Lisää Diskreettejä jakaumia Lisää Jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

Samankaltaiset tiedostot
Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

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

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

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

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

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Jatkuvia jakaumia

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

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

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

30A02000 Tilastotieteen perusteet

4.1. Olkoon X mielivaltainen positiivinen satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo on

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

D ( ) E( ) E( ) 2.917

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

4. laskuharjoituskierros, vko 7, ratkaisut

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat Kertymäfunktio

Todennäköisyysjakaumia

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

5. laskuharjoituskierros, vko 8, ratkaisut

Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

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

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia: Mitä opimme?

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Ilkka Mellin Tilastolliset menetelmät Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi Estimointi

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 1A

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Tilastotieteen kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Todennäköisyyslaskun kertaus. Heliövaara 1

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Tilastotieteen kertaus. Kuusinen/Heliövaara 1

tilastotieteen kertaus

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

3. laskuharjoituskierros, vko 6, ratkaisut

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Johdatus tilastotieteeseen Estimointi. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Johdatus tilastotieteeseen Väliestimointi. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

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

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Tilastollinen aineisto Luottamusväli

Todennäköisyyden ominaisuuksia

Testit laatueroasteikollisille muuttujille

Matemaattinen tilastotiede. Erkki Liski Matematiikan, Tilastotieteen ja Filosofian Laitos Tampereen Yliopisto

Tilastolliset menetelmät. Osa 3: Tilastolliset testit. Tilastollinen testaus KE (2014) 1

Estimointi. Estimointi. Estimointi: Mitä opimme? 2/4. Estimointi: Mitä opimme? 1/4. Estimointi: Mitä opimme? 3/4. Estimointi: Mitä opimme?

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

Testejä suhdeasteikollisille muuttujille

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 3

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

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

6. laskuharjoitusten vastaukset (viikot 10 11)

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

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku 5. harjoitukset/ratkaisut. Jatkuvat jakaumat

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

Käytetään satunnaismuuttujaa samoin kuin tilastotieteen puolella:

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

Suotuisien tapahtumien lukumäärä Kaikki alkeistapahtumien lukumäärä

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

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

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa I

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa I

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

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. 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

Teema 8: Parametrien estimointi ja luottamusvälit

Todennäköisyyslaskenta sivuaineopiskelijoille

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

Todennäköisyyslaskenta IIa, syyslokakuu 2019 / Hytönen 2. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

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

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

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Mat Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa I

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

Tilastolliset menetelmät. Osa 1: Johdanto. Johdanto tilastotieteeseen KE (2014) 1

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikot 5 6

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

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

Tilastollinen testaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Johdatus tilastotieteeseen Testit suhdeasteikollisille muuttujille. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

5 Tärkeitä yksiulotteisia jakaumia

Jatkuvat satunnaismuuttujat

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,

Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Esimerkkikokoelma 3

Poisson-prosessien ominaisuuksia ja esimerkkilaskuja

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Tilastomatematiikka Kevät 2008

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

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Väliestimointi (jatkoa) Heliövaara 1

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

Transkriptio:

Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Lisää Diskreettejä jakaumia Lisää Jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia KE (2014) 1

Hypergeometrinen jakauma Hypergeometrinen jakauma ja sen pistetodennäköisyysfunktio 1/3 Olkoon perusjoukon S alkioiden lukumäärä n(s) = N Tarkastellaan perusjoukon S ositusta joukkoihin A ja A c. Oletetaan, että joukossa A S on n(a) = r alkiota. Tällöin joukon A komplementissa A c on n(a c ) = N r alkiota. Milla Kibble (2013) 2

Hypergeometrinen jakauma Hypergeometrinen jakauma ja sen pistetodennäköisyysfunktio 2/3 Poimitaan perusjoukosta S satunnaisesti osajoukko B, jonka alkioiden lukumäärä on n(b) = n käyttämällä poiminnassa otantaa ilman takaisinpanoa. Määritellään diskreetti satunnaismuuttuja X: X = Osajoukkoon B tulleiden A:n alkioiden lukumäärä Milla Kibble (2013) 3

