Poisson-prosessien ominaisuuksia ja esimerkkilaskuja

Samankaltaiset tiedostot
Poisson-prosessien ominaisuuksia ja esimerkkilaskuja

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

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

Satunnaisluvut, satunnaisvektorit ja niiden jakaumat

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

J. Virtamo Jonoteoria / Poisson-prosessi 1

JATKUVAT JAKAUMAT Laplace-muunnos (Laplace-Stieltjes-muunnos)

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Tilastomatematiikka Kevät 2008

Satunnaisluvut, satunnaisvektorit ja niiden jakaumat

5. laskuharjoituskierros, vko 8, ratkaisut

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Generoivat funktiot, Poisson- ja eksponenttijakaumat

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

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

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Lisää Diskreettejä jakaumia Lisää Jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

Jatkuva-aikaisia Markov-prosesseja

Martingaalit ja informaatioprosessit

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

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

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

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

Suotuisien tapahtumien lukumäärä Kaikki alkeistapahtumien lukumäärä

Kohdassa on käytetty eksponentiaalijakauman kertymäfunktiota (P(t > T τ ) = 1 P(t T τ ). λe λτ e λ(t τ) e 3λT dτ.

Valintahetket ja pysäytetyt martingaalit

Probabilistiset mallit (osa 2) Matemaattisen mallinnuksen kurssi Kevät 2002, luento 10, osa 2 Jorma Merikoski Tampereen yliopisto

Jatkuva-aikaisten Markov-prosessien aikakehitys

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Todennäköisyysjakaumia

Todennäköisyyslaskun kertaus. Heliövaara 1

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

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

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Jatkuvia jakaumia

Satunnaismuuttujat ja jakaumat

Johdatus tn-laskentaan torstai

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Stokastiset differentiaaliyhtälöt Ratkaisuehdotelma Harjoitukseen 5

Satunnaismuuttujien summa ja keskiarvo

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Todennäköisyyden ominaisuuksia

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

Lisätehtäviä ratkaisuineen luentomonisteen lukuihin 2-4 liittyen

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

Käytetään satunnaismuuttujaa samoin kuin tilastotieteen puolella:

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

Jatkuvan aikavälin stokastisia prosesseja

4.1. Olkoon X mielivaltainen positiivinen satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo on

Teoria. Satunnaismuuttujan arvonta annetusta jakaumasta

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 3

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

3. laskuharjoituskierros, vko 6, ratkaisut

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Odotusarvo. Odotusarvon ominaisuuksia Satunnaismuuttujien ominaisuuksia 61

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

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

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikot 5 6

D ( ) E( ) E( ) 2.917

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

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 2A

4. laskuharjoituskierros, vko 7, ratkaisut

Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

riippumattomia ja noudattavat samaa jakaumaa.

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

ABTEKNILLINEN KORKEAKOULU

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

Markov-kustannusmallit ja kulkuajat

5. Stokastiset prosessit (1)

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

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 1A

V ar(m n ) = V ar(x i ).

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

30A02000 Tilastotieteen perusteet

Tilastollinen päättömyys, kevät 2017 Harjoitus 6B

Juuri 10 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

MTTTP5, luento Otossuureita ja niiden jakaumia (jatkuu)

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

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

MAT Todennäköisyyslaskenta Tentti / Kimmo Vattulainen

Martingaalit ja informaatioprosessit

Satunnaismuuttujan odotusarvo ja laskusäännöt

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

P(X = x T (X ) = t, θ) = p(x = x T (X ) = t) ei riipu tuntemattomasta θ:sta. Silloin uskottavuusfunktio faktorisoituu

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

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Keskihajonta ja korrelaatio

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Esimerkkikokoelma 3

Järjestelmässä olevien asiakkaiden lukumäärä N(t) ei muodosta enää Markov-prosessia.

