kertymäfukto o määrtelmä mukaa F (x) P(X x) x f (t)dt 0

21 Ku x<0.1, F(x)=0. Ku 0.1 x 0.5, x F(x) = ( 1.5t 1.5)dt = / (6.5t 1.5t) = 6.5x - 1.5x x 0.1 Ku x>0.5, F(x)=1, koska mahdollse vahteluväl ylärajalla F(0.5)=1 ja tämä jälkee theysfukto o 0. (Rttää lmottaa kertymäfukto sllä mahdollste arvoje välllä, jolla theysfukto o postve.) b) Mllä todeäkösyydellä satuase besltra lyjyptosuus o välllä g? Tämä vodaa laskea joko tegromalla theysfuktota ta suoraa kertymäfukto avulla: P(0. X 0.3) = f (t)dt = ( 1.5t 1.5)dt =... = ta P(0. X 0.3) = F(0.3) F(0.) = ( ) ( ) =

22 3.3. ODOTUSARVO JA VARIANSSI Odotusarvo ja varass ovat keskesmmät jakaumaa kuvaavat tuusluvut. Odotusarvo (mea, expected value, expectato) o satuasmuuttuja jakauma keskarvo, "todeäkösyysmassa" paopste. Merktä:, E(X) ta EX. Varass (varace) ja se elöjuur, keskhajota el hajota (stadard devato), kuvaavat satuasmuuttuja arvoje vahtelua ja levesyyttä odotusarvo ympärllä. Varass merktä:, D (X), D X ta Var(X). DISKREETTI SATUNNAISMUUTTUJA Olkoo X dskreett satuasmuuttuja, joka mahdollset arvot ovat x 1, x,... todeäkösyyks p(x 1 ), p(x ),... Odotusarvo: EX x p(x ) Varass: D X E (X ) (x Hajota: DX ) p(x ) JATKUVA SATUNNAISMUUTTUJA Olkoo X jatkuva satuasmuuttuja, joka theysfukto o f(x). Odotusarvo: EX x f (x) dx Varass: D X E (X ) (x ) f (x) dx Hajota: DX Laskettaessa tegrodaa yl se väl, jossa f(x)>0. Odotusarvo ja hajoa yksköt ovat X: ykskötä, varass yksköt ovat X: yksköde elötä. Huom: hajota ja varass aa e-egatvsa. Vodaa osottaa, että E[(X µ) ] = E(X ) µ, josta saadaa varasslle käs laskettaessa kätevämp kaava: x p(x ), ku X dskreett x f (x)dx, ku X jatkuva.

23 OMINAISUUKSIA (pätevät sekä dskreetlle että jatkuvalle satuasmuuttujalle): 1. E(X+Y) = EX +EY. E(aX) = a EX E(a) = a ku a o vako. 3. Ku X ja Y ovat rppumattoma satuasmuuttuja, D (X+Y) = D X + D Y D (X Y) = D X + D Y. Yleesä D(X+Y) DX + DY. 4. D (ax) = a D X D (a) = 0 ku a o vako. 5. Ylestys: Jos X 1, X,...,X ovat tosstaa rppumattoma satuasmuuttuja ja a 1,...,a ovat vakota, E(a 1 X 1 + a X a X ) = a 1 E(X 1 )+a E(X )+...+ a E(X ) D (a 1 X 1 + a X a X ) = a 1 D (X 1 )+a D (X )+...+ a D (X ) 6. Jos g(x) o satuasmuuttuja X fukto, g(x) o myös satuasmuuttuja, joka jakauma määräytyy X: jakaumasta ja E(g(X)) = g (x, ku X dskreett )p(x ) E(g(X)) = g (x)f (x)dx, ku X jatkuva. Esmerkk 3.4. Olkoo X koee käyttökatkoje määrä vuorokaudessa, jakaumaa p(0) = 0.45 p(1) = 0.30 p() = 0.15 p(3) = 0.06 p(4) = 0.04 Odotusarvo: Varass: 4 EX x p(x) = = 0.94 x0 D X 4 x0 x p(x) = = Hajota: = Jos yhdestä käyttökatkosta aheutuu kteä kustaus, esm. 50, kustauste C = 50X odotusarvo o E(C) = E(50X) = 50 E(X) = 47 vuorokaudessa. 3