Hypergeometrinen jakauma Hypergeometrinen jakauma ja sen pistetodennäköisyysfunktio 3/3 Sanomme, että satunnaismuuttuja X noudattaa hypergeometrista jakaumaa parametrein N, r ja n. Merkintä: X HyperGeom(N, r, n) Satunnaismuuttujan X pistetodennäköisyysfunktio on r N r x n x f( x) = Pr( X = x) = N n max[0, n ( N r)] x min( nr, ) Milla Kibble (2013) 4

Hypergeometrinen jakauma Pistetodennäköisyysfunktion johto 1/4 Olkoon S otosavaruus ja n(s) = N Olkoon A S Tällöin {A, A c } on otosavaruuden S ositus. Olkoon n(a) = r ja n(a c ) = N r Olkoon B S ja n(b) = n Otosavaruuden S ositus {A, A c } indusoi osituksen joukkoon B: B = (B A) (B A c ) Olkoon n(b A) = x n(b A c ) = n x A B B A B A c A c S Milla Kibble (2013) 5

Hypergeometrinen jakauma Pistetodennäköisyysfunktion johto 2/4 N:n alkion joukosta S voidaan poimia n:n alkion osajoukko B N n eri tavalla. r:n alkion joukosta A voidaan poimia x alkiota r x eri tavalla. (N r):n alkion joukosta A c voidaan poimia n x alkiota A B B A B A c A c N r n x eri tavalla. S Milla Kibble (2013) 6

Hypergeometrinen jakauma Pistetodennäköisyysfunktion johto 3/4 r:n alkion joukosta A voidaan poimia x alkiota riippumatta siitä, mitkä n x alkiota poimitaan (N r):n alkion joukosta A c. Kertolaskuperiaatteen nojalla n alkiota voidaan poimia joukosta S niin, että saadaan r alkiota joukosta A ja (N r) alkiota joukosta A c r N r x n x eri tavalla. A B B A B A c A c S Milla Kibble (2013) 7

Hypergeometrinen jakauma Pistetodennäköisyysfunktion johto 4/4 Soveltamalla klassisen todennäköisyyden määritelmää saadaan: r N r x n x Pr( X = x) = N n A B A B A c B A c S Milla Kibble (2013) 8

Hypergeometrinen jakauma Odotusarvo, varianssi ja standardipoikkeama Olkoon X HyperGeom(N, r, n) Odotusarvo: r E( X) = n N Varianssi ja standardipoikkeama: r r N n X = X = n N N N 1 2 Var( ) D ( ) 1 r r N n D( X) = n 1 N N N 1 Milla Kibble (2013) 9

Hypergeometrinen jakauma Pistetodennäköisyysfunktion kuvaaja Kuva oikealla esittää hypergeometrisen jakauman HyperGeom(100, 12, 20) pistetodennäköisyysfunktiota r N r x n x f( x) = N n N = 100, r = 12, n= 20 pisteissä x = 0, 1, 2,, 12 Jakauman odotusarvo: r E( X) = n = 2.4 N 0.4 0.3 0.2 0.1 0 HyperGeom(100, 12, 20) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 E(X) = 2.4 KE (2014) 10

Hypergeometrinen jakauma Esimerkki (Laininen) Leipuri leipoo aamulla 40 munkkia ja sekoittaa niiden joukkoon 10 edellisenä päivänä myymättä jäänyttä munkkia. Ensimmäinen asiakas ostaa viisi satunnaisesti valittua munkkia. Asiakkaan saamien edellisenä päivänä myymättä jääneiden munkkien lukumäärä on X. Kuinka X jakautuu? Satunnaismuuttuja X noudattaa hypergeometrista jakaumaa parametrein perusjoukon koko N=50, otoskoko n=5 ja edellispäiväisten munkkien määrä r =10. On odotettavissa, että asiakas saa E( X ) = ( 5 10 ) / 50 = 1 kpl edellisenä päivänä myymättä jääneitä munkkeja. Milla Kibble (2013) 11

