6. laskuharjoitusten vastaukset (viikot 10 11)

Samankaltaiset tiedostot
Lisätehtäviä ratkaisuineen luentomonisteen lukuihin 2-4 liittyen

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 4: Testi suhteelliselle osuudelle

30A02000 Tilastotieteen perusteet

4. laskuharjoituskierros, vko 7, ratkaisut

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

4.1. Olkoon X mielivaltainen positiivinen satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo on

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

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Diskreetin satunnaismuuttujan odotusarvo, keskihajonta ja varianssi

1. Nollahypoteesi on, että teksti on kirjoitettu lyhyemmällä murteella. Mahdollisiavaihtoehtojaonvainyksieliettäteksti

Lisää Diskreettejä jakaumia Lisää Jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 3

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

Tilastollinen aineisto Luottamusväli

dx=5&uilang=fi&lang=fi&lvv=2014

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Tilastotieteen kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Käytetään satunnaismuuttujaa samoin kuin tilastotieteen puolella:

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

11 Raja-arvolauseita ja approksimaatioita

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

(b) Onko hyvä idea laske pinta-alan odotusarvo lähetmällä oletuksesta, että keppi katkeaa katkaisukohdan odotusarvon kohdalla?

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Väliestimointi (jatkoa) Heliövaara 1

Miten voidaan arvioida virheellisten komponenttien osuutta tuotannossa? Miten voidaan arvioida valmistajan kynttilöiden keskimääräistä palamisaikaa?

D ( ) E( ) E( ) 2.917

Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

806109P TILASTOTIETEEN PERUSMENETELMÄT I Hanna Heikkinen Esimerkkejä estimoinnista ja merkitsevyystestauksesta, syksy (1 α) = 99 1 α = 0.

Jatkuvat satunnaismuuttujat

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

c) A = pariton, B = ainakin 4. Nyt = silmäluku on5 Koska esim. P( P(A) P(B) =, eivät tapahtumat A ja B ole riippumattomia.

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

riippumattomia ja noudattavat samaa jakaumaa.

Testit laatueroasteikollisille muuttujille

tilastotieteen kertaus

Tilastotieteen kertaus. Kuusinen/Heliövaara 1

/1. MTTTP5, luento Normaalijakauma (jatkuu) Binomijakaumaa voidaan approksimoida normaalijakaumalla

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

Juuri 10 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

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

MTTTP5, luento Otossuureita ja niiden jakaumia (jatkuu)

Testit järjestysasteikollisille muuttujille

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

Matematiikan kotitehtävä 2, MAA 10 Todennäköisyys ja tilastot

3.6 Su-estimaattorien asymptotiikka

¼ ¼ joten tulokset ovat muuttuneet ja nimenomaan huontontuneet eivätkä tulleet paremmiksi.

Johdatus tilastotieteeseen Testit laatueroasteikollisille muuttujille. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10 13

Tutkimustiedonhallinnan peruskurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Jos nollahypoteesi pitää paikkansa on F-testisuuren jakautunut Fisherin F-jakauman mukaan

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

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

VALTIOTIETEELLINEN TIEDEKUNTA TILASTOTIETEEN VALINTAKOE Ratkaisut ja arvostelu < X 170

Todennäköisyyden ominaisuuksia

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Odotusarvo. Odotusarvon ominaisuuksia Satunnaismuuttujien ominaisuuksia 61

/1. MTTTP5, luento Normaalijakauma (jatkuu) Binomijakaumaa voidaan approksimoida normaalijakaumalla

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

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

Harjoitus 7: NCSS - Tilastollinen analyysi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Tilastollisia peruskäsitteitä ja Monte Carlo

Johdatus tilastotieteeseen Testit suhdeasteikollisille muuttujille. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Tilastollinen testaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

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

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 2: Tilastolliset testit

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

Teema 8: Parametrien estimointi ja luottamusvälit

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

5. laskuharjoituskierros, vko 8, ratkaisut

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Moniulotteiset jakaumat. Avainsanat:

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

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

MTTTA1 Tilastomenetelmien perusteet 5 op Luento Kokonaisuudet johon opintojakso kuuluu

Estimointi populaation tuntemattoman parametrin arviointia otossuureen avulla Otossuure satunnaisotoksen avulla määritelty funktio

MTTTA1 Tilastomenetelmien perusteet 5 op Luento , osa 1. 1 Kokonaisuudet johon opintojakso kuuluu

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

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

Matematiikan kotitehtävä 2, MAA 10 Todennäköisyys ja tilastot

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

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

Teema 7: Todennäköisyyksien laskentaa

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

Tutkimusongelmia ja tilastollisia hypoteeseja: Perunalastupussien keskimääräinen paino? Nollahypoteesi Vaihtoehtoinen hypoteesi (yksisuuntainen)

Koska ovat negatiiviset. Keskihajontoja ei pystytä laskemaan mutta pätee ¾.

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 6: Korrelaatio ja riippuvuus tilastotieteessä

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikot 5 6

Epäyhtälöt ovat yksi matemaatikon voimakkaimmista

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

Transkriptio:

6. laskuharjoitusten vastaukset (viikot 10 11) 1. a) Sivun 102 hypergeometrisen jakauman määritelmästä saadaan µ µ 13 39 13! 13 12 11 10 9 µ 0! 8! 1! 2 2! 2 1 0 49 48! 47!! 14440 120 31187200 120 1287 298960 0, 0000. b) c) d) 4 µ µ 13 39 4 0 µ 2 4 0, 00049198 0, 00198. µ µ 13 2 µ µ 13 2 µ 0 39 1 0, 00098 1 0, 00098. 2 µ 0 39 1 0, 00098 1 0, 00391. 2 e) Kirjan (s. 118) nyrkkisääntö on n < 0, 1. N Tehtävän tilanteessa n ja N 2, joten nyrkkisääntö toteutuu juuri ja juuri: ' 0, 096 < 0, 1. 2 f) Nostetun kortin palauttaminen pakkaan ennen seuraavan kortin jakoa muuttaa todennäköisyyksiä suhteellisesti huomattavasti mutta absoluuttisesti vähän. Binomijakauman mukainen todennäköisyys on noin kaksinkertainen mutta ero on silti vain kymmenestuhannesosia (0, 0000 vs. 0, 00098).

2. Binomijakauman normaalijakauma-approksimaatio on kirjan (s:n 110) peukalosäännön mukaan käyttökelpoinen, kun np > ja nq >, jossan on havaintojen lukumäärä ja p ja q ovat vaihtoehtoisten tapahtumien todennäköisyydet. Tehtävän tilanteessa n 118 ja oletuksen mukaan p q 0,, joten np nq 118 0, 9>. Peukalosäännön mukaan normaalijakauma-approksimaatio on käytettävissä. Merkitään X:llä satunnaismuuttujaa "päätösten lukumäärä, joissa lapset määrätään isälle asumaan". Tehtävän tilanteessa odotusarvo E(X) np 9ja varianssi D 2 (X) npq 118 0, 0, 29,. Näin ollen normaalijakaumaapproksimaation mukaan todennäköisyys, että satunnaisessa 118:n havainnon aineistossa lapset määrätään isälle asumaan päätöksistä 3:ssä tai pienemmässä lukumäärässä on P(X 3) P µ X 9 3 9 29, 29, P(Z 3 9 29, ) µ 3 9 Φ 29, Φ ( 4, 419), 0 10 6. Yllä Z on standardinormaalisti jakautunut satunnaismuuttuja. Satunnaismuuttujan arvo 4, 419 on niin pieni, että siihen liittyvää normaalijakauman kertymäfunktion arvoa ei ole taulukoitu! (Kirjan taulukko alkaa arvosta 3, 9, jolla arvolla kertymäfunktion arvo on n. 0, 0002.) Kertymäfunktion arvo yllä on laskettu tilasto-ohjelmistolla. Todennäköisyys on noin viisi miljoonasosaa. Mikäli käytetään jatkuvuuskorjausta (kirjan s. 109 ja kurssin kotisivun lisämateriaali), tulos on noin kahdeksan miljoonasosaa: Φ µ 3 + 1 2 9 29, Φ ( 4, 327) 7, 6 10 6. Mikäli käräjäoikeudenkäynnissä eri sukupuolta olevilla vanhemmilla olisi oletetulla tavalla yhtäsuuri todennäköisyys (0, ) saada lapsi asumaan luokseen, olisi tutkimuslaitoksen aineisto äärimmäisen poikkeuksellinen. Sen vuoksi on syytä epäillä oletuksen p 0, paikkansapitävyyttä. Huomaa tehtävän kysymyksenasettelun ja päättelyn samankaltaisuus kirjan sivujen 119 ja 12 esimerkkien kanssa.

