k S P[ X µ kσ] 1 k 2.

Samankaltaiset tiedostot
HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia

Epäyhtälöt ovat yksi matemaatikon voimakkaimmista

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

1. Kuusisivuista noppaa heitetään, kunnes saadaan silmäluku 5 tai 6. Olkoon X niiden heittojen lukumäärä, joilla tuli 1, 2, 3 tai 4.

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

0 3 y4 dy = 3 y. 15x 2 ydx = 15. f Y (y) = 5y 4 1{0 y 1}.

(b) Tarkista integroimalla, että kyseessä on todella tiheysfunktio.

Matematiikan tukikurssi

Tilastomatematiikka Kevät 2008

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

1. Jatketaan luentojen esimerkkiä 8.3. Oletetaan kuten esimerkissä X Y Bin(Y, θ) Y Poi(λ) λ y. f X (x) (λθ)x

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

Odotusarvo. Odotusarvon ominaisuuksia Satunnaismuuttujien ominaisuuksia 61

Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

2 Funktion derivaatta

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

Diskreetti derivaatta

Matemaattisten tieteiden kandiohjelma / MTL Todennäköisyyslaskenta IIb Kurssikoe (kesto 2h 30 min)

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

Matematiikan tukikurssi

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

4.1. Olkoon X mielivaltainen positiivinen satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo on

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

4.1 Diskreetin satunnaismuuttujan odotusarvo

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Algebra I, harjoitus 5,

Yleistä tietoa kokeesta

JATKUVUUS. Funktio on jatkuva jos sen kuvaaja voidaan piirtää nostamatta kynää paperista.

Surjektion käsitteen avulla kuvauksia voidaan luokitella sen mukaan, kuvautuuko kaikille maalin alkioille jokin alkio vai ei.

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Matematiikan tukikurssi

3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?

JAKSO 2 KANTA JA KOORDINAATIT

Numeeriset menetelmät

A-osa. Ratkaise kaikki tämän osan tehtävät. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6. Taulukkokirjaa saa käyttää apuna, laskinta ei.

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Tilastollinen päättely II, kevät 2018 Harjoitus 8B Ratkaisuehdotuksia.

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Tehtäväsarja I Seuraavissa tehtävissä harjoitellaan erilaisia todistustekniikoita. Luentokalvoista 11, sekä voi olla apua.

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

Sallitut apuvälineet: kirjoitusvälineet, laskin sekä käsinkirjoitettu, A4-kokoinen lunttilappu ja MAOL taulukkokirjaa

(a) Kyllä. Jokainen lähtöjoukon alkio kuvautuu täsmälleen yhteen maalijoukon alkioon.

Matematiikan tukikurssi

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Differentiaalilaskenta 1.

Alkulukujen harmoninen sarja

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

Ratkaisu: Ensimmäinen suunta. Olkoon f : R n R m jatkuva eli kaikilla ε > 0 on olemassa sellainen δ > 0, että. kun x a < δ. Nyt kaikilla j = 1,...

Matematiikan tukikurssi

8.1 Ehdolliset jakaumat

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 1A

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 3

Analyysi I (mat & til) Demonstraatio IX

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

5 Differentiaalilaskentaa

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N,

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Harjoitus 4 Tehtävä 1

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

Sallitut apuvälineet: MAOL-taulukot, kirjoitusvälineet, laskin sekä itse laadittu, A4-kokoinen lunttilappu. f(x, y) = k x y, kun 0 < y < x < 1,

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia Tehtäväsarja I

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

2 Funktion derivaatta

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

Satunnaisluvut, satunnaisvektorit ja niiden jakaumat

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdoituksia Rami Luisto Sivuja: 5

Matematiikan peruskurssi 2

HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotuksia

Transkriptio:

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 28 Harjoitus Ratkaisuehdotuksia Tehtäväsarja I Osa tämän viikon tehtävistä ovat varsin haastavia, joten ei todellakaan kannata huolestua, jos niiden kanssa on tekemistä ja jos ne eivät heti avaudu. Nämä syventävät paljon Todennäköisyyslaskenta IIa -kurssin ajatuksia ja ensi viikolla palaamme taas helpompiin asioihin. Eli älä huolestu vaan vinkkejä kannattaa kysyä lisää.. Ajatellaan, että meillä on 9 kokonaislukua, joiden keskiarvo on 5 ja neliöiden keskiarvo on 26. Olkoon X diskreetti satunnaismuuttuja, jonka ptnf f X määräytyy näiden lukujen avulla seuraavasti: jos luku k esiintyy n k kertaa, niin f X (k) n k /9. Laske EX ja var X sekä laske Tšebyševin epäyhtälön avulla yläraja-arvio todennäköisyydelle P(X 8). Kuinka paljon lukuja 3, 4, 5, 6 ja 7 on vähintään? Ratkaisu: X on diskreetti satunnaismuuttuja, jonka äärellinen arvojoukko on niiden kokonaislukujen joukko, jotka esiintyvät näiden 9 luvun joukossa vähintään kerran, sillä muilla kokonaisluvuilla n k ja siten f X (k) P(X k). Merkitään tätä arvojoukkoa S :llä. Tehtävänannosta saadaan, että näiden 9 luvun keskiarvo on 5. Siispä jos luku k S esiintyy n k kertaa, niin kn k 5. 9 Koska X on diskreetti satunnaismuuttuja äärellisellä arvojoukolla, sen odotusarvo on EX kf X (k) k n k 9 kn k 5. 9 Lisäksi tehtävänannosta saadaan, että näiden 9 luvun neliöiden keskiarvo on 26, eli k 2 n k 26. 9 Satunnaismuuttujan X varianssin laskemiseksi on laskettava toinen momentti EX 2. Diskreetille satunnaismuuttujalle tämä saadaan EX 2 k 2 f X (k) k 2 n k 9 k 2 n k 26. 9 Satunnaismuuttujan X varianssiksi saadaan siten var X EX 2 (EX) 2 26 5 2. Arvioidaan todennäköisyyttä P[X 8]. Merkitään µ EX ja σ 2 var X. Nyt µ 5 ja σ 2. Tšebyševin epäyhtälö sanoo, että kaikilla k > pätee P[ X µ kσ] k 2. Arvioidaan kysyttyä todennäköisyyttä ensin siten, että se saadaan muotoon, jossa voidaan hyödyntää Tšebyševin epäyhtälöä. Saadaan P[X 8] P[X 8] + P[X 2] P[ X 5 3],

jolloin P[X 8] P[ X µ 3] P[ X µ 3 ] Tšebyšev 3 2 9, joka on nyt yläraja-arvio todennäköisyydelle P[X 8]. Koska tämä on yhtä lailla yläraja-arvio myös todennäköisyydelle P[ X 5 3], niin luvusta 5 vähintään kolmen verran poikkeavia arvoja (eli seiskaa suurempia tai kolmosta pienempiä lukuja) on korkeintaan 9 9. Tällöin kysyttyjä lukuja, eli tähän väliin jääviä lukuja on oltava vähintään 8. 2. Olkoon X > sellainen satunnaismuuttuja, että odotusarvot EX 4, E(/X 4 ) ja E 3 X ovat kaikki reaalilukuja. Mitä voit sanoa Jensenin epäyhtälön avulla a) lukujen /EX 4 ja E(/X 4 ) suuruusjärjestyksestä, ja b) lukujen 3 EX ja E( 3 X) suuruusjärjestyksestä? c) Laske edellä kerrotut neljä suuretta (tai niiden likiarvot), kun X :llä on välin (, 2) tasajakauma, ja tarkista tällä tavalla, että sait edellä järkeiltyä suuruusjärjestyksen oikein päin. Ratkaisu: Määritellään funktiot g(, ) R ja h(, ) R : g(x) x 3 x x 3. ja h(x) a) Nyt g (x) x 2 ja g (x) 2 x 3 > x >, joten lauseen 6.5 nojalla g on konveksi funktio. Merkitään Y X 4. Nyt koska g on konveksi ja EY EX 4 sekä Eg(Y ) E(/X 4 ) ovat olemassa, niin Jensenin epäyhtälön nojalla EX ( ) 4 EY g(ey ) Eg(Y ) E. X 4 b) Nyt h (x) 3 x 2/3 ja h (x) 2 9 x 5/3 > x >, joten lauseen 6.5 nojalla h on konveksi funktio. Koska EX 4 on olemassa, niin myös EX on olemassa. Lisäksi tehtävänannosta tiedetään, että E 3 X on olemassa. Koska h on konveksi funktio, niin Jensenin epäyhtälön nojalla 3 EX h(ex) Eh(X) E( 3 X) E 3 X, mistä seuraa, että 3 EX E 3 X. c) X noudattaa välin (,2) tasajakaumaa, jolloin f X (x) {<x<2}. Nyt jolloin Lisäksi EX 4 2 ( ) 2 E X 4 x dx 4 x 4 dx 2/ EX 4 5 3.6. 5 x5 3 5, 2/ 3 x 3 24 + 3 7 24.29,