Hypergeometrinen jakauma Hypergeometrinen jakauma vs binomijakauma 1/3 Hypergeometrisen jakauman todennäköisyydet ovat lähellä binomitodennäköisyyksiä, jos otantasuhde n 0 N Otantasuhde 0, jos otoskoko n on pieni perusjoukon kokoon N nähden. Milla Kibble (2013) 12

Hypergeometrinen jakauma Hypergeometrinen jakauma vs binomijakauma 2/3 Olkoon X HyperGeom(N, r, n) Merkitään p = r/n, jolloin r = Np. Siten X HyperGeom(N, Np, n) Annetaan N +. Tällöin hypergeometrisen jakauman HyperGeom(N, Np, n) pistetodennäköisyydet lähestyvät binomijakauman Bin(n, p) pistetodennäköisyyksiä: lim f ( x) = f ( x), x= 0,1,2,, n N + HyperGeom( N, Np, n) Bin ( n, p) Milla Kibble (2013) 13

Hypergeometrinen jakauma Hypergeometrinen jakauma vs binomijakauma 3/3 Hypergeometrisen jakauman ja binomijakauman yhteys tulee esille siinä, että jakaumilla on sama odotusarvo ja varianssit eroavat vain multiplikatiivisella tekijällä N n N 1 jota sanotaan äärellisen perusjoukon korjaustekijäksi. Korjaustekijä vaikuttaa hypergeometrisen jakauman varianssiin sitä vähemmän mitä pienempi on otantasuhde n/n: N n n 1, jos 0 N 1 N Milla Kibble (2013) 14

Hypergeometrinen jakauma Otanta takaisinpanolla vs otanta ilman takaisinpanoa Binomijakauma muodostaa todennäköisyysmallin otannalle takaisinpanolla eli palauttaen. Hypergeometrinen jakauma muodostaa todennäköisyysmallin otannalle ilman takaisinpanoa eli palauttamatta. Ero otannan takaisinpanolla ja otannan ilman takaisinpanoa välillä on merkityksetön, jos otantasuhde n/n on pieni tai perusjoukko on ääretön. Käytännössä otanta tehdään lähes aina ilman takaisinpanoa, mutta laskutoimituksissa käytetään silti usein kaavoja, jotka perustuvat otantaan takaisinpanolla. Edellä esitetyn mukaan tästä johtuva virhe on kuitenkin yleensä merkityksetön. Milla Kibble (2013) 15

Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Lisää diskreettejä jakaumia Lisää jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia KE (2014) 16

Eksponenttijakauma Eksponenttijakauma ja sen tiheysfunktio Olkoon satunnaismuuttujan X tiheysfunktio Funktio f(x) kelpaa tiheysfunktioksi, koska Sanomme, että satunnaismuuttuja X noudattaa eksponenttijakaumaa parametrinaan λ. Merkintä: λx f( x) = λe, λ > 0, x 0 + 0 f ( x) dx = 1 X Exp(λ) Milla Kibble (2013) 17

Eksponenttijakauma Eksponenttijakauma ja sen kertymäfunktio Olkoon X Exp(λ). Satunnaismuuttujan X tiheysfunktio: λx f( x) = λe, λ > 0, x 0 Siten satunnaismuuttujan X kertymäfunktioksi saadaan, kun x 0 : λt F( x) = Pr( X x) = f ( t) dt = λe dt x x 0 = e = 1 e λt λx x 0 Milla Kibble (2013) 18

Eksponenttijakauma Odotusarvo, varianssi ja standardipoikkeama Olkoon X Exp(λ). Odotusarvo: 1 E( X ) = λ Varianssi ja standardipoikkeama: 2 Var( ) D ( ) X 1 D( X ) = λ = X = 1 2 λ Milla Kibble (2013) 19

Eksponenttijakauma Odotusarvon johto Olkoon X Exp(λ) Tällöin osittaisintegroinnilla saadaan: + + λx E( X ) = xf ( x) dx = xλe dx 0 0 1 = e λ 1 = λ + λx + λx xe e dx 0 0 = + λx + 0 Milla Kibble (2013) 20