3. Satunnaismuuttujat X i ovat riippumattomasti jakautuneita siten, että E(X i ) 20 (kg) ja D 2 (X i )9(kg 2 ) kaikilla i 1, 2,..., 10. a) Z i X i 20 1 3 3 X i 20 3. Satunnaismuuttuja Z i on lineaarimuunnos ("a + bx i ") satunnaismuuttujasta X i. Siten Z i :n odotusarvon ja varianssin voi laskea kirjan sivujen 84 ja 94 kaavoilla: E(Z i )E( 1 3 X i 20 3 )E(1 3 X i) E( 20 3 )1 3 E(X i) 1 20 20 3 3 20 3 0. D 2 (Z i )D 2 ( 1 3 X i 20 3 )D2 ( 1 3 X i) 1 3 2 D2 (X i ) 1 9 91. Satunnaismuuttuja Z i :n odotusarvo on 0 ja varianssi on 1. b) X (X 1 +... + X 10 ) X 1 10 10 +... + X 10 10. Satunnaismuuttuja X on keskiarvo kymmenestä riippumattomasta satunnaismuuttujasta X i. Keskiarvon odotusarvon ja varianssin voi laskea käyttäen kirjan sivujen 8 ja 9 kaavoja: E(X) E( X 1 10 +... + X 10 10 )E(X 1 10 )+... + E(X 10 10 ) 20 20 20 +... + 10 10 10 10 20. D 2 (X) D 2 ( X 1 10 +... + X 10 10 ) riippum. 1 10 2 D2 (X 1 )+... + 1 10 2 D2 (X 10 )10 1 10 2 90.9. Satunnaismuuttuja X:n odotusarvo ja varianssi ovat 20 (kg) ja 0.9 (kg 2 ).

4. Kahvin määrä yhdessä "lusikallisessa" on satunnaismuuttuja, jonka oletetetaan olevan normaalijakautunut odotusarvolla (g) ja varianssilla 12 (g 2 ). Merkitään kyseistä satunnaismuuttujaa X:llä ja vastaavaa standardoitua satunnaismuuttujaa Z:lla. Siis X N(, 12) ja Z X 12 N(0, 1). a) Maija on tyytyväinen kahviinsa, kun 4. <X<6.. Tämän tapahtuman todennäköisyys on P(X <6.) P (X <4.) P(Z < 6. ) P(Z < 4. ) 12 12 P(Z < 6. ) P(Z < 4. ) 12 12 P(Z <0.433 01) P(Z < 0.144 34). Pyöristämällä ja käyttämällä normaalijakauman kertymäfunktion taulukkoa kirjan lopusta voimme sanoa, että kysytty todennäköisyys on noin 0, 22: P(Z < 0.43) P(Z < 0.14) Φ(0.43) Φ( 0.14) 0.6664 0.4443 0.22. b) Kahvi on Maijan mielestä liian laihaa, kun X<4., eli kun Z< 4. 12 4. 12. Tämän tapahtuman todennäköisyys on a-kohdan perusteella noin Φ( 0.14) 0.44. c) Kahvi on Maijalle liian vahvaa, kun X > 6. g. Tämän tapahtuman todennäköisyys on 1 P(X <6.) 1 P(Z < 6. )1 P(Z < 6. ) 12 12 1 Φ(0.43) 1 0.6664 0.33.