24 Esmerkk 3.5. Lasketaa bes lyjyptosuude odotusarvo esmerk 3.3. jakaumasta x (1.5x 1.5)dx = / ( x x ) = = g/l. Laske lyjyptosuude hajota. Vastaus: = g/l. Esmerkk 3.6. Olkoo X opa heto tulos. Laske satuasmuuttuja g(x) = 1/X odotusarvo. X: jakauma o p(x) = 1/6, x=1,,3,4,5,6. Omasuude 6 mukaa E p(x)... = X x1 x Huomautus: EX = 3.5, jote E(1/X) 1 / EX DISKREETTEJÄ JAKAUMIA BINOMIJAKAUMA Beroull koe o satuaskoe, jolla o kaks vahtoehtosta tulosta: tapahtuma A sattuu ta e. Tulokset vovat olla esm. koe ostuu ta e, tuote valle ta e, kytk k ta auk je. Olkoo satuasmuuttuja X = 1, ku A tapahtuu 0, ku A e tapahdu Jos A tapahtuu todeäkösyydellä p, X oudattaa Beroull jakaumaa parametrlla p, merk. X ~ Beroull(p). Se pstetodeäkösyysfukto o P(X=0) = 1 p P(X=1) = p Tostetaa kertaa koetta, jossa tapahtuma A todeäkösyys o p, ste että tostot ovat rppumattoma. Tapahtuma A estymskertoje lukumäärä : kokee joukossa oudattaa tällö bomjakaumaa parametre ja p. Jakauma pstetodeäkösyysfukto o P(X x) p x (1 p) x x x = 0,1,..., Merktä: X ~ B(, p) Luetaa: X oudattaa bomjakaumaa parametre ja p 4

25 Odotusarvo: EX = p Varass: D X = p(1-p) Todeäkösyyde lasketakaava perustellaa seuraava esmerk yhteydessä. Huom. B(1,p)-jakauma o sama ku Beroull(p)-jakauma ja B(, p)-satuasmuuttuja o : rppumattoma Beroull(p)-satuasmuuttuja summa. Odotusarvo ja varass kaava vodaa osottaa helpost Beroull jakauma avulla. Esmerkk 3.7. Olkoo X vallste lamppuje määrä 4 kappalee rasassa. Oletetaa, että tuotatoprosessssa sytyy vallsa lamppuja keskmäär 10 %. Kyseessä o tällö tostokoe, mssä = 4 ja vallse lampu todeäkösyys p = 0.1. Koketa vodaa ptää rppumattoma, olettae että lamput o pomttu sattumavarasest. Vallste määrä oudattaa ss bomjakaumaa B(4, 0.1). Perustelu todeäkösyydelle: Alkestapahtumat ovat {kkkk,kkkv,kkvk,kvkk,vkkk,kkvv,kvkv,kvvk,vkkv,vkvk,vvkk,kvvv,vkvv,vvkv,vvvk,vvvv} ( 4 = 16 alkestapausta) Koska lamput tosstaa rppumattoma saadaa alkestapahtume todeäkösyydet tuloa. P(kkkk) = (1-p) 4 = P(kkkv) = p(1-p) 3 = (sama kaklle tapaukslle jossa 1 valle, 3 kuollsta) P(kkvv) = p (1-p) = (sama kaklle tapaukslle jossa vallsta, kuollsta) je. Esm. P(X=) = P({kkvv,kvkv,kvvk,vkkv,vkvk,vvkk})= = = Ylee tapaus: Kuk alkestapaukse, jossa tapahtuma sattuu x kertaa, todeäkösyys o p x (1-p) -x. Tällasa alkestapauksa o kpl, josta seuraa bomtodeäkösyyde kaava.. x Bomjakauma todeäkösyyksä ja kertymäfukto arvoja o taulukotu jollak parametre ja p arvolla. Edellse tehtävä todeäkösyydet saadaa suoraa taulukosta, esm. Kaks vallsta P(X=) = Korketaa vallsta P(X ) = F() = (todeäkösyystaulukko) (kertymäfukto taulukko) POISSON-JAKAUMA Olkoo satuasmuuttuja X tosstaa rppumattome, sattumavaraste tapahtume lukumäärä akaykskössä ta muussa mttaykskössä, ku tapahtumlla o keskmääräe theys. Tällase satuasmuuttuja jakaumaks sop use Posso-jakauma. Esmerkkejä Posso-jakautuesta satuasmuuttujsta: - puhelkeskuksee ta palveluumeroo saapuve puhelude lkm/m - esapuasemalle saapuve asakkade lukumäärä vuorokaudessa 5