Eksponenttijakauma Tiheysfunktion kuvaaja Kuva oikealla esittää eksponenttijakauman Exp(λ) tiheysfunktiota f( x) = λe λx välillä [0, 6], kun (i) λ = 1/2 (ii) λ = 1/4 Jakauman odotusarvo: E( X ) = 1/ λ 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Exp(λ) Exp(1/2) Exp(1/4) 0 2 4 6 Milla Kibble (2013) 21

Eksponenttijakauma Kertymäfunktion kuvaaja Kuva oikealla esittää eksponenttijakauman Exp(λ) kertymäfunktiota F( x) = 1 e λx välillä [0, 6], kun λ = 1/2 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Exp(λ) 0 2 4 6 Milla Kibble (2013) 22

Eksponenttijakauma Eksponenttijakauma Eksponenttijakauma on jonomalleissa tavallinen palvelupisteeseen saapuvien asiakkaiden väliajan X jakauma. Jakaumaa käytetään usein myös yksivaiheisen palvelun kestoajan jakautumismallina. Luotettavuustekniikassa eksponenttijakaumaa käytetään komponentin eliniän jakautumismallina. Milla Kibble (2013) 23

Eksponenttijakauma Eksponenttijakauman unohtamisominaisuus Olkoon X Exp(λ). Tällöin Pr( X a+ b X a) = Pr( X b) Siten eksponenttijakaumalla on seuraava unohtamisominaisuus: Se, että tapahtuman sattumista on jouduttu odottamaan ajan a, ei vaikuta todennäköisyyteen joutua odottamaan ajan b lisää. Milla Kibble (2013) 24

Eksponenttijakauma Todennäköisyyksien määrääminen eksponenttijakaumasta Olkoon X Exp(λ). Olkoon [c, d] [0, + ) jokin välin [0, + ) osaväli. Välin [c, d] todennäköisyys saadaan integroimalla eksponenttijakauman Exp(λ) tiheysfunktio λx f( x) = λe, λ > 0, x 0 välillä [c, d]: d λc Pr( c X d) = f ( x) dx = e e c λd Milla Kibble (2013) 25

Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Lisää diskreettejä jakaumia Lisää jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia KE (2014) 26

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia >> Johdanto χ 2 -jakauma t-jakauma Milla Kibble (2013) 27

Johdanto Jakaumien määritteleminen normaalijakauman avulla Useat tilastotieteen keskeiset todennäköisyysjakaumat voidaan määritellä normaalijakauman avulla. Tällaisia ovat esimerkiksi χ 2 - ja t-jakaumat, joilla on keskeinen rooli otosjakaumien teoriassa, estimoinnissa ja testauksessa (ks. monisteen Tilastolliset menetelmät lukuja Otokset ja otosjakaumat, Estimointi ja Tilastollinen testaus). Tarkastelemme seuraavien jakaumien määrittelemistä ja ominaisuuksia: χ 2 -jakauma t-jakauma Milla Kibble (2013) 28

Johdanto Jakaumien määritteleminen normaalijakauman avulla: Kommentteja Tarkastelemme tässä ko. jakaumien määrittelemistä ja keskeisiä ominaisuuksia esittämättä jakaumien tiheysfunktioiden lausekkeita. Tämä johtuu siitä, että emme tarvitse tiheysfunktioiden lausekkeita niissä tilastotieteellisissä sovelluksissa, joissa käytämme ko. jakaumia. Tiheysfunktioiden lausekkeet johdetaan monisteen luvussa Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. Milla Kibble (2013) 29

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia Johdanto >> χ 2 -jakauma t-jakauma Milla Kibble (2013) 30

χ 2 -jakauma χ 2 -jakauman määritelmä 1/2 Olkoot X i, i = 1, 2,, n riippumattomia, standardoitua normaalijakaumaa N(0,1) noudattavia satunnaismuuttujia. Tällöin X ~ N(0,1), i = 1,2,, n i X, X,, X 1 2 n Milla Kibble (2013) 31