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

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

6. laskuharjoitusten vastaukset (viikot 10 11)

Transkriptio:

4B Poisson-prosessien ominaisuuksia ja esimerkkilaskuja Tuntitehtävät 4B1 Eksponentiaalisten odotusaikojen toistuva odottaminen. Satunnaisluvun X sanotaan noudattavan Gamma-jakaumaa parametrein k ja λ, jos sillä on tiheysfunktio λ k (k 1)! p(x) xk 1 e λx, kun x > 0 0, kun x 0. ja tällöin merkitään X Gamma(k, λ). Olkoot τ 1, τ 2,... riippumattomia eksponenttijakautuneita satunnaismuuttujia parametrilla λ, ja määritellään kaikilla n N T n τ 1 + τ 2 + + τ n. (a) Osoita, että T n Gamma(n, λ). Ratkaisu. Todistetaan induktiolla. Alkuaskeleena havaitaan, että yhtäältä T 1 τ 1 on Exp(λ)-jakautunut, ja toisaalta asettamalla Gamma-jakauman tiheysfunktioon k 1 saadaan Exp(λ)-jakauman tiheysfunktio p(x) Ix > 0}λe λx. Näin ollen T 1 Gamma(1, λ). Oletetaan nyt, että T n noudattaa Gamma-jakaumaa parametrein n ja λ, T n Gamma(n, λ), ja osoitetaan, että tällöin pätee myös T n+1 Gamma(n + 1, λ). Lasketaan ensin T n+1 :n kertymäfunktio: F Tn+1 (t) P(T n+1 t) P(T n + τ n+1 t). Tässä T n ja τ n+1 ovat riippumattomat, joten y.o. todennäköisyys voidaan helposti laskea niiden tiheysfunktioiden avulla: f Tn+1 (t) P(T n + τ n+1 t) x y f Tn (x)f τn+1 (y)dy dx f Tn (x)f τn+1 (t x)dx f Tn (x)it x > 0}(1 e λ(t x) )dx f Tn (x)dx F Tn (t) λn (n 1)! F Tn (t) It > 0} λn tn e λt. f Tn (x)e λ(t x) dx Ix > 0}x n 1 e λt dx 1 / 5

Näin F Tn+1 (t) on jatkuva ja lisäksi derivoituva paitsi nollassa. Tiheysfunktio saadaan siis derinoimalla kertymäfunktiota (kts. mallivastaus 1A1): f Tn+1 (t) F T n+1 (t) f Tn (t) It > 0}( (n 1)! tn 1 e λt λn+1 t n e λt ) It > 0} (n 1)! tn 1 e λt It > 0}( (n 1)! tn 1 e λt λn+1 t n e λt ) It > 0} λn+1 t n e λt. Tämä on Gamma(n + 1, λ)-jakauman tiheysfunktio. (b) Osoita, että P [ ] T n t < T n+1 (λt) n e λt, kun t > 0. Ratkaisu. Tämä voidaan palauttaa edellä laskettuihin kertymäfunktioihin: P [ ] [ T n t < T n+1 P Tn t ] P [ T n, T n+1 t ] P [ T n t ] P [ T n+1 t ] F Tn (t) F Tn+1 (t) F Tn (t) (F Tn (t) It > 0} λn tn e λt ) It > 0} λn tn e λt. (c) Osoita, että P [ T n t, T n+1 u ] (λt)n e λu, kun 0 < t < u. Ratkaisu. Ilmaistaan ensin haluttu tapahtuma riippumattomien satunnaislukujen T n ja τ n+1 avulla: T n t T n+1 u T n t τ n+1 u T n. 2 / 5