26 - aemäärässä tapahtuve radoaktvste hajoamste lkm/m - vakave leto-oettomuukse määrä vuodessa (ku rsk e oleasest muutu) - paovrhede lkm / krja svu - bakteere lkm / tlavuusykskkö estettä Satuasmuuttuja X oudattaa Posso-jakaumaa parametrlla, jos se pstetodeäkösyysfukto o x P(X x) e x! x = 0,1,,... Merktä: X ~ Posso() ta X ~ P( ) Odotusarvo: EX = Varass: D X = Posso-jakauma todeäkösyyksä P(X = x) ja kertymäfukto arvoja F(x) = P(X x) löytyy taulukosta jollak parametrarvolla. Esm. jos X ~ Posso(3.5), P(X = 4) = (todeäkösyystaulukko) ta laskemalla P(X 4! 3.5 4! ) e e = P(X 4) = F(4) = (kertymäfukto taulukko) Posso-jakauma Bomjakauma rajajakaumaa: Ku bomjakaumassa ja p pysyy vakoa (el samalla p 0), p x x (1 p) x x ( p) p e x = 0,1,,... x! Ku o suur ja p vastaavst pe, vodaa bomtodeäkösyyksä approksmoda Posso-todeäkösyyksllä, parametra = p. Esmerkks harvaste tapahtume A määrä todeäkösyykse approksmot suuressa populaatossa, esm. harvasee, sattumavarasest skevää taut sarastuve määrä suurkaupugssa / vuos (ku kyseessä e tartutataut). Ks. Esmerkk luvussa YLEISESTI: Posso-jakauma sop lukumäärä jakaumaks tlates, jossa tapahtume keskmääräe theys e muutu mkää tomeptee johdosta, mutta yksttäset tapahtumat sattuvat täys sattumavarasest, tosstaa rppumatta, ekä tä voda eustaa (esm. oettomuudet, palvelupsteesee saapuvat asakkaat). Tällasta tapahtume jooa kutsutaa Possoprosessks ja parametr o prosess testeett. 6

27 YHTEENLASKUOMINAISUUS: Jos X ~ Posso( 1 ) ja Y ~ Posso( ) ja X ja Y ovat rppumattomat, YLEISTYS: X+Y ~ Posso( 1 ) Olkoo satuasmuuttuja X tettyje tapauste A määrä akaykskössä ja X ~ Posso(). Jos satuasmuuttuja X t = tapauste A määrä t akaykskössä (t>0) ja akavält ovat tosstaa rppumattomat, X t ~ Posso(t ). Esmerkk 3.8. Ydvomalassa sattuu havattavssa oleva radoaktve päästö satuasest, keskmäär kaks kertaa kuussa. Päästöje lukumäärä akaykskössä vodaa katsoa oudattava Posso-jakaumaa. Perustelu jakaumalle: päästöjä tulee sattumavarasest tosstaa rppumatta, keskmääräsellä theydellä = kertaa kuussa, tä e voda eustaa etukätee. Päästöje lkm kuussa X ~ Posso() EX = = a) Mllä todeäkösyydellä kuukaude akaa sattuu vähtää eljä päästöä? P(X 4) = 1 P(X 3) = 1 F(3) = = (kertymäfukto taulukosta) b) Mllä todeäkösyydellä kahde kuukaude akaa sattuu vähtää kahdeksa päästöä? Olkoo X = päästöje lkm kk:ssa: X ~ Posso() = Posso(4) P(X 8) = 1 P(X 7) = 1 F(7) = = (kertymäfukto taulukosta) c) Mllä todeäkösyydellä esmmäe päästö havataa akastaa kolme kuukaude kuluttua? P( esmmäe päästö akastaa 3 kk: kuluttua ) = P( e yhtää päästöä 3 kk: akaa ) Olkoo X 3 = päästöje lkm 3 kk:ssa: X 3 ~ Posso(3) = Posso(6) 6 k 6 P(X 3 = k) = e k! Kysytty todeäkösyys o P(X 3 = 0) = e -6 =

28 d) Johda esmmäsee päästöhavatoo kuluva aja jakauma (jatkuva jakauma!). Olkoo T esmmäse päästöhavatoo kuluva aka kuukausa. Johdetaa T: kertymäfukto. F(t) = P(T t) = 1 P(T > t) = 1 P( esmmäe päästö akastaa t kk: kuluttua ) = 1 P( e yhtää päästöä t kk: akaa ) Olkoo X t = päästöje lkm t kk:ssa, X t ~ Posso(t) = Posso(t) k ( t) t P(X t = k) = e k! Kertymäfukto o F(t) = 1 P(X t = 0) = 1 e -t ku t > 0 Theysfukto o f(t) = F (t) = e -t ku t > 0 Tämä o luvussa 3.5 kästeltävä ekspoetaaljakauma theysfukto MUITA DISKREETTEJÄ JAKAUMIA Dskreett tasajakauma: Ku satuasmuuttujalla X o äärelle määrä arvoja, jotka ovat kakk yhtä todeäkösä, X oudattaa dskreettä tasajakaumaa. Esm. opa heto tulos, joka pstetodeäkösyydet ovat P(X = x) = 1/6, x = 1,,3,4,5,6. Hypergeometre jakauma: Esmerkt Geometre jakauma: Oletetaa, että jossa satuaskokeessa tulokse A todeäkösyys o p. Koketa tostetaa kaua, kues saadaa esmmäse kerra tulos A. Tarvttave kokede määrä X oudattaa tällö geometrsta jakaumaa parametrlla p: X ~ Geom(p) Esmerkk 3.9. Hetetää oppaa kaua, että saadaa esmmäe kuutoe. Olkoo satuasmuuttuja X tarvttave hettoje lukumäärä. Johda X: jakauma JATKUVIA JAKAUMIA TASAJAKAUMA Satuasmuuttuja X, joka arvot ovat välllä (a, b) ste, että kaklla väl pstellä o yhtäläe mahdollsuus tulla valtuks, oudattaa tasajakaumaa välllä (a,b), merk. X ~ U(a, b). Esm. taskulaskme satuaslukugeeraattor ataa vällle (0, 1) tasajakautueta arvoja. Arvoväl vo olla avo, puolavo ta suljettu (koska yhde pstee todeäkösyys o 0, reuapstellä e ole merktystä). 8