χ 2 -jakauma χ 2 -jakauman määritelmä 2/2 Olkoon X N(0,1)-jakautuneiden, riippumattomien satunnaismuuttujien X i, i = 1, 2,, n neliösumma. Tällöin satunnaismuuttuja X noudattaa χ 2 -jakaumaa (Khiin neliö -jakaumaa) n:llä vapausasteella. Merkintä: n = X i= 1 X χ 2 (n) 2 i Milla Kibble (2013) 32

χ 2 -jakauma Odotusarvo, varianssi ja standardipoikkeama Olkoon X χ 2 (n). Odotusarvo: E( X) = n Varianssi ja standardipoikkeama: 2 Var( X) = D ( X) = 2n D( X) = 2n Milla Kibble (2013) 33

χ 2 -jakauma Tiheysfunktion kuvaaja Kuva oikealla esittää χ 2 -jakauman χ 2 (n) tiheysfunktiota välillä [0, 10], kun vapausasteiden lukumäärällä n on seuraavat arvot: (i) n = 1 (ii) n = 2 (iii) n = 5 Jakauman odotusarvo: E( X) = n 0.6 0.4 0.2 0 χ 2 (n) χ 2 (1) χ 2 (2) χ 2 (5) 0 2 4 6 8 10 Milla Kibble (2013) 34

χ 2 -jakauma Tiheysfunktion ja sen kuvaajan ominaisuuksia χ 2 -jakauman tiheysfunktio f(x) on positiivinen kaikille positiivisille argumentin arvoille: f(x) > 0, x > 0 Jos vapausasteiden lukumäärä n = 1, 2 niin tiheysfunktio on monotonisesti laskeva kaikille x 0. Jos vapausasteiden lukumäärä n 3 niin tiheysfunktio on yksihuippuinen ja sillä on maksimi jossakin pisteessä x > 0. Milla Kibble (2013) 35

χ 2 -jakauma Todennäköisyyksien määrääminen χ 2 -jakaumasta 1/2 Todennäköisyydet voidaan määrätä χ 2 -jakaumasta jakauman kertymäfunktion avulla. Olkoon X χ 2 (n). Olkoon satunnaismuuttujan X kertymäfunktio F Chi (x ; n) = Pr(X x) Huomautus 1: Merkinnällä F Chi (x ; n) on haluttu korostaa χ 2 -jakauman riippuvuutta sen vapausasteiden lukumäärästä n. Huomautus 2: Koska χ 2 -jakauman tiheysfunktion integraalifunktiota ei osata esittää suljetussa muodossa, jakauman kertymäfunktion arvojen määräämisessä on käytettävä jotakin numeerista menetelmää. KE (2014) 36

χ 2 -jakauma Todennäköisyyksien määrääminen χ 2 -jakaumasta 2/2 Kaikkien χ 2 -jakaumaan liittyvien tapahtumien todennäköisyydet saadaan todennäköisyyksistä Pr(X x) = F Chi (x ; n) todennäköisyyslaskennan laskusääntöjen avulla. Esimerkiksi Pr( a X b) = F ( b) F ( a) Chi Chi Milla Kibble (2013) 37

χ 2 -jakauma Todennäköisyyksien määrääminen χ 2 -jakaumasta: Taulukot 1/2 χ 2 -jakauman taulukot sisältävät tavallisesti argumentin x arvoja taulukoituna useille vapausasteiden lukumäärille n, mutta vain muutamille kertymäfunktion F Chi arvoille. Siten taulukot mahdollistavat seuraavan tehtävän ratkaisemisen (taulukkokohtaisin rajoituksin): Määrää x, kun todennäköisyys Pr(X x) = F Chi (x ; n) on annettu. Milla Kibble (2013) 38

χ 2 -jakauma Todennäköisyyksien määrääminen χ 2 -jakaumasta: Taulukot 2/2 Koska χ 2 -jakaumaa käytetään tavallisesti väliestimoinnin tai testauksen yhteydessä, χ 2 -jakauman taulukoihin on yleensä taulukoitu sellaisia argumentin x arvoja, jotka vastaavat todennäköisyyden Pr(X x) = F Chi (x ; n) komplementtitodennäköisyyttä p = Pr(X > x) = 1 F Chi (x ; n) Milla Kibble (2013) 39

