Todennäköisyyslaskun kertaus. Heliövaara 1

Samankaltaiset tiedostot
Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Moniulotteiset satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat Moniulotteiset satunnaismuuttujat ja jakaumat

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Tilastomatematiikka Kevät 2008

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Moniulotteiset satunnaismuuttujat ja jakaumat

Moniulotteiset satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Moniulotteiset satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1

Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat Kertymäfunktio

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

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

Ilkka Mellin (2008) 1/5

Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Esimerkkikokoelma 3

Lisää Diskreettejä jakaumia Lisää Jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

3. laskuharjoituskierros, vko 6, ratkaisut

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Jakaumien tunnusluvut. TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Jakaumien tunnusluvut. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

4.1. Olkoon X mielivaltainen positiivinen satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo on

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Jatkuvia jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

5. laskuharjoituskierros, vko 8, ratkaisut

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

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Jatkuvia jakaumia

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 3: Todennäköisyysjakaumia. Diskreettejä jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

TODENNÄKÖISYYSLASKUN KERTAUS Peruskäsitteitä

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Diskreettejä jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Verkot ja todennäköisyyslaskenta Verkko Verkko eli graafi muodostuu pisteiden joukosta V, särmien joukosta A ja insidenssikuvauksesta : A V V jossa

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Moniulotteiset jakaumat. Avainsanat:

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

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

tilastotieteen kertaus

Tilastotieteen kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat

5/11 6/11 Vaihe 1. 6/10 4/10 6/10 4/10 Vaihe 2. 5/11 6/11 4/11 7/11 6/11 5/11 5/11 6/11 Vaihe 3

Otosavaruus ja todennäköisyys Otosavaruus Ë on joukko, jonka alkiot ovat kokeen tulokset Tapahtuma on otosavaruuden osajoukko

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

D ( ) Var( ) ( ) E( ) [E( )]

Käytetään satunnaismuuttujaa samoin kuin tilastotieteen puolella:

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

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

Diskreetin satunnaismuuttujan odotusarvo, keskihajonta ja varianssi

Olkoon R S otosavaruuksien R ja S karteesinen tulo: Satunnaismuuttujien X ja Y järjestetty pari (X, Y) määrittelee kaksiulotteisen satunnaismuuttujan:

Tilastollisen päättelyn perusteet

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 7

D ( ) E( ) E( ) 2.917

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia: Mitä opimme?

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa I

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa I

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

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi. Viikko 3. Kaksiulotteiset satunnaismuuttujat

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 3

Todennäköisyyden ominaisuuksia

Gripenberg. MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Tentti ja välikoeuusinta

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 2

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

4. laskuharjoituskierros, vko 7, ratkaisut

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa I

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Luento KERTAUSTA Kaksiulotteinen jakauma Pisteparvi, Toyota Avensis -farmariautoja

Todennäköisyysjakaumia

Tilastollinen aineisto Luottamusväli

Tilastotieteen kertaus. Kuusinen/Heliövaara 1

Generointi yksinkertaisista diskreeteistä jakaumista

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Jatkuvat satunnaismuuttujat

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikot 5 6

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

Odotusarvo. Odotusarvon ominaisuuksia Satunnaismuuttujien ominaisuuksia 61

Väliestimointi (jatkoa) Heliövaara 1

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

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

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

2. Jatkoa HT 4.5:teen ja edelliseen tehtavään: Määrää X:n kertymäfunktio F (x) ja laske sen avulla todennäköisyydet

Tilastollinen testaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Keskihajonta ja korrelaatio

Todennäköisyyslaskenta. β versio. Todennäköisyyslaskenta. Ilkka Mellin. Teknillinen korkeakoulu, Matematiikan laboratorio. Ilkka Mellin (2006) I