. Olkoon satunnaismuuttuja X i "i:nnen keksin paino". Sen odotusarvo on 30 (g) ja varianssi on 2.32 (g 2 ). Eri keksien painot ovat toisistaan riippumattomia. Siis X i N(30, 2.32) kaikilla i ja X i :t ovat toisistaan riippumattomia. Kunkin keksipaketin paino on summa 20 tai 30 toisistaan riippumattoman keksin painosta. Tällöin myös keksipakettien painot ovat toisistaan riippumattomia satunnaismuuttujia. Tehtävässä käytetyn indeksoinnin on tarkoitus korostaa tätä asiaa. Riippumattomuus on oleellista satunnaismuuttujien yhdisteiden varianssien laskemisessa, kuten kirjan sivujen 94 ja 9 kaavojen vertailu osoittaa. Esimerkki: D 2 (X + X) D 2 (2X) 4D 2 (X), kun X on satunnaismuuttuja. toisistaan.) Toisaalta (Yllä summattavat eivät ole riippumattomia D 2 (X 1 + X 2 )D 2 (X 1 )+D 2 (X 2 )2D 2 (X i ), kun X i :t ovat toisistaan riippumattomia satunnaismuuttujia, joiden varianssi on sama. a) Olkoon satunnaismuuttuja S 20 "20 keksiä sisältävän paketin paino". Tällöin E(S 20 )E( 20X i1 X i ) 20X i1 E(X i )20E(X i )20 30 600. D 2 (S 20 )D 2 ( 20X i1 X i ) riippum. 20X i1 Näin ollen pienen keksipaketin painon jakauma on D 2 (X i )20D 2 (X i )20 2.32 46.4. S 20 N(600, 46.4) ja P(S 20 > 61) 1 P(S 20 < 61) 1 P( S 20 600 61 600 < ) 46.4 46.4 61 600 1 P(Z < ) 46.4 61 600 1 Φ( ) 46.4 1 Φ(2.20) 1 0.9861 0.014.

b) Merkitään satunnaismuuttujaa "30 keksiä sisältävän paketin paino" S 30 :lla. Vastaavasti kuten yllä saadaan E(S 30 )30E(X i ) 900, D 2 (S 30 )30 2.32 69.6. Siis suuren keksipaketin painon jakauma on S 30 N(900, 69.6). Indeksoidaan nyt keksipaketit myös järjestysnumerolla, jotta keksipaketit voidaan erottaa laskuissa toisistaan (esim. S 20,1 on ensimmäinen pieni keksipaketti). Olkoon satunnaismuuttuja Y kolmen pienen keksipaketin paino vähennettynä kahden suuren paketin painolla eli Tällöin Y S 20,1 + S 20,2 + S 20,3 S 30,1 S 30,2. E(Y ) E(S 20,1 + S 20,2 + S 20,3 S 30,1 S 30,2 ) E(S 20,1 )+E(S 20,2 )+E(S 20,3 ) E(S 30,1 ) E(S 30,2 ) 3 E(S 20 ) 2 E(S 30 ) 3 600 2 900 1800 1800 0. D 2 (Y ) D 2 (S 20,1 + S 20,2 + S 20,3 S 30,1 S 30,2 ) riippum. D 2 (S 20,1 )+D 2 (S 20,2 )+D 2 (S 20,3 )+D 2 (S 30,1 )+D 2 (S 30,2 ) 3 46.4+2 69.6 278.4. Siis Y N(0, 278.4). Todennäköisyys, että kolme pientä pakkausta painaa vähintään 2 grammaa enemmän kuin kaksi suurta, on P(Y >2) 1 P(Y <2) 1 P( Y 0 < 2 0 ) 278.4 278.4 1 P(Z < 2 2 )1 Φ( ) 1 Φ(1.0) 1 0.9332 278.4 278.4 0.067.