29 Jakauma U(a, b) theysfukto: f (x) 1 b a 0 ku a x b muualla Kertymäfukto: F (x) 0 x - a b - a 1 ku x a ku a x b ku x b a b Odotusarvo: EX = Varass: D X = (b a) EKSPONENTIAALIJAKAUMA Satuasmuuttuja X oudattaa ekspoetaaljakaumaa parametrlla, merk. X ~ Exp(), jos se theysfukto o muotoa f (x) x e ku x > 0 (0 muualla) Expoetal Dstrbuto 1,6 Mea 0,5 desty 1, 0,8 0, ,5 1 1,5 x 9

30 Kertymäfukto: F(x) x 1 e ku x > 0. Odotusarvo: EX = 1 / Varass: D X = 1 / Ekspoetaaljakauma o ylee mm. kestoä ta vkaatumsaja jakaumaa tekkassa, saapums- ja palveluakajakaumaa joosysteemessä, esm. tetolketeessä. Ylesest: Tetyllä keskmääräsellä theydellä tapahtuve keskeää rppumattome, sattumavaraste tapauste akaväl vodaa use saoa oudattava ekspoetaaljakaumaa. Esm. radoaktvste hajoamste akaväl aemäärässä, puhelkeskuksee saapuve peräkkäste puheluje väle aka je. Ekspoetaaljakaumalla o seuraava "meesyyde uohtamsomasuus" el mustttomuus: Jos X ~ Exp(), kaklle luvulle t, h > 0 pätee, että P(X > t+h X t) = P(X > h). Jos X o esm. tuottee kestokä, todeäkösyys slle, että jo käytössä ollut tuote kestää velä h akaykskköä e rpu tähäastsesta kestosta t. Tämä omasuus kertoo oleasest, mllaste tapauste mallks ekspoetaaljakauma sop. Ekspoetaaljakaumaa ylesemp kestoä jakauma o Webull jakauma, joka ottaa huomoo myös s. lastetaudt ja vaheemse. Ekspoetaaljakauma ja Posso-jakauma yhteys: Jos X = keskeää rppumattome tapahtume A lukumäärä akaykskössä T = kahde peräkkäse tapahtuma A väle aka, X ~ Posso( ) T ~ Exp(). T vo olla myös esmmäse tapahtuma sattumsaka, ku kello käystetää melvaltasella ajahetkellä. Esmerkk Suurkaupug eräs paloasema saa hälytykse keskmäär 7 tu väle. a) Mkä vos olla hälytyste välse aja jakauma ja mks? Koska hälytykset sattuvat tosstaa rppumatta, sattumavarasest keskmääräsellä vakotheydellä, de lukumäärä vo katsoa oudattava Posso-jakaumaa ja hälytyste väle aka T oudattaa ekspoetaaljakaumaa, odotusarvoa ET = 1/ = 7 = 1/7. Jakauma kertymäfukto o F(t) = P(T t) = 1 e -t/7, ku t > 0. b) Mllä todeäkösyydellä hälytykse jälkee kuluu alle 3 tuta seuraavaa? P(T < 3) = P(T 3) = F(3) = 1 e -3/