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

Suotuisien tapahtumien lukumäärä Kaikki alkeistapahtumien lukumäärä

Poisson-prosessien ominaisuuksia ja esimerkkilaskuja

FoA5 Tilastollisen analyysin perusteet puheentutkimuksessa. 6. luento. Pertti Palo

30A02000 Tilastotieteen perusteet

Transkriptio:

Todennäköisyyslaskun kertaus Heliövaara 1

Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat Heliövaara 2

Stunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat Jos satunnaisilmiötä halutaan mallintaa matemaattisesti, on ilmiön tulosvaihtoehdot kuvattava numeerisessa muodossa. Tämä tapahtuu liittämällä satunnaisilmiön tulosvaihtoehtoihin reaaliarvoinen funktio, jota kutsutaan satunnaismuuttujaksi. Satunnaismuuttujan arvoihin liitetään todennäköisyydet määrittelemällä satunnaismuuttujan todennäköisyysjakauma. Satunnaismuuttujien tarkastelu jaetaan kahteen osaan: (i) Diskreetit satunnaismuuttujat. (ii) Jatkuvat satunnaismuuttujat. Heliövaara 3

Satunnaismuuttujan määritelmä Satunnaisilmiön kaikkien mahdollisten tulosvaihtoehtojen joukkoa kutsutaan otosavaruudeksi. Siitä käytetään merkintää S. Olkoon ξ funktio otosavaruudesta S reaalilukujen joukkoon R: ξ : S R Tällöin ξ on satunnaismuuttaja. Satunnaismuuttuja on funktiona täysin määrätty, mutta sattuma määrää mikä alkeistapahtumista realisoituu ja sitä kautta myös minkä arvon satunnaismuuttuja saa. Heliövaara 4

Todennäköisyysjakauma Todennäköisyysjakauma kuvaa otosavaruuden todennäköisyysmassan (= 1) jakautumista otosavaruudessa määritellyn satunnaismuuttujan arvoalueelle. Tilastollinen malli on satunnaismuuttujan ja sen jakauman yhdistelmä. Heliövaara 5

Satunnaismuuttujien tyyppejä Satunnaismuuttujat voidaan jakaa kahteen ryhmään: Diskreetit satunnaismuuttujat - Satunnaismuuttuja on diskreetti, jos sen arvoalue on diskreetti joukko eli sen arvoalue muodostuu erillisistä reaaliakselin pisteistä. - Diskreetin muuttujan jakauma määrittelee alkeistapahtumien todennäköisyydet. Jatkuvat satunnaismuuttujat - Satunnaismuuttuja on jatkuva, jos sen arvoalue on jokin reaaliakselin osaväli. - Jatkuvan muuttujan jakauma määrittelee muuttujan arvoalueeseen kuuluvien reaaliakselin välien todennäköisyydet. Heliövaara 6

Pistetodennäköisyysfunktio Merkitään ξ:n arvojen joukkoa kirjaimella T : T = {x 1,x 2,...,x n }, jos S on äärellinen T = {x 1,x 2,...}, jos S on numeroituvasti ääretön Reaaliarvoinen funktio f määrittelee pistetodennäköisyysfunktion ξ:lle, jos 1. f(x i ) = Pr(ξ = x i ) x i T 2. f(x i ) 0 x i T 3. T f(x i) = 1 Todennäköisyyttä Pr(ξ = x i ) = p i sanotaan pistetodennäköisyydeksi. Pistetodennäköisyysfunktion vakioita sanotaan jakauman parametreiksi ja ne määräävät pistetodennäköisyysfunktion muodon ts. jakauman muodon. Heliövaara 7

Diskreetin jakauman todennäköisyydet Diskreetin jakauman tapauksessa välin [a, b] R todennäköisyys on Pr(a ξ b) = i x i [a,b] p i Heliövaara 8

