• Nem Talált Eredményt

Folytonos valószín˝ uségi változó várható értéke

A valószín ˝uségi változó várható értéke

7. A várható érték és a szórás

7.2. Folytonos valószín˝ uségi változó várható értéke

Legyen X folytonos eloszlású valószín˝uségi változó, a s˝ur˝uségfüggvénye legyen f(x). Legyen (a, b) az az intervallum, ahol f(x) nem nulla. Osszuk fel ezt az intervallumot m részre, az i-edik részintervallum végpontjai legyenek ti−1 és ti. Ekkor annak valószín˝usége, hogy az X valószín˝uségi változó értéke az i-edik részintervallumba esik részintervallumokba hányszor esik az eredmény. Jelöljeki azi-edik részintervallumba es˝o elemek számát. Az átlagot közelítsük úgy, hogy minden egyes részintervallumból választunk egy-egy számot, amivel helyettesítünk minden olyan értéket, ami az adott intervallumba esik (például, ha a (3,4) intervallumot tekintjük, akkor vehetjük a3,5-et). Legyen azi-edik intervallumból választott értékτi. Ekkor az átlag közelítése:

1 Sok kísérletsorozat esetén a ki

nrelatív gyakoriság azi-edik részintervallumba esés valószín˝usége körül ingadozik, ezért Ezt felhasználva az átlag közelítése:

1

A fenti eljárás alapján definiálhatjuk a folytonos eloszlású valószín˝uségi változó várható értékét:

7.2. definíció: LegyenX folytonos eloszlású valószín˝uségi változó, a s˝ur˝uségfüggvénye legyenf(x). Ekkor X várható értékén az E(X) =

Z

−∞

x·f(x) dx integrált értjük, amennyiben az Z

−∞

|x| ·f(x) dx integrál véges. Egyéb esetben azt mondjuk, hogy a várható érték nem létezik.

7.5. feladat. Legyen azXvalószín˝uségi változó s˝ur˝uségfüggvénye f(x) =

( c

x2, ha2< x <4;

0, különben.

Mennyi acértéke? Mennyi azX valószín˝uségi változó várható értéke?

Megoldás: Azf függvény akkor lesz s˝ur˝uségfüggvény, ha egyrészt csak nemnegatív értékeket vesz fel, másrészt a mínusz végtelent˝ol végtelenig vett integrálja eggyel egyenl˝o. Az els˝o feltételb˝ol azt kapjuk, hogy0≤c,míg a második feltétel szerint

A várható érték definíciója szerint E(X) =

8. lecke 7. oldal

7.6. feladat. AzXvalószín˝uségi változó eloszlásfüggvénye az alábbi függvény:

F(x) =

Határozzuk megX várható értékét!

Megoldás: A várható érték kiszámításához el˝oször a s˝ur˝uségfüggvényt kell meghatároznunk. Mivel a s˝ur˝uségfüggvény az eloszlásfüggvény deriváltja, ahol pedig az eloszlásfüggvény nem deriválható, ott a definíció szerint0, ezért

f(x) =F0(x) = ( 2x

8 , ha1< x <3;

0, különben.

Most már kiszámolhatjuk a várható értéket:

E(X) = tetsz˝oleges valós számok. Ekkor azY valószín˝uségi változó várható értéke

E(Y) =a·E(X2) +b·E(X) +c amennyibenXésX2 várható értéke létezik.

7.7. feladat. Feldobunk egy szabályos dobókockát. Az Y valószín˝uségi változó legyen a dobott szám háromszorosánál eggyel kisebb szám. Határozzuk megY várható értékét.

Megoldás: 1. módszerHatározzuk megY eloszlását. Világos, hogyY a3·1−1,3·2−1, . . . 3·6−1értékeket veheti fel, ráadásul mindegyiket egyforma valószín˝uséggel. ÍgyY eloszlása

Y :

amib˝ol a várható értékre

E(Y) = 2·1

2. módszer A 7.1. tétel segítségével Y eloszlásának kiszámítása nélkül is megkaphatjuk a várható értéket.