Näin päästään tekemään mitä halutaan, eli integroimaan: P [ T n t, T n+1 u ] P [ ] T n t, τ n+1 u T n F Tn (t) F Tn (t) yu x f Tn (x)f τn+1 (y)dy dx f Tn (x)[1 F τn+1 (u x)]dx (sij. t u) F Tn (t) F Tn (t) + f Tn (x)f τn+1 (u x)dx f Tn (x)iu x > 0}(1 e λ(u x) )dx f Tn (x)e λ(u x) dx λn Ix > 0}x n 1 e λu dx (n 1)! It > 0} λn tn e λu. Tämä on väitetty todennäköisyys. Lisäys. Luentomuistiinpanoissa (Leskelä, Lauseet 8.5 ja 8.8) on osoitettu, että jos riippumattomasti sironneita ja tasakoosteisia pistekuvioita ja niitä vastaavia laskuriprosesseja on olemassa, niin laskuriprosessit ovat Poisson(λ)-prosesseja ja niiden odotusajat eksponenttijakautuneita parametrilla λ. Tämän tehtävän laskut voidaan täydentää osoittamaan käänteinen tulos: laskuriprosessit, joiden odotusajat ovat riippumattomia ja eksponenttijakautuneita parametrilla λ, ovat Poisson(λ)- prosesseja. Poisson(λ)-prosessin hyppyaikojen taas voidaan helposti osoittaa olevan riippumattomasti sironnut ja tasakoosteinen pistekuvio intensiteetillä λ. Erityisesti siis e.m. pistekuvio ja laskuriprosessi ovat olemassa kaikilla λ. Tämä on Leskelän Lause 8.9, jota ei ole todistettu kirjassa. Tehtävä täydennetään Lauseen 8.9 todistukseksi seuraavasti: kohta (b) sanoo suoraan laskurien N(t) N((0, t]) olevan Poisson(λt)-jakautuneita. Yhdistämällä (b) ja (c) taas saadaan, että kaikilla 0 < t u pätee P(T n+1 u T n t < T n+1 ) e λ(u t). Tämä on 1 F (u t), jossa F on eksponettijakauman kertymäfunktio. Näin ollen ehdollistettuna tapahtumalle T n t < T n+1 on jäljellä oleva odotus (T n+1 t) jakautunut eksponentiaalisesti parametrilla λ (millä tahansa laskurin N(t) arvolla n). Koska T n+1 :n jälkeiset odotusajat ovat riippumattomia ja myös eksponenttijakautuneita, päätellään, että ajat (T N(t)+k t), k 1, 2,... jakautuneet samoin kuin T k, k 1, 2,... ja riippumattomat laskurista N(t). Yhdistämällä nämä samoin jakautuneisuudet ja riippumattomuudet laskurin N(t) N((0, t]) Poisson(λt)- jakautuneisuuteen seuraa, että laskuriprosessi on Poisson(λ)-prosessi. 3 / 5

Kotitehtävät (palautettava kirjallisina ti 10.10. klo 10:15 mennessä) 4B2 Vaalimaan raja-asemalle saapuu rekkoja riippumattomin eksponenttijakautunein väliajoin, joiden odotusarvo on 15 min. Saapuvista rekoista kolmasosa ohjataan riippumattomalla satunnaisotannalla tulliin tarkastettavaksi. (a) Millä todennäköisyydellä raja-asemalle ei tunnin aikana saavu yhtään rekkaa? Ratkaisu. Valitaan aikayksiköksi 1 tunti. Muistetaan, että Exp(λ)-jakauman odotusarvo on 1/λ, joten tässä λ 4 (yksikkönä 1 per tunti). (Tapa 1.) Eksponettijakauman muistittomuuden perusteella odotus τ seuraavaan rekkaan on aina Exp(λ)-jakautunut (riippumatta edellisen rekan ohitushetkestä). Näin saadaan P(τ > 1) e λ e 4 0.01831564. (Tapa 2.) Eksponenttijakautuneet odotusajat tuottavat Poisson-prosessin (kts. teht. 1 yllä), joten raja-asemalle saapuvien rekkojen laskuriprosessi N(t) on Poissonprosessi intensiteetillä λ 4 (1 per tunti). Erityisesti N(1) on siis Poisson(1λ)- jakautunut. Todennäköisyys, että tunnin aikana ei saavu yhtään rekkaa on P(N(1) 0) e λ e 4 0.01831564. (b) Millä todennäköisyydellä tullin tarkastukseen saapuu vartin aikana vähintään 2 rekkaa? Ratkaisu. Tullin tarkastukseen saapuvien rekkojen laskuriprosessi N 1 (t) on harvennettu Poisson-prosessi, joka luentomonisteen mukaan on myös Poisson-prosessi [Leskelä 2015, Lause 9.9]. Harvennetun Poisson-prosessin intensiteetti on λ 1 λ/3 4/3 (rekkaa per tunti). Tn, että vähintään 2 rekkaa saapuu aikavälillä [0, t 0 ], missä t 0 1/4, on yhtä kuin P(N 1 (t 0 ) 2) 1 P(N 1 (t 0 ) 0) P(N 1 (t 0 ) 1) 1 e λ 1t 0 e λ 1t 0 (λ 1 t 0 ) 1 1 e (4/3) 1/4 (4/3) 1/4 ((4/3) 1/4)1 e 1! 1 e 1/3 e 1/3 (1/3) 1! 1 0.7165313 0.2388438 0.04462492. 4B3 Teemu Selänne on tehnyt NHL:ssä keskimäärin λ 1 tehopistettä (maali tai maaliin johtanut syöttö) per peli. Oletetaan, että 30% tehopisteistä on maaleja ja 70% maaliin johtaneita syöttöjä. Oletetaan, että Teemu saa jokaisesta tekemästään maalista $3000 4 / 5