Tiheysfunktio Reaaliarvoinen funktio f määrittelee (todennäköisyys-) tiheysfunktion jatkuvalle satunnaismuuttujalle ξ, jos 1. f(x) on x:n jatkuva funktio 2. f(x i ) 0 x 3. + f(x)dx = 1 4. Pr(a ξ b) = b a f(x)dx Tiheysfunktion vakioita sanotaan jakauman parametreiksi ja ne määräävät tiheysfunktion muodon ts. jakauman muodon. Heliövaara 9

Jatkuvan jakauman todennäköisyydet Edellisten lisäksi on hyvä huomata: b Pr(ξ = b) = lim Pr(a ξ b) = lim a b a b a Tiheysfunktio voidaan määritellä myös paloittain. Esim. olkoon f(x) = x + b, kun 0 x 1 0, muulloin f(x)dx = 0 Tällöin 1 0 f(x)dx = 1 Heliövaara 10

Diskreetti vs. jatkuva Diskreettiä satunnaisfunktiota ξ vastaavan pistetodennäköisyysfunktion f arvo pisteessä x i on todennäköisyys: f(x i ) = Pr(ξ = x i ) Näin ollen 0 f(x i ) 1 Jatkuvaa satunnaismuuttujaa ξ vastaavan tiheysfunktion f arvo pisteessä x ei ole todennäköisyys, joten on mahdollista, että f(x) > 1 Heliövaara 11

Kertymäfunktio Satunnaismuuttujan ξ kertymäfunktio F(x) = Pr(ξ x) kuvaa todennäköisyysmassan kertymistä argumentin x kasvaessa. Kertymäfunktio määrää ko. satunnaisilmiön kaikkien tapahtumien todennäköisyydet. Funktio F : R [0, 1] on kertymäfunktio, jos ja vain jos 1. lim x F(x) = 0 2. lim x + F(x) = 1 3. F on ei-vähenevä: F(x 1 ) F(x 2 ), jos x 1 x 2 4. F on jatkuva oikealta: lim h 0+ F(x + h) = F(x) Heliövaara 12

Lisää kertymäfunktiosta Edellisten lisäksi pätee: - Pr(ξ > x) = 1 F(x) - Pr(a ξ b) = F(b) F(a) Diskreetissä tapauksessa kertymäfunktio saadaan kaavalla F(x) = Pr(ξ x) = i x i x Jatkuvassa tapauksessa kertymäfunktio saadaan kaavalla p i F(x) = Pr(ξ x) = x f(x)dx Heliövaara 13

Jakaumien tunnusluvut Heliövaara 14

Odotusarvo Satunnaismuuttujan X odotusarvo on jakauman painopiste. Samalla se on piste, jonka ympärillä satunnaismuuttujan arvot vaihtelevat koetoistosta toiseen. Diskreetille jakaumalle odotusarvo määritellään seuraavasti: E(X) = µ X = i x i p i = i x i f(x i ) Vastaavasti jatkuvalle jakaumalle odotusarvo määritellään näin: E(X) = µ X = + xf(x)dx Heliövaara 15

Odotusarvon ominaisuuksia Vakion odotusarvo on vakio itse, koska se ei vaihtele koetoistosta toiseen: E(a) = a Lineaarimuunnokselle Y = a + bx pätee: E(Y ) = a + be(x) Kahden satunnaismuuttujan summalle ja erotukselle pätee: E(X + Y ) = E(X) + E(Y ) E(X Y ) = E(X) E(Y ) Yleisesti satunnaismuuttujien X i,i = 1, 2,...,n painotetulle summalle pätee: ( n ) n E a i X i = a i E(X i ) i=1 i=1 Heliövaara 16

Varianssi ja standardipoikkeama eli keskihajonta Satunnaismuuttujan X varianssi on satunnaismuuttujan odotusarvosta lasketun poikkeaman neliön odotusarvo. Ts. varianssi kuvaa vaihtelun neliötä. Diskreetin satunnaismuuttujan varianssi: D 2 (X) = Var(X) = σ 2 X = i (x i µ x ) 2 p i = i (x i µ x ) 2 f(x i ) Jatkuvan satunnaismuuttujan varianssi: D 2 (X) = Var(X) = σ 2 X = + (x µ x ) 2 f(x)dx Standardipoikkeama eli keskihajonta saadaan varianssin neliöjuurena: D(X) = D 2 (X) = Var(X) Heliövaara 17