LegyenX a dobás során kapott érték, ekkorY = 3X −1. A7.1. tétel alapján Y várható értéke kiszámítható X várható értékének segítségével. MivelX az 1,2,3,4,5,6 értékeket veheti fel, továbbá mindegyik értéket1/6 valószín˝uséggel veszi fel, ezért

E(X) = 1·1

Ebb˝ol a tétel alapján

E(Y) =E(3X−1) = 3·E(X)−1 = 3·21

6 −1 = 57 6 = 9,5.

⇐7.7. feladat

8. lecke 9. oldal

Önellen ˝orzés

1.AzXvalószín˝uségi változó eloszlása:

X:

−4 −1 3 6 0,1 0,3 0,4 0,2 . MennyiXvárható értéke?

2.Feldobunk három szabályos pénzérmét. Mennyi a fej dobások számának várható értéke?

3.Feldobunk két szabályos dobókockát. Mennyi a dobott számok összegének a várható értéke?

4.AzXvalószín˝uségi változó s˝ur˝uségfüggvénye:

f(x) =

MennyiXvárható értéke?

5.AzXvalószín˝uségi változó eloszlásfüggvénye:

F(x) =

MennyiXvárható értéke?

Megold.

Megold.

Megold.

Megold.

Megold.

9. LECKE

A szórás

9. lecke 1. oldal

7.3. A szórás

Az el˝oz˝o leckében láttuk, hogy a várható érték gyakorlatilag a valószín˝uségi változó átlagos értékét adja meg.

Sokszor azonban az is lényeges, hogy a valószín˝uségi változó értékei mennyire ingadoznak a várható érték körül.

Tegyük fel például, hogy a megspórolt pénzünket be akarjuk fektetni. Két lehet˝oség közül választhatunk: az els˝onél úgy gondoljuk, hogy 1 éven belül 0,7 valószín˝uséggel nyerünk egymillió Ft-ot és 0,3 valószín˝uséggel vesztünk hatszázezer Ft-ot, a másodiknál pedig a becslésünk szerint 0,5 valószín˝uséggel nyerünk hatszázezer Ft-ot, és0,5valószín˝uséggel nyerünk négyszázezer Ft-ot egy éven belül. Melyik befektetést válasszuk?

Jelölje X az els˝o befektetés, Y pedig a második befektetés által elért nyereséget. Ekkor az X valószín˝uségi változó várható értékeE(X) = 0,7·1000000−0,3·600000 = 500000, míg az Y valószín˝uségi változó várható értékeE(Y) = 0,5·600000 + 0,5·400000 = 500000Ft. Azt kaptuk tehát, hogy mindkét befektetéssel várhatóan ugyanannyit nyerünk, mégis mindenki számára világos, hogy a két valószín˝uségi változó jelent˝osen eltér egymástól. Az els˝o valószín˝uségi változó lehetséges értékei a várható értékhez képest nagy, míg a másodiké csak kis ingadozást mutatnak. Arra, hogy melyiket érdemes választani, most nem lehet egyértelm˝u választ adni (ez függ attól, hogy mennyi pénzt fektetünk be, és attól is, hogy milyen a kockázatt˝ur˝o képességünk). Ha a nagyobb nyereség reményében nem félünk kockáztatni azt, hogy sokat is veszíthetünk, akkor választhatjuk az els˝o lehet˝oséget, de ha a célunk a kockázat nélküli biztos nyereség, akkor inkább a második lehet˝oséget célszer˝u választani.

A fentiek alapján célszer˝u lenne olyan mér˝oszámot keresnünk, amellyel jellemezhetjük a várható érték körül ingadozást, vagyis a valószín˝uségi változónak (X) és a várható értéknek (E(X)) az eltérését szeretnénk egyetlen számmal leírni. Gondolhatnánk arra, hogy a várható értékt˝ol való eltérés átlaga megfelel˝o lenne erre a célra;

ez éppen azX−E(X)valószín˝uségi változó várható értékét jelentené, de E[X−E(X)] =E(X)−E(X) = 0,

így ez egyáltalán nem jellemzi az ingadozást. Tekintsük ezért inkább azX−E(X)különbség négyzetét. Ennek a valószín˝uségi változónak a várható értéke már megfelel˝o lesz az ingadozás jellemzésére. Pontosabban:

7.3. definíció: AzXvalószín˝uségi változó szórásán az(X−E(X))2valószín˝uségi változó várható értékének négyzetgyökét értjük, amitD(X)-szel (vagyσ-val) jelölünk. AzazXszórása

D(X) = r

Eh

(X−E(X))2i . amennyibenXés(X−E(X))2 várható értéke létezik.