eli nähdään, että EX 4 < E ( X 4 ), kuten pitääkin. Lasketaan vielä jolloin Lasketaan vielä EX + 2 2 3 2, 3 EX 3 3 2.447. E ( 3 X ) 2 3 x dx 2/ 3x 3 x 4 6 3 2 4 3 4.3988, joten 3 EX > E ( 3 X ), kuten pitääkin. 3. Näytä luentojen lauseesta 6.4. puolet, eli että jos g on konveksi välillä I, niin g(b) g(a) b a g(c) g(b) c b aina kun a < b < c ovat välin I alkioita. Toimi seuraavasti: etsi sellainen λ (, ), että b λa + ( λ)c. Sovella sitten konveksisuuden määritelmää kun x a, y c ja kun λ on äsken saamasi λ. Järjestele termit (mahdollisesti lisäämällä ja vähentämällä termejä) kunnes saat yllä olevan epäyhtälön. Piirrä myös kuva ja selitä erotusosamäärät geometrisesti. Ratkaisu: Olkoon g konveksi välillä I R ja a < b < c välin I alkioita. Noudatetaan tehtävänannon ohjetta ja huomataan, että b c b ( a + c b ) c. c a c a }{{}}{{} λ λ Nyt konveksisuuden määritelmän nojalla ( c b g(b) g c a a + b a ) c a c c b c a g(a) + b a c a g(c). Näin ollen saadaan (c a)g(b) (c b)g(a) + (b a)g(c) cg(b) ag(b) cg(a) bg(a) + bg(c) ag(c) cg(b) cg(a) + bg(a) ag(b) ag(c) + bg(c) cg(b) cg(a) + bg(a) bg(b) ag(b) ag(c) + bg(c) bg(b) (c b)[g(b) g(a)] (b a)[g(c) g(b)] g(b) g(a) b a g(c) g(b). c b Erotusosamäärää voi geometrisesti ajatella funktion kuvaajan kahden pisteen välille piirretyn sekantin kulmakertoimena. Alla olevassa kuvassa punaisen sekantin kulmakerroin olisi ja sinisen g(c) g(b). Jos g on konveksi ja a < b < c, niin si- g(b) g(a) b a c b nisen sekantin kulmakerroin on aina vähintään punaisen kulmakerroin, olipa pisteet a < b < c valittu miten tahansa.

4. Mitkä seuraavista funktioista on konvekseja koko R:ssä? Kerro myös millä seuraavista voit ja millä et voi perustella vastaustasi: käyttämällä Lausetta 6.4, Lausetta 6.5 a) ja/tai Lausetta 6.5 b)? a) f(x) 7x 8 28x b) f(x) x 7/3 + c) f(x) x 6 { x > } d) f(x) cos(2x) Ratkaisu: a) Funktio f : R R, f(x) 7x 8 28x on konveksi, sillä se on polynomifunktiona kahdesti derivoituva koko R:ssä ja f (x) 36x 7 28 ja f (x) 952x 6 > x R. Perusteluna siis lauseen 6.5 b-kohta. Luonnollisesti myös lauseen a-kohta kävisi perusteluksi, sillä f on jatkuvasti derivoituva koko R:ssä ja f :n derivaatta on kasvava koko R:ssä. Koska lause 6.4 pätee "molempiin suuntiin"ja f on konveksi, niin lauseen 6.4 epäyhtälön on oltava tosi f :lle kaikilla a < b < c R ja konveksisuuden voisi perustella myös sitä käyttäen. b) Funktio f : R R, f(x) x 7/3 + on konveksi. Se on derivoituva kaikilla avoimilla väleillä I R. Lisäksi derivaatta f (x) 7 3 x 3 x on jatkuva ja kasvava koko R:ssä. Siten lauseen 6.5 a-kohdan nojalla funktio on konveksi. Lauseen 6.5 b-kohtaa olisi myös voinut käyttää perusteluna, sillä funktio on kahdesti derivoituva ja toinen derivaatta on vähintään kaikilla x R. Myös lause 6.4 olisi käynyt kuten edellisessä kohdassa todettiin. c) Funktio f : R R, f(x) x 6 { x > } on konveksi lauseen 6.5 a-kohdan nojalla, sillä se on jatkuvasti derivoituva ja derivaatta f (x) 6x 5 { x > } on kasvava koko R:ssä. Koska funktio on konveksi, myös lause 6.4 olisi käynyt perusteluksi kuten edellisissä kohdissa. Myös lauseen 6.5 b-kohtaa olisi voinut