χ 2 -jakauma Todennäköisyyksien määrääminen χ 2 -jakaumasta: Esimerkki Kuva oikealla esittää χ 2 -jakauman χ 2 (10) tiheysfunktiota välillä [0, 35]. χ 2 -jakauman taulukoista saadaan: Alueen pinta-ala = Pr(3.940 X 18.307) = F Chi (18.307;10) = 0.95 0.05 = 0.9 F A Chi (3.940;10) 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 χ 2 (10) 0.05 A = 0.9 0.05 0 5 10 15 20 25 30 35 3.940 18.307 Milla Kibble (2013) 40

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia Johdanto χ 2 -jakauma >> t-jakauma Milla Kibble (2013) 41

t-jakauma t-jakauman määritelmä 1/2 Olkoot Y ja X i, i = 1, 2,, n riippumattomia, standardoitua normaalijakaumaa N(0,1) noudattavia satunnaismuuttujia. Tällöin Y ~ N(0,1), X ~ N(0,1), i= 1,2,, n Y, X1, X2,, X ja edelleen n i= 1 i n 2 2 i X = X ~ χ ( n) Y X Milla Kibble (2013) 42

t-jakauma t-jakauman määritelmä 2/2 Olkoon jossa t = Tällöin satunnaismuuttuja t noudattaa Studentin t- jakaumaa n:llä vapausasteella. Merkintä: Y 1 X n 2 Y ~N(0,1), X ~ χ ( n), Y X t t(n) Milla Kibble (2013) 43

t-jakauma Odotusarvo, varianssi ja standardipoikkeama Olkoon t t(n). Odotusarvo: E( t) = 0, n> 1 Varianssi ja standardipoikkeama: n t = t = n> n 2 2 Var() D(), 2 n D( t) =, n> 2 n 2 Milla Kibble (2013) 44

t-jakauma Tiheysfunktion kuvaaja Kuva oikealla esittää t-jakauman t(n) tiheysfunktiota välillä [ 4, +4], kun vapausasteiden lukumäärällä n on seuraavat arvot: (i) n = 1 (ii) n = 3 (iii) n = 100 Jakauman odotusarvo: E( t) = 0, n> 1 Kuvaan on piirretty myös standardoidun normaalijakauman N(0,1) tiheysfunktion kuvaaja. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 t(n) ja N(0,1) t(3) t(1) t(100) N(0,1) -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 KE (2014) 45

t-jakauma Tiheysfunktion ja sen kuvaajan ominaisuuksia 1/2 t-jakauman tiheysfunktio f(x) on kaikkialla positiivinen: f(x) > 0 kaikille x Tiheysfunktio on yksihuippuinen. Tiheysfunktio saa maksimiarvonsa pisteessä 0. Tiheysfunktio on symmetrinen pisteen x = 0 suhteen: f( x) = f(+ x) kaikille x Milla Kibble (2013) 46

t-jakauma Tiheysfunktion ja sen kuvaajan ominaisuuksia 2/2 t-jakauman tiheysfunktio muistuttaa standardoidun normaalijakauman N(0,1) tiheysfunktiota, mutta on sitä paksuhäntäisempi. t-jakauman tiheysfunktio muistuttaa standardoidun normaalijakauman N(0,1) tiheysfunktiota sitä voimakkaammin mitä suurempi on vapausasteiden lukumäärä n (ks. tarkemmin >). Milla Kibble (2013) 47

t-jakauma t-jakauma ja normaalijakauma 1/2 t-jakauma lähestyy standardoitua normaalijakaumaa, kun vapausasteiden lukumäärä n kasvaa. Olkoon t t(n). Tällöin lim Pr( t z) =Φ( z) n + missä Φ on standardoidun normaalijakauman N(0,1) kertymäfunktio. Milla Kibble (2013) 48