31 c) Jos edellsestä hälytyksestä o kuluut jo 3 tuta, mllä todeäkösyydellä seuraavaa kuluu velä aak tuta? P(T 3+ T 3) = P(T ) = 1 F() = e -/ NORMAALIJAKAUMA Normaaljakauma o tärke jatkuve satuasmuuttuje jakauma. Se theysfukto kuvaajaa kutsutaa Gauss käyräks ta kellokäyräks, joka sjat ja muoto rppuvat kahdesta parametrsta, odotusarvosta ja varasssta (ta hajoasta ). Satuasmuuttuja X oudattaa ormaaljakaumaa parametre µ ja, merk. X ~ N(, ) jos X: theysfukto o muotoa f(x) 1 e (x) Odotusarvo: EX = µ Varass: D X = OMINAISUUKSIA: Odotusarvo määrää theysfukto keskkohda ja huppukohda, joka suhtee fukto o symmetre. Varass ta hajota määrää käyrä muodo: mtä suuremp, stä laveamp ja matalamp jakauma muoto; mtä peemp, stä jyrkemp ja kapeamp muoto. Theysfukto ja x-aksel väl jäävä pta-ala el tegraal yl koko reaalaksel o 1 (kute kaklla jatkuvlla jakaumlla). Arvot kasautuvat keskelle: mtä kauempaa keskkohdasta, stä harvasempa Theysfukto f(x) > 0 koko reaalaksellla, mutta esm. sellasa arvoja, jotka ovat yl 3 hajoa etäsyydellä keskkohdasta, o alle 0.3 %. Tässä kahde ormaaljakauma theysfuktode kuvaajat, parametrella 1) µ=1, =4 (vasemmapuolee käyrä) ) µ=3, =1 (okeapuolee käyrä) Normal Dstrbuto 0,4 0,3 Mea,Std. dev. 1, 3,1 desty 0, 0, x 31

32 Jakauma kertymäfuktota 1 F(x) P(X x) e e voda lausua suljetussa muodossa x (t) dt Esmerkkejä ormaaljakautuesta satuasmuuttujsta: jatkuve suurede mttausvrheet teollsuusprosessssa valmstetu tuottee laatua mttaavat jatkuvaluoteset omasuudet kute paper puhkasulujuus ta teräsvajer vetolujuus koeellsest täytety vakokokose sälö massa: kemkaalt, laotteet, eltarvkkeet kesklämpötla ta sademäärä eräässä mttauspsteessä, tettyä kuukautea jok eläpopulaato täyskasvuste aarade ta korade koko ta pao Ylesest ormaaljakauma soveltuu tapauks, jossa symmetrsyys ja em. keskttyesyys, paottume keskkohda ympärlle vomassa omasuus X muodostuu usede rppumattome tekjöde summaa (ks. Keskee rajaarvolause): esm. tuottee lujuutee vakuttaa useta tosstaa rppumattoma prosess muuttuja ja härötä sekä materaal epätasasuudesta johtuva pokkeama. Normaaljakauma ylesyyde vuoks moet tlastollse päättely meetelmät (mm. useat testsuureet) pohjautuvat tähä jakaumaa. Normaaljakauma todeäkösyykse määrttämsessä käytetää s. stadardotua el ormeerattua satuasmuuttujaa. STANDARDOITU NORMAALIJAKAUMA: µ = 0, =1 X ~ N(0,1) Normal Dstrbuto 0,4 0,3 Mea,Std. dev. 0,1 desty 0, 0, x STANDARDOINTI ELI NORMEERAUS: Jos X ~ N(µ, ), Z X ~ N(0, 1) 3

33 N(0,1)-JAKAUMAN KERTYMÄFUNKTIO: (z) P(Z z) 1 z e t dt Kute mullek jatkuvlle satuasmuuttujlle, kertymäfukto arvo psteessä z o ptaala, joka jää vaaka-aksel ja theysfukto väl alarajalta - psteesee z ast. Normaaljakauma kertymäfuktota e voda lausua suljetussa muodossa, arvot lasketaa umeersest. todeäkösyykse ja erlaste jakaumapstede (fraktle) arvoja saa taulukosta, laskmella ta tetokoeohjelmlla. Ee taulukode käyttöä o aa suortettava arvoje stadardot el ormeeraus. Taulukosta saadaa kertymäfukto (z) arvoja postvslla z. Koska theysfukto o symmetre orgo suhtee, o ( z) = 1 (z). TODENNÄKÖISYYKSIEN LASKEMINEN: Olkoo X ~ N(µ, ) ja Z = (X- µ)/, jollo Z ~ N(0,1). Olkoo a ja b reaallukuja. Sllo P (X X a) P a a a PZ P (a a X b) P X b a P Z b b a Huomautuksa: Normaaljakauma todeäkösyyslausekkeet pyrtää aa saattamaa muotoo jossa o kertymäfukto (z) = P(Z z) postvsella arvolla z > 0. Sllo vodaa käyttää taulukota. Älä opettele edellsä kaavoja ulkoa! Esmerkk Normaaljakauma taulukode käyttö: a) Oletetaa, että X ~ N(0,1). Määrää tapahtume X 1.96, X 1.35 ja X - todeäkösyydet. b) Oletetaa, että X ~ N(3, ). Laske todeäkösyydet P(X 5) ja P(1.5 X 3.0). c) Oletetaa, että X ~ N(3, ). Määrää luku c ste, että P(X c) = Ratkasu: a) X ~ N(0,1). P(X 1.96) = (1.96) =