käyttää perusteluna, sillä funktio on kahdesti derivoituva ja toinen derivaatta on vähintään kaikilla x R. d) Funktio f : R R, f(x) cos(2x) ei ole konveksi, sillä valitsemalla a, b ja c saadaan f(b) f(a) b a cos() cos( 2) ( ) > cos(2) cos() f(c) f(b). c b cos() cos( 2) cos(2) cos() Lauseen 6.4 mukaan f olisi konveksi, jos ja vain jos epäyhtälö pätisi kaikilla a < b < c R. Nyt näin ei ole, joten f ei ole konveksi. Lauseella 6.5 ei voi perustella sitä, että funktio ei ole konveksi, sillä kyseinen lause on muotoa: "jos ehto, niin konveksi". Lause 6.5 ei näin ollen kerro konveksisuudesta tilanteessa, jossa lauseen ehto ei päde. 5. Osa Lauseen 6.9. todistuksesta. Oletetaan, että X :n momenttiemäfunktio on äärellinen t < h. a) Päättele Cauchyn Schwarzin epäyhtälön avulla, että kunhan t < h. (EXe tx ) 2 E(X 2 e tx )Ee tx b) Oletetaan, että tiedämme, että momenttiemäfunktiota voi derivoida odotusarvon sisällä (kuten Luvun 4 kalvoissa sivulla 47), kunhan t < h. Päättele a)-kohdan ja momenttiemäfunktiota derivoimalla, että kumulanttiemäfunktion toinen derivaatta K (t), kun t < h. c) Selitä b)-kohdan avulla, miksi kumulanttiemäfunktio K on konveksi välillä ( h, h). Ratkaisu: (a) Todetaan, että Xe tx Xe 2 tx e 2 tx, jolloin lauseen 4.4 ja Cauchyn-Schwarzin epäyhtälön avulla voidaan päätellä, että ( (EXe tx ) 2 EXe tx 2 L 4.4 (E Xe tx C-S ey. 2 ) E ( Xe tx) 2 2 E ( ) 2 e tx) 2 2 E ( Xe 2 tx) 2 E ( e 2 tx) 2 E(X 2 e tx )Ee tx (b) Momenttiemäfunktio M X (t) Ee tx. Nyt jos tiedämme, että momenttiemäfunktiota voi derivoida odotusarvon sisällä, kunhan t < h, niin M X(t) E t etx EXe tx ja M X(t) E t XetX E ( X 2 e tx).

Nyt kumulanttiemäfunktion ensimmäinen derivaatta K X(t) M X (t) M X (t), jolloin osamäärän derivoimissäännöllä saadaan toinen derivaatta K X(t) M X(t)M X (t) (M X (t)) 2 EX2 e tx Ee tx (EXe tx ) 2 (M X (t)) 2 (Ee tx ) 2 Koska a-kohdan perusteella tiedetään, että (EXe tx ) 2 E(X 2 e tx )Ee tx, eli E(X 2 e tx )Ee tx (EXe tx ) 2, niin nyt K X(t), kun t < h. (c) Koska K X(t), kun t < h, eli kun h < t < h, niin lauseen 6.5 nojalla K on konveksi tällä välillä. 6. Olkoon satunnaismuuttujilla X ja Y jatkuva yhteisjakauma tiheysfunktiolla Laske seuraavat todennäköisyydet: a) P(Y < X 2 ), b) P(Y 2 < X < Y ). Ratkaisu: 2x kun x, y, f(x, y) muutoin. (a) Määritelmän 7. ja lauseen 7. nojalla P(Y < X 2 ) {Y <X 2 } 2x 3 dx f X,Y (x, y) d(x, y) / 2 x4 2. ( x 2 2x dy ) / x 2 dx 2xy dx (b) P(Y 2 < X < Y ) {Y 2 <X<Y } y/ x 2 y 2 f X,Y (x, y) d(x, y) dy ( y y 2 y 4 dy ) 2x dx dy y 2 / 3 y3 5 y5 3 5 2 5.