t-jakauma t-jakauma ja normaalijakauma 2/2 Koska t-jakauma lähestyy vapausasteiden lukumäärän n kasvaessa standardoitua normaalijakaumaa N(0,1), voidaan t-jakaumaan liittyvät todennäköisyydet määrätä suurilla vapausasteiden luvuilla standardoidun normaalijakauman avulla. Normaalijakauma-approksimaatio t-jakaumalle on kohtuullinen jo, kun n = 30, ja riittävä useimpiin tarkoituksiin, kun n > 100. Esimerkki: Edellä esitetyssä kuvassa ei t(100)- ja N(0,1)-jakaumien tiheysfunktioiden kuvaajia pysty erottamaan toisistaan (ks. <). Milla Kibble (2013) 49

t-jakauma Todennäköisyyksien määrääminen t-jakaumasta 1/2 Todennäköisyyksien määrääminen t-jakaumasta voidaan tehdä jakauman kertymäfunktion avulla. Olkoon t t(n). Olkoon satunnaismuuttujan t kertymäfunktio F t (x ; n) = Pr(t x) Huomautus 1: Merkinnällä F t (x ; n) on haluttu korostaa t-jakauman riippuvuutta sen vapausasteiden lukumäärästä n. Huomautus 2: Koska t-jakauman tiheysfunktion integraalifunktiota ei osata esittää suljetussa muodossa, jakauman kertymäfunktion arvojen määräämisessä on käytettävä jotakin numeerista menetelmää. Milla Kibble (2013) 50

t-jakauma Todennäköisyyksien määrääminen t-jakaumasta 2/2 Kaikkien tapahtumien todennäköisyydet saadaan todennäköisyyksistä Pr(t x) = F t (x ; n) todennäköisyyslaskennan laskusääntöjen avulla. Esimerkiksi Pr( a t b) = F( b) F( a) t t Milla Kibble (2013) 51

t-jakauma Todennäköisyyksien määrääminen t-jakaumasta: Taulukot 1/3 t-jakauman taulukot sisältävät tavallisesti argumentin x arvoja taulukoituna useille vapausasteiden lukumäärille n, mutta vain muutamalle kertymäfunktion F t arvolle. Siten taulukot mahdollistavat seuraavan tehtävän ratkaisemisen (taulukkokohtaisin rajoituksin): Määrää x, kun todennäköisyys Pr(t x) = F t (x ; n) on annettu. Milla Kibble (2013) 52

t-jakauma Todennäköisyyksien määrääminen t-jakaumasta: Taulukot 2/3 Koska t-jakaumaa käytetään tavallisesti väliestimoinnin tai testauksen yhteydessä, t-jakauman taulukoihin on yleensä taulukoitu sellaisia argumentin x arvoja, jotka vastaavat todennäköisyyden Pr(t x) = F t (x ; n) komplementtitodennäköisyyttä p = Pr(t x) = 1 F t (x ; n) Milla Kibble (2013) 53

t-jakauma Todennäköisyyksien määrääminen t-jakaumasta: Taulukot 3/3 Monissa t-jakauman taulukoissa on taulukoitu todennäköisyyksiä p = Pr( t x) = 1 Ft ( x; n) vain, kun x 0. Tällöin todennäköisyydet Pr(t x) saadaan soveltamalla t-jakauman tiheysfunktion symmetrisyyttä pisteen x = 0 suhteen: Pr t x = 1 Pr( t x) ( ) = 1 Pr( t x) = Pr( t x) = p KE (2014) 54

t-jakauma Todennäköisyyksien määrääminen t-jakaumasta: Esimerkki Kuva oikealla esittää t-jakauman t(10) tiheysfunktiota välillä [ 4, +4]. t-jakauman taulukoista saadaan: Alueen pinta-ala = Pr( 1.812 t + 1.812) = F ( + 1.812;10) t F ( 1.812;10) = 0.95 0.05 = 0.9 t A 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 t(10) 0.05 0.05 A = 0.9-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 1.812 +1.812 Milla Kibble (2013) 55