6. a) Edellisen tehtävän perusteella suuren keksipaketin paino S 30 noudattaa normaalijakaumaa S 30 N(900, 69.6) (järjestysnumeroindeksointi jätetään tässä tehtävässä pois tarpeettomana). Todennäköisyys, että yksittäisen suuren keksipaketin paino S 30 on yli 900 grammaa on siten puoli: P(S 30 900) P( S 30 900 900 900 )P(Z 0) 0.. 69.6 69.6 Yllä Z on standardinormaalisti jakautunut satunnaismuuttuja. Yksittäinen keksipaketti toteuttaa Kuluttujaviraston kriteerin todennäköisyydellä puoli. Satunnaisessa otoksessa keksipaketeista puolet ei välttämättä täytä kriteeriä. (Esimerkiksi todennäköisyys, että kolmen keksipaketin otoksessa yksikään ei toteuttaisi kriteeriä, on (0.) 3 0.12.) Mikäli otos on suuri, niin suurten lukujen laki (s. 89) kuitenkin takaa, että keksipaketeista puolet toteuttaa kriteerin: Kriteerin toteutuminen on binomijakautunut satunnaismuuttuja, jossa kriteerin toteutumisen todennäköisyys p 0,. Merkitään K i :llä satunnaismuuttujaa "kriteeri toteutuu", K i 1,josi. keksipaketti toteuttaa kriteerin ja K i 0, jos se ei toteuta. Tällöin kriteerin toteuttavien keksipakettien osuus (murtolukuna 0:n ja 1:n välillä) on n:n suuruisessa otoksessa n 1 n X i1 K i [0, 1]. (Esimerkiksi jos n 100 ja paketeista 2 toteuttaa kriteerin, niin 100 1 P n i1 K i 0, 2.) Yksittäisen K i :n odotusarvo yllä on 0, (yksittäisen binomijakautuneen satunnaismuuttujan odotusarvo on 1 p p, ks. s. 98). Osuus n 1 P n i1 K i on keskiarvo riippumattomista satunnaismuuttujista, joiden odotusarvo on sama 0,. Suurten lukujen lain (s. 89) perusteella osuus n 1 P n i1 K i lähestyy siten 0, :ttä otoskoon n kasvaessa. Tällöin puolet keksipaketeista toteuttaa kriteerin. (Kirjan s:illa 121 122 perusteltiin, että osuuden (n 1 P n i1 K i)odotusarvoon sama kuin yksittäisen satunnaismuuttujan (K i ) odotusarvo. Argumentti edellä takaa, että suurilla otoskoilla osuus (eikä pelkkä sen odotusarvo) täsmää yksittäisen satunnaismuuttujaan liittyvän todennäköisyyden kanssa.)

b) Edelleen E(S 30 )30E(X i ), mutta keksien odotusarvo E(X i ) on nyt tuntematon. Keksien painon varianssi pysyy ennallaan, joten edelleen D 2 (S 30 )30 2.32 69.6. Koska normaalisuuskin oletetaan edelleen, pätee Tehtävässä annettu kriteeri S 30 N(30E(X i ), 69.6). on yhtäpitävä ehtojen ja P(S 30 > 900) 0.9 P(S 30 < 900) 0.1 P( S 30 30E(X i ) 69.6 < 900 30E(X i) 69.6 )P(Z < 900 30E(X i) 69.6 ) 0.1 kanssa. Yllä Z on standardinormaalijakautunut satunnaismuuttuja. Standardinormaalijakauman kertymäfunktion taulukosta nähdään (tarkista!), että (oikeanpuoleisin) epäyhtälö toteutuu, kun 900 30E(X i ) ) 1.29 69.6 eli kun 900 30E(X i ) 1.29 69.6 eli kun E(X i ) 900 + 1.29 69.6 30.36. 30 Keksien painon odotusarvon tulisi olla vähintään 30.36 g, jotta yli 90 prosenttia suurista keksipakkauksista painaisi yli 90 grammaa.