Varianssin ominaisuuksia Vakion varianssi on nolla, koska vakio ei vaihtele: D 2 (a) = 0 Lineaarimuunnokselle Y = a + bx pätee: D 2 (Y ) = b 2 D 2 (X) Kahden riippumattoman satunnaismuuttujan summalle ja erotukselle pätee: D 2 (X + Y ) = D 2 (X) + D 2 (Y ) D 2 (X Y ) = D 2 (X) + D 2 (Y ) Satunnaismuuttujan X varianssi voidaan esittää myös seuraavassa muodossa: Var(X) = E(X 2 ) [E(X)] 2 Heliövaara 18

Lisää odotusarvosta Odotusarvo diskreetin satunnaismuuttujan X funktiolle g(x) saadaan seuraavasti: E(g(X)) = i g(x i )p i = i g(x i )f(x i ) vastaavasti jatkuvalle muuttujalle: E(g(X)) = + g(x)f(x)dx Heliövaara 19

Momentit Satunnaismuuttujan X k. momentti eli k. momentti origon suhteen on E(X k ) = α k erityisesti α 0 = 1 ja α 1 = E(X) = µ X Satunnaismuuttujan X k. keskusmomentti eli k. momentti painopisteen suhteen on E((X µ X ) k ) = µ k erityisesti µ 1 = 0 ja µ 2 = D 2 (X) = Var(X) Usein varianssi on näppärämpää laskea origomomenttien avulla kuin keskusmomenttina: D 2 (X) = Var(X) = E(X 2 ) (E(X)) 2 Heliövaara 20

Diskreetit jakaumat Heliövaara 21

Diskreetti tasainen jakauma Jakauma kuvaa satunnaismuuttujaa, johon liittyvän otosavaruuden alkeistapahtumat ovat symmetrisiä. Esimerkiksi virheettömän rahan tai nopan heittoa. Pistetodennäköisyysfunktio: f(x) = Pr(X = x) = 1 n, x = x k, k = 1, 2,...,n Odotusarvo: n E(X) = x = 1 n k=1 x k Varianssi: D 2 (X) = 1 n n (x k x) 2 k=1 Heliövaara 22

Bernoulli -jakauma X Bernoulli(p) Jakauma kuvaa yksittäistä tapahtuman A Bernoulli -koetta, jolla on vain kaksi vaihtoehtoista lopputulosta: A tapahtuu ja A ei tapahdu. Pistetodennäköisyysfunktio: f(x) = Pr(X = x) = p x q 1 x, q = 1 p, x = 0, 1 Odotusarvo: Varianssi: E(X) = p D 2 (X) = pq Heliövaara 23

Binomijakauma X Bin(n,p) Kun Bernoulli -koetta toistetaan n kertaa, missä n on etukäteen päätetty, tapahtuman A esiintymiskertojen lukumäärä X noudattaa Binomijakaumaa parametreinaan n ja p. Pistetodennäköisyysfunktio: f(x) = Pr(X = x) = ( ) n p x q n x, q = 1 p, x = 0, 1, 2,...,n x Odotusarvo: Varianssi: E(X) = np D 2 (X) = npq Heliövaara 24

Geometrinen jakauma X Geom(p) Kun Bernoulli -koetta toistetaan, kunnes tapahtuma A esiintyy ensimmäisen kerran, koetoistojen lukumäärä X noudattaa Geometrista jakaumaa parametrinaan p. Esimerkiksi heitetään rahaa kunnes saadaan klaava. Pistetodennäköisyysfunktio: f(x) = Pr(X = x) = q x 1 p, q = 1 p, x = 1, 2,... Odotusarvo: Varianssi: E(X) = 1 p D 2 (X) = q p 2 Heliövaara 25