34 P( X 1.35) = P(X 1.35 ta X 1.35) = P(X 1.35) + P(X 1.35) = P(X 1.35) (symmetra) = [1 P(X 1.35)] = [ 1 (1.35)] = ( ) = P(X ) = (.00) = 1 (.00) = = 0.08 b) X ~ N(3, ) X X 3 Stadardotu muuttuja Z ~ N(0, 1) P(X 5) = X P = P(Z 1) = (1.00) = X P(1.5 X 3.0) = P = P( 0.75 Z 0) = P(0 Z 0.75) (symmetra) = (0.75) (0) = = c) X ~ N(3, ). c 3 c 3 c 3 P(X c) = P Z 1 PZ 1 = 0.10 c Taulukko: (1.816) = 0.90 Merktää z 0.90 = 1.816, jakauma 0.9-fraktl. 34

35 c c = Esmerkk 3.1. Erää ammattryhmä vuostulot ovat ormaalst jakautueet, keskasoa µ = ja hajotaa = 437. a) Kuka suur osuus ammattkuasta jää vuostuloraja alapuolelle? Merktää ko. ammat harjottaja vuostuloa satuasmuuttujalla X. X ~ N(3064, 437 ) X X 3064 Z ~ N(0, 1) 437 Kysytty osuus o X P (X 5000) P P Z 437 = P(Z.16) = (.16) = 1 (.16) = = el o 1.5 %. b) Määrtä tuloraja, joka alapuolelle jää 5 % ammattkuasta. Kysytty tuloraja q toteuttaa ehdo P(X q) = 0.5, josta P(X X q q 3064 q 3064 q) P PZ Stadardotu tuloraja o yt egatvsella puolella (prrä kuva). q q q Normaaljakauma tauluko perusteella (0.6745) = 0.75, jote (3064 q) / 437 = , josta saadaa tulorajaks q = Normaaljakautuede muuttuje leaarset muuokset oudattavat myös ormaaljakaumaa. Odotusarvo ja varass muodostuvat kute leaarkombaatolle yleesäk (luku 3.3). 35

36 1. Jos X ~ N(µ 1, 1 ) ja Y ~ N(µ, ) tosstaa rppumatta, X + Y ~ N(µ 1 +µ, 1 ) X Y ~ N(µ 1 µ, 1 ). Jos X ~ N(, ) ja a ja b ovat vakota, ax ~ N(a, a ) ax + b ~ N(a+b, a ) 3. Ylesest: Jos X ~ N(µ, ), =1,,, tosstaa rppumatta ja a 1,...,a ovat vakota, a 1 X 1 + a X a X ~ N(µ, ) mssä µ = a 1 1 +a a = a 1 1 +a a 4. Jos X ~ N(µ, ), =1,,, äde keskarvomuuttuja 1 X X ~ N(, / ) 1 Esmerkk Kuva kappalee ols mahduttava kappalee 1 uraa. Kappalee 1 ura leveys o ormaaljakautuut satuasmuuttuja, odotusarvoa 6.0 cm ja hajotaa 0.07 cm. Kappalee leveys o myös ormaaljakautuut satuasmuuttuja, hajotaa 0.03 cm. Leveyde odotusarvoa vodaa säätää. Kuka suur odotusarvo saa olla, jotta mahtumstodeäkösyys ols 95%? Ura leveys X 1 ~ N(6, 0.07 ) Kappalee leveys X ~ N(µ, 0.03 ) Mahtumstodeäkösyys: P(X 1 > X ) = P(X 1 X > 0) Erotusmuuttuja Y = X 1 X ~ N( Y Y ), mssä Y = E(Y) = E(X 1 ) E(X ) = 6 µ Y = D (Y) = D (X 1 ) + D (X ) = = Stadardotu muuttuja Z = Y (6 ) ~ N(0,1) 36