7.4. definíció: A gyökvonás nélküli D2(X) = E h

(X−E(X))2 i

értéket az X valószín˝uségi változó szórásnégyzetének nevezzük. Általában el˝oször a szórásnégyzetet tudjuk meghatározni, és abból gyökvonással a szórást.

7.2. tétel: Ha azX valószín˝uségi változónak és annak a négyzetének is létezik a várható értéke, akkor létezik X szórása is, és

D(X) =p

E(X2)−E2(X).

Bizonyítás: A kifejezés szórásnégyzetre vonatkozó alakját fogjuk igazolni, abból pedig gyökvonással következik az állítás.

D2(X) =Eh

(X−E(X))2i

=E

X2−2·X·E(X) +E2(X)

=

=E(X2)−2·E(X)·E(X) +E2(X) =E(X2)−E2(X).

Az el˝oz˝o tétel alapján tehát egy X valószín˝uségi változó szórásának kiszámításához elegend˝o X, illetve X2 várható értékét kiszámítani.

9. lecke 3. oldal

7.8. feladat. Adott azXvalószín˝uségi változó eloszlása:

X :

−2 −1 1 2 0,1 0,3 0,4 0,2 . Számoljuk kiXszórását!

Megoldás: Az el˝oz˝o tétel alapján a szórás kiszámításához el˝oször meghatározzukXvárható értékét, utána pedig X2 várható értékét. A definíció alapjánX várható értéke

E(X) =−2·0,1−1·0,3 + 1·0,4 + 2·0,2 = 0,3.

AzX2valószín˝uségi változó az1és4értékeket veheti fel. MivelX2akkor veszi fel az1értéket, haXa−1vagy 1értékeket veszi fel, ezértX2az1értéket0,3 + 0,4 = 0,7valószín˝uséggel veszi fel. Hasonlóan látható, hogyX2 a4értéket0,3valószín˝uséggel veszi fel, ígyX2 eloszlása

X2 :

1 4 0,7 0,3 . Ebb˝ol a definíció szerintX2 várható értéke

E(X2) = 1·0,7 + 4·0,3 = 1,5.

A7.2. tétel szerintXszórására

D(X) =p

E(X2)−E2(X) =p

1,5−0,32 ≈1,187

adódik. ⇐7.8. feladat

7.9. feladat. Ötször feldobunk egy szabályos pénzérmét. Számoljuk ki a fej dobások számának várható értékét és szórását!

Megoldás: JelöljeX a fej dobások számát. Határozzuk meg el˝oször X eloszlását! Mivel mindegyik dobásnak két kimenetele van (F,I), ezért az összes eset száma 25 = 32. Az öt dobás során pontosank fejet 5k

esetben dobhatunk, ígyP(X=k) = 52

·1/32. A fej dobások száma nullától ötig terjedhet, amib˝ol aP(X=k)képletben khelyére a lehetséges értékeket behelyettesítve kapjukXeloszlását:

X:

A várható érték definíciója alapján:

E(X) = 0· 1

A szórás kiszámolásához szükségünk vanX2 eloszlására:

X2 :

A7.2. tétel szerintXszórása

D(X) =p

E(X2)−E2(X) =p

7,5−2,52 =p

1,25≈1,118.

⇐7.9. feladat

9. lecke 5. oldal

A kés˝obbiekben majd igazoljuk, hogy ha X folytonos eloszlású valószín˝uségi változó, melynek f(x) a s˝ur˝uségfüggvénye, akkorX2 várható értéke

E(X2) =

7.10. feladat. A folytonos eloszlásúXvalószín˝uségi változó s˝ur˝uségfüggvénye:

f(x) =

( 2−x

2 , ha0< x <2;

0, különben.