Poisson -jakauma X Poisson(λ) Kun tapahtuma A esiintyy keskimäärin λ kertaa aikayksikössä, on A:n esiintymiskertojen lukumäärä aikayksikössä Poisson -jakautunut parametrina λ. Esimerkiksi jonoon saapuvien ruokailijoiden määrä puolen tunnin aikana. Pistetodennäköisyysfunktio: Odotusarvo ja varianssi: f(x) = e λ λ x x! E(X) = D 2 (X) = λ Heliövaara 26

Jatkuvia jakaumia Heliövaara 27

Jatkuva tasainen jakauma X Uniform(a,b) tai X Tas(a,b) Jakauma kuvaa tietyllä välillä tasaisesti jakautunutta jatkuvaa suuretta. Esimerkiksi onnenpyörän viisarin kulma lähtötilanteen suhteen. Tiheysfunktio: Odotusarvo: Varianssi: f(x) = 1 b a, a x b E(X) = a + b 2 D 2 (X) = (b a)2 12 Heliövaara 28

Eksponenttijakauma X Exp(λ) Tapahtuma A tapahtuu keskimäärin λ kertaa tunnissa. Tällöin hetki jolloin tapahtuma A tapahtuu seuraavan kerran on eksponenttijakautunut parametrina λ. Esimerkiksi hetki, jolloin seuraava asiakas saapuu ruokalan jonoon. Tiheysfunktio: f(x) = λe λx Odotusarvo: E(X) = 1 λ Varianssi: D 2 (X) = 1 λ 2 Heliövaara 29

Normaalijakauma X N(µ,σ 2 ) Normaalijakauma esiintyy monien ilmiöiden yhteydessä luonnossa ja tekniikassa. Esimerkiksi suomalaisten jalan kokoa ja fysikaalisen mittauksen mittausvirhettä voidaan pitää normaalijakautuneina. Tiheysfunktio: Odotusarvo ja varianssi: f(x) = 1 1 ( x µ ) 2 σ 2π e 2 σ E(X) = µ D 2 (X) = σ 2 Saadaanko normaalijakaumalle kertymäfunktio? Heliövaara 30

Normaalijakauman standardointi ja todennäköisyydet Olkoon X N(µ,σ 2 ). Tällöin Z = X µ σ N(0, 1) Operaatiota kutsutaan standardoinniksi ja jakaumaa N(0, 1) standardoiduksi normaalijakaumaksi. Kaikki normaalijakauman todennäköisyydet saadaan määrättyä standardoinnin avulla: ( a µ Pr(a X b) = Pr σ Z b µ ) σ Heliövaara 31

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia Heliövaara 32

χ 2 -jakauma Olkoot Z i N(0, 1),i = 1, 2,...,n riippumattomia satunnaismuuttujia. X = n i=1 Z2 i χ 2 (n) eli X noudattaa khin neliön jakaumaa vapausasteilla n. Jakauma kuvaa siis normaalijakautuneiden satunnaismuuttujien neliöden summan jakaumaa. Odotusarvo: E(X) = n Heliövaara 33

F -jakauma Olkoot X i N(0, 1),i = 1, 2,...,n ja Y i N(0, 1),i = 1, 2,...,m riippumattomia satunnaismuuttujia. Olkoot X = n i=1 X2 i χ 2 (n) ja Y = m i=1 Y 2 i χ 2 (m) sekä F = 1 Y m 1 X n Tällöin F F(m, n) eli F noudattaa Fisherin F-jakaumaa vapausasteilla m ja n. Jos F F(m,n) niin silloin 1 F F(n,m) Heliövaara 34

t -jakauma Olkoot X i N(0, 1),i = 1, 2,...,n ja Y N(0, 1) riippumattomia satunnaismuuttujia. Olkoon X = n i=1 X2 i χ 2 (n) sekä Tällöin T t(n) T = Y 1 n X Odotusarvo: E(T) = 0,n > 1 t-jakauma lähestyy N(0, 1)-jakaumaa vapausasteiden kasvaessa. Heliövaara 35