37 0 (6 ) 6 (X1 X 0) P(Y 0) P Z P Z P Jotta vodaa käyttää taulukota, tämä o lausuttava kertymäfukto (z) = P(Z z) avulla. 6 Arvo o egatve. Symmetra perusteella (prrä kuva!) P Z Normaaljakauma tauluko perusteella (1.6449) = 0.95, jote = 5.87 cm NORMAALIJAKAUMAAN LIITTYVIÄ JAKAUMIA Seuraavlla erkosjakaumlla o käyttöä tlastollsessa päättelyssä, parametre luottamusvälessä ja testauksessa. Nämä satuasmuuttujat määrtellää erää ormaaljakaumaa oudattave satuasmuuttuje epäleaarsa fuktoa ja de theysfuktot vodaa johtaa teoreettsest. Kertymäfuktota e voda lausua suljetussa muodossa. Jakaumapstetä (fraktleja) saadaa taulukosta, laskmella ta tlastollslla ohjelmstolla. Seuraave jakaume parametreja kutsutaa vapausasteks (degrees of freedom, df). -JAKAUMA Jos X 1,,X v ovat rppumattoma, N(0,1)-jakautueta satuasmuuttuja, satuasmuuttuja K = X X v oudattaa -jakaumaa ( kh elö ) vapausaste v, merk. K ~ (v) t-jakauma ELI STUDENTIN JAKAUMA Jos Z, X 1,,X v ovat rppumattoma, N(0,1)-jakautueta satuasmuuttuja, T = Z (X1... X v ) / v 37

38 oudattaa t-jakaumaa el Studet jakaumaa vapausaste v, merk. T ~ t(v). Theysfukto o symmetre 0: suhtee ja läheee N(0,1)-jakauma theysfuktota ku. Symmetra taka P(T t) = p P(T t) = 1 p P(T t) = 1 p JAKAUMIEN p-pisteet Jakauma p-pste el p-fraktl, p-kvatl o se lukuarvo x p, jolla kertymäfukto saa arvo p: F(x p ) = p jolla theysfukto ja x-aksel väl jäävä pta-ala välllä (-, x p ) o p jota peempä ta yhtäsuura arvoja estyy 100 p %. Nätä o taulukotu ylesmmlle jatkuvlle jakaumlle. Fraktleja vodaa merktä seuraavast: 1) Jos Z ~ N(0,1), jakauma p-pste o luku z p, jolla P(Z z p ) = (z p ) = p. 38

39 ) Jos K ~ (v), jakauma p-pste o luku p(v), jolla P(K p(v)) = F( p(v)) = p 3) Jos T ~ t(v), jakauma p-pste o luku t p (v), jolla P(T t p (v)) = F(t p (v) = p. Huom. 0-symmetra perusteella t 1-p (v) = t p (v) Huomautuksa: Jossak krjossa ja taulukossa käytetää pävasto merktää z p (vast. muut jakaumat) psteestä jota suurempa arvoja o 100p %. Tarksta aa merkät! Samaa symbol er merktyksssä: esm. vo olla satuasmuuttuja m ta se arvo, (v) se jakauma symbol ja p(v) se p-fraktl arvo. Esmerkk Taulukode käyttöä: a) Ets jakaumapsteet t.975 (13),.05(19). b) Olkoo T ~ t(7), K ~ (16). Määrää luvut a, b ja c ste, että P(T a) = 0.01, P(K b) = 0.01 ja P(K c) = c) Arvo todeäkösyyttä, että X 0, ku X ~ (7). Ratkasu: a) t.975 (13) o pste, jossa t(13)-jakauma kertymäfukto o BETA taulukko t-dstrbuto: F(.160) = jote t.975 (13) =

40 .05(19) o pste, jossa (19)-jakauma kertymäfukto o 0.05 BETA: taulukko -dstrbuto: F(10.1) = 0.05 jote.05(19) = 10.1 b) T ~ t(7) P(T a) = F(a) = 0.01 Koska theysfukto o symmetre ja 0-keske, o oltava a < 0. Symmetra taka P(T -a) = 0.01 P(T -a) = 0.99 el F(-a) = a = t.99 (7) =.998 a = K ~ (16). P(K b) = 0.01 ja P(K c) = P(K b) = 0.01 el F(b) = 0.01 b = 0.01(16) =

41 P(K c) = 0.01 P(K c) = 0.99 el F(c) = 0.99 c =.99(16) = 3.00 c) X ~ (7) P(X 0) = F(0) =? Taulukko: P(X 18.48) = F(18.48) = 0.99 P(X 0.8) = F(0.8) = jote 0.99 F(0) Kertymäfukto arvo F(0) o kuvassa valkose aluee pta-ala: Arvo: F(0) Excel CHIDIST-fukto (CHIJAKAUMA): =chdst(0;7) ataa komplemetttodeäkösyyde P(X0) = , josta P(X0) = = KESKEINEN RAJA-ARVOLAUSE KESKEINEN RAJA-ARVOLAUSE (Cetral Lmt Theorem): Ku X 1, X,..., X ovat rppumattoma, samaa jakaumaa oudattava satuasmuuttuja, jolla o äärelle odotusarvo EX = ja varass D X =, =1,,...,, suurlla : arvolla de summamuuttuja S = X 1 + X X oudattaa lkma ormaaljakaumaa, merktää X 1 + X X ~ a N(, ). Saotaa että summamuuttuje joo o asymptoottsest ormaale, mkä tarkottaa että muuttuja S kertymäfukto läheee joka psteessä ormaaljakauma kertymäfuktota, ku. 41