ja jokaisesta maaliin johtaneesta syötöstä $1000 bonuksen. Mallinna tehopisteiden syntyhetkiä 60 min kestävän pelin aikana Poisson-prosessilla ja vastaa seuraaviin kysymyksiin. (a) Mikä on yksittäisen pelin bonuskertymän odotusarvo? Ratkaisu. Olkoon X t Teemun maalien lukumäärä ja Y t Teemun maaliin johtaneiden syöttöjen lukumäärä aikavälillä [0, t]. Tällöin Teemun saamien tehopisteiden lukumäärä aikavälillä [0, t] on Z t X t + Y t. Valitaan aikayksiköksi yhden pelin kesto (eli yksi tunti). Tehtävänannon perusteella voidaan kehittää kaksi mallinnustapaa, joilla kuitenkin päästään samaan lopputulokseen. (1) Oletetaan, että tehopisteiden syntyhetket ovat Poisson-prosessi intensiteetillä 1, ja kukin tehopiste on toisistaan ja Poissonpistekuviosta riippumatta syöttö tn:llä 0.7 ja maali tn:llä 0.3. (2) Oletetaan, että maalien ja syöttöjen syntyhetket muodostavat toisistaan riippumattomat, tasaisesti sironneet satunnaiset pistekuviot, joiden yhteisintensiteetti on 1, siten että pitkällä aikavälillä syötöt muodostavat 70% kaikista pisteistä. Molemmissa tapauksissa (X t ) ja (Y t ) ovat riipumattomat Poisson-prosessit intensiteetteinään λ 1 0.3 ja λ 2 0.7 [Leskelä 2015, Lauseet 9.1 ja 9.9]. Yksittäisen pelin bonuskertymä (dollareina) voidaan esittää muodossa ax 1 + by 1, missä a 3000 ja b 1000. Koska X 1 on Poi(λ 1 )-jakautunut ja Y 1 on Poi(λ 2 )- jakautunut, kysytty odotusarvo on aex 1 + bey 1 aλ 1 + bλ 2 1600. (b) Mikä on yksittäisen pelin bonuskertymän keskihajonta? Ratkaisu. Koska X 1 ja Y 1 ovat stokastisesti riippumattomat, bonuskertymän varianssi on a 2 Var(X 1 ) + b 2 Var(Y 1 ) a 2 λ 1 + b 2 λ 2 3.4 10 6 ja vastaava keskihajonta on likimain 1843.91. (c) Millä todennäköisyydellä Teemu tekee 1 maalin ja 2 maaliin johtanutta syöttöä yhdessä pelissä? Ratkaisu. Käytetään riippumattomuutta ja Poisson-jakautuneisuutta: P(X 1 1, Y 1 2) P(X 1 1)P(Y 1 2) e λ 1 λ1 1 1 e λ 2 λ2 2 2 0.027. 5 / 5