Moniulotteiset todennäköisyysjakaumat Heliövaara 36

Johdanto Yksi ainut satunnaismuuttuja ei riitä kuvaamaan useimpia satunnaisilmiöitä. Jos ilmiöön liittyy useita satunnaisia tekijöitä, ovat näiden tekijöiden väliset riippuvuudet tilastollisen mallintamisen kannalta erityisen mielenkiintoisia. Näiden riippuvuuksien mallintaminen tapahtuu yhteisjakauman avulla. Heliövaara 37

Kaksiulotteiset satunnaismuuttujat Olkoot X ja Y satunnaismuuttujia, joiden otosavaruudet ovat R ja S. Toisin sanoen: X :R R Y :S R Olkoon R S otosavaruuksien R ja S karteesinen tulo: R S = {(r,s r R,s S)} Satunnaismuuttujien X ja Y järjestetty pari (X, Y ) määrittelee kaksiulotteisen satunnaismuuttujan: (X,Y ) : R S R 2 Heliövaara 38

2D diskreetin jakauman pistetodennäköisyysfunktio Reaaliarvoinen funktio f XY : R 2 R määrittelee diskreettien satunnaismuuttujien X ja Y yhteisjakauman pistetodennäköisyysfunktion, jos 1. f XY (x,y) 0 x,y 2. x y f XY (x,y) = 1 3. Pr(X = x Y = y) = f XY (x,y) Olkoon A R 2 jokin tapahtuma. Tällöin Pr((X,Y ) A) = (x,y) A f XY (x,y) Heliövaara 39

2D jatkuvan jakauman tiheysfunktio Reaaliarvoinen jatkuva funktio f XY : R 2 R määrittelee jatkuvien satunnaismuuttujien X ja Y yhteisjakauman tiheysfunktion, jos 1. f XY (x,y) 0 x,y 2. + + f XY (x,y)dydx = 1 3. Pr(a X b c Y d) = b a Olkoon A R 2 jokin tapahtuma. Tällöin Pr((X,Y ) A) = A d c f XY (x,y)dydx f XY (x,y)dydx Heliövaara 40

Kaksiulotteisten jakaumien kertymäfunktiot Satunnaismuuttujien X ja Y yhteisjakauman kertymäfunktio F XY määritellään seuraavasti: F XY (x,y) = Pr(X x Y y) Diskreetille jakaumalle: F XY (x,y) = Pr(X x Y y) = x i x Jatkuvalle jakaumalle: y i y f XY (x i,y i ) F XY (x,y) = Pr(X x Y y) = x y f XY (u,v)dvdu Heliövaara 41

Kaksiulotteisten jakaumien reunajakaumat Diskreetissä tapauksessa satunnaismuuttujien X ja Y reunajakaumien pistetodennäköisyysfunktiot saadaan seuraavasti: f X (x) = Pr(X = x) = y f XY (x,y) f Y (y) = Pr(Y = y) = x f XY (x,y) Vastaavasti jatkuvassa tapauksessa satunnaismuuttujien X ja Y reunajakaumien tiheysfunktiot saadaan seuraavasti: f X (x) = f Y (y) = + + f XY (x,y)dy f XY (x,y)dx Heliövaara 42