42 Samo oletuks ku edellä, myös keskarvomuuttuja o asymptoottsest ormaale 1 X (X1 X... X ) ~ a N(, /) Summamuuttujaa koskeva todeäkösyyksä vodaa approksmoda ormaaljakauma kertymäfukto avulla. Es tehdää ormeeraus käyttäe summamuuttuja odotusarvoa ja hajotaa. Esmerkk Ku satuasa reaallukuja pyörstetää kokoasluvuks, yhde luvu pyörstysvrhe oudattaa tasajakaumaa välllä (-0.5, 0.5). O laskettava yhtee 60 reaallukua, jotka pyörstetää ee yhteelaskua kokoasluvuks. Mllä todeäkösyydellä summa vrhe o tsesarvoltaa korketaa.0? Summattavat luvut A = B + X, =1,..., mssä B = tarkka arvo, A = pyörstetty arvo, X = pyörstysvrhe Summa: A B Summa vrhe: X X 1 X mssä = 60 X ~ U(-0.5, 0.5), =1,..., a b = EX = = 0 = D (b a) (0.5 ( 0.5)) X = Koska suur ja X :de jakauma symmetre, summamuuttuja X oudattaa lkma ormaaljakaumaa parametre EX = EX EX = = 600 = 0 D X = D X D X = = 60 / 1 = 5 X X ~ a N(0,5) Z = ~a N(0,1) 5 P( X ) = P(- X ) = P(-/5 Z /5) = P( Z ) (0.89) (-0.89) = (0.89) [1 (0.89)] = (0.89) 1 = = Keskesestä raja-arvolauseesta o useta versota er oletuks. KESKEISEN RAJA-ARVOLAUSEEN YLEINEN MUOTO: Ku X 1, X,..., X ovat rppumattoma satuasmuuttuja, odotusarvoa EX = ja varassea D X = suurlla : arvolla (tety oletuks) 4

43 X 1 + X X ~ a N(, ) mssä = ja = Muuttuje e ss tarvtse oudattaa samaa jakaumaa! Mllo keskestä raja-arvolausetta vo soveltaa? Summattave lukumäärä 30 o yleesä rttävä. Peraatteessa approksmaato o stä tarkemp, mtä symmetrsemp X :de jakauma o. Approksmaato vrhe o stä peemp, mtä suuremp ja mtä symmetrsemp summattave jakauma. Uselle summamuuttujlle ormaaljakauma-approksmaato o käytäössä aoa keo todeäkösyykse laskemseks. Ylesest summa e oudata samaa jakaumaa ku summattavat ja summamuuttuja tarkka jakauma saattaa olla vars hakala määrttää. BINOMIJAKAUMAN NORMAALIJAKAUMA-APPROKSIMAATIO Olkoo X ~ B(, p). X vodaa esttää muodossa X = X 1 + X X, mssä X o Beroull kokee tulos: P(X = 1) = p ja P(X = 0) = 1 p. X o tutkttava tulokse estymste lukumäärä : kokee joukossa, odotusarvoa EX = p ja varassa D X = p(1-p) Ku o tarpeeks suur, keskese raja-arvolausee perusteella X ~ a N(p, p(1-p)) jote bomjakauma kertymäfuktota vodaa tarvttaessa approksmoda ormaaljakauma avulla. Suhteellsta osuutta p koskevassa tlastollsessa päättelyssä käytetää satuasmuuttujaa P=X/, joka o myös asymptoottsest ormaale: P ~ a N(p, p(1-p)/). Stadardomalla saadaa tulos X p p(1 p) P p p(1 p) / ~ a N(0,1) Mllo vodaa käyttää Posso- mllo ormaaljakauma-approksmaatota? Posso-jakauma-approksmaato sop, ku o suur ja p pe. Normaaljakauma-approksmaato sop, ku p o lähellä arvoa 0.5, jollo jakauma lähellä symmetrstä. Käytäössä rttää, että o suur, että p(1-p) > 9. JATKUVUUSKORJAUS Ku ormaaljakaumalla approksmodaa dskreettä jakaumaa, kute B(, p), vodaa approksmaatota tarketaa seuraavast: Olkoo X satuasmuuttuja, joka saa va kokoaslukuarvoja. Jos a o kokoasluku, 43