Számoljuk kiXszórását!

Megoldás: A szórás kiszámításához az el˝oz˝o megjegyzés alapján el˝oször X várható értékét, majd X2 várható értékét számoljuk ki. Most kiszámoljukX2 várható értékét.

E(X2) =

Most már meg tudjuk határozni a szórást:

7.11. feladat. A folytonos eloszlásúXvalószín˝uségi változó eloszlásfüggvénye:

F(x) =

( 0, ha x≤3;

1−81

x4, ha 3< x.

Számoljuk kiXszórását!

Megoldás: Most is ugyanúgy járunk el, mint az el˝oz˝o feladatban, csak el˝oször ki kell számolnunk X s˝ur˝uségfüggvényét. Tudjuk, hogy a s˝ur˝uségfüggvény az eloszlásfüggvény deriváltjával egyezik meg. Mivel konstans deriváltja 0, ezértx <3eseténf(x) =F0(x) = 0. Ha3< x, akkor

Azt kaptuk tehát, hogyXs˝ur˝uségfüggvénye f(x) =

( 0, ha x≤3;

324

x5 , ha 3< x.

Számoljuk most kiX várható értékét!

9. lecke 7. oldal

Ezután kiszámoljukX2várható értékét:

E(X2) =

Most már meg tudjuk határozniXszórását:

D(X) =

amennyibenXszórása létezik.

A tétel alapjánXszórásának ismeretében azY =a·X+bvalószín˝uségi változó szórásaY eloszlásának ismerete nélkül is kiszámolható.

7.12. feladat. Ötször feldobunk egy szabályos pénzérmét. Az Y valószín˝uségi változó értéke legyen a dobott fejek számának kétszeresénél néggyel kisebb szám. Számoljuk kiY szórását!

Megoldás: Jelölje X a fej dobások számát. EkkorY = 2X−4. Korábban a7.9. feladatban már kiszámoltuk, hogyD(X) =√

1,25. A7.3. tétel szerint

D(Y) =D(2X−4) =|2| ·p

1,25≈2,236.

⇐7.12. feladat

7.13. feladat. A folytonosXvalószín˝uségi változó s˝ur˝uségfüggvénye f(x) =

Megoldás: El˝oször kiszámoljukXszórását, amib˝ol a7.3. tétel alapján megkapjukY szórását (azazY eloszlását nem kell felírnunk). Most számoljuk kiX2várható értékét.

E(X2) =

9. lecke 9. oldal

Ebb˝olXszórása:

D(X) =p

E(X2)−(E(X))2 = s

93 35 −

45 28

2

≈0,272.

A7.3. tétel szerintY szórása:

D(Y) =D(−2X+ 1) =| −2| ·0,272 = 0,545.

⇐7.13. feladat

Önellen ˝orzés

1.Fogalmazza meg saját szavaival, hogy mit értünk egy valószín˝uségi változó szórásán!

2.AzXvalószín˝uségi változó eloszlása:

X:

−3 1 3 4 0,1 0,3 0,4 0,2 . MennyiXszórásnégyzete?

3.Feldobunk két dobókockát. Mennyi a hatos dobások számának a szórása?

0,913 0,527 0,758 0,651

4.AzXvalószín˝uségi változó s˝ur˝uségfüggvénye:

f(x) = ( 2x

81, ha0< x <9;

0 különben.

MennyiXszórásnégyzete?

5.AzXvalószín˝uségi változó eloszlásfüggvénye:

F(x) =





0, ha x≤ −1;

x+ 1

13 , ha −1< x≤12;

1, ha 12< x.

MennyiXszórása?

13 5,387 3,753 10

Megold.

Megold.

9. lecke 11. oldal

6.AzXvalószín˝uségi változó eloszlása:

X:

−2 −1 1 2 0,2 0,3 0,3 0,2 . LegyenY =−3·X+ 5. MennyiY szórása?

6,600 −4,450 9,450 4,450

10. LECKE