Satunnaismuuttujien riippumattomuus Kaksi satunnaismuuttujaa ovat riippumattomia jos ja vain jos seuraavat yhtäpitävät ehdot toteutuvat (Tässä F X (x) ja F Y (y) ovat reunajakaumien kertymäfunktiot.): 1. f XY (x,y) = f X (x)f Y (y) 2. F XY (x,y) = F X (x)f Y (y) Yleisesti satunnaismuuttujille X 1,X 2,...,X n, joiden yhteisjakauman pistetn- tai tiheysfunktio on f(x 1,x 2,...,x n ) ja reunajakaumien pistetn- tai tiheysfunktio ovat f(x i ),i = 1, 2,...,n (sekä vastaavat kertymäfunktiot merkittynä F :llä): 1. f(x 1,x 2,...,x n ) = f(x 1 )f(x 2 ) f(x n ) 2. F(x 1,x 2,...,x n ) = F(x 1 )F(x 2 ) F(x n ) Heliövaara 43

Kaksiulotteisen jakauman yleinen odotusarvo Olkoon g : R 2 R jatkuva funktio. Tällöin diskreetissä tapauksessa: E(g(X,Y )) = x y g(x,y)f XY (x,y) Ja vastaavasti jatkuvassa tapauksessa: E(g(X,Y )) = + + g(x,y)f XY (x,y)dydx Heliövaara 44

Reunajakaumien odotusarvot Diskreetissä tapauksessa: E(X) = x xf XY (x,y) = x x y f XY (x,y) = x xf X (x) E(Y ) = x y yf XY (x,y) = y y x f XY (x,y) = y yf Y (y) y Ja vastaavasti jatkuvassa tapauksessa: E(X) = = + + + x + xf XY (x,y)dydx f XY (x,y)dydx = + xf X (x)dx Heliövaara 45

Reunajakaumien varianssit Olkoon (X, Y ) satunnaismuuttujapari, jonka yhteisjakauman pistetodennäköisyys- tai tiheysfunktiota merkitään f XY (x,y) Diskreetissä tapauksessa: Var(X) = E(X 2 ) ( E(X) ) 2 missä E(X 2 ) = x x 2 f X (x) Jatkuvassa tapauksessa: Var(X) = E(X 2 ) ( E(X) ) 2 missä E(X 2 ) = + x 2 f X (x) dx Heliövaara 46

Kovarianssi Kovarianssi kuvaa kahden satunnaismuuttujan yhteisvaihtelua niiden yhteisjakauman painopisteen (µ X,µ Y ) ympärillä. Cov(X,Y ) = σ XY = E ( (X µ X )(Y µ Y ) ) = E(XY ) E(X)E(Y ) Laskukaavat diskreeteille ja jatkuville jakaumille: Cov(X,Y ) = x Cov(X,Y ) = (x µ X )(y µ Y )f XY (x,y) y + + Cov(X,X) = Var(X) ja Cov(Y,Y ) = Var(Y ). (x µ X )(y µ Y )f XY (x,y) dy dx Heliövaara 47

Kovarianssiin liittyviä laskukaavoja Summan ja erotuksen varianssi yleisessä tapauksessa Var(X ±Y ) = Var(X)+Var(Y ) ±2Cov(X,Y ) = σ 2 X +σ 2 Y ±2σ XY Olkoot (vakiot a,b,c,d R) W = a + bx Z = c + dy Tällöin Cov(W,Z) = bdcov(x,y ) = bdσ XY X Y Cov(X,Y ) = 0, mutta käänteinen ei aina päde. Heliövaara 48

Korrelaatiokerroin Korrelaatiokerroin kuvaa kahden satunnaismuuttujan lineaarisen riippuvuuden voimakkuutta. Cor(X,Y ) = ρ XY = Cov(X,Y ) = Cov(X,Y ) Var(X)Var(Y ) D(X)D(Y ) = σ XY σ X σ Y Korrelaatiokertoimen ominaisuudet: 1. 1 Cor(X,Y ) 1 2. X Y Cor(X,Y ) = 0, mutta käänteinen ei aina päde. 3. Cor(X,Y ) = ±1 jos ja vain jos Y = α + βx, missä vakiot α,β R ja β 0 Heliövaara 49