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1、隨機(jī)事件和概率第一節(jié) 基本概念1、排列組合初步(1)排列組合公式 從m個(gè)人中挑出n個(gè)人進(jìn)行排列的可能數(shù)。 從m個(gè)人中挑出n個(gè)人進(jìn)行組合的可能數(shù)。 (2)加法原理(兩種方法均能完成此事):m+n某件事由兩種方法來(lái)完成,第一種方法可由m種方法完成,第二種方法可由n種方法來(lái)完成,則這件事可由m+n 種方法來(lái)完成。(3)乘法原理(兩個(gè)步驟分別不能完成這件事):mn某件事由兩個(gè)步驟來(lái)完成,第一個(gè)步驟可由m種方法完成,第二個(gè)步驟可由n 種方法來(lái)完成,則這件事可由mn 種方法來(lái)完成。(4)一些常見(jiàn)排列特殊排列 相鄰 彼此隔開(kāi) 順序一定和不可分辨重復(fù)排列和非重復(fù)排列(有序)對(duì)立事件順序問(wèn)題2、隨機(jī)試驗(yàn)、隨機(jī)事

2、件及其運(yùn)算(1)隨機(jī)試驗(yàn)和隨機(jī)事件如果一個(gè)試驗(yàn)在相同條件下可以重復(fù)進(jìn)行,而每次試驗(yàn)的可能結(jié)果不止一個(gè),但在進(jìn)行一次試驗(yàn)之前卻不能斷言它出現(xiàn)哪個(gè)結(jié)果,則稱這種試驗(yàn)為隨機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)的可能結(jié)果稱為隨機(jī)事件。(2)事件的關(guān)系與運(yùn)算關(guān)系:如果事件A的組成部分也是事件B的組成部分,(A發(fā)生必有事件B發(fā)生):如果同時(shí)有,則稱事件A與事件B等價(jià),或稱A等于B:A=B。A、B中至少有一個(gè)發(fā)生的事件:AB,或者A+B。屬于A而不屬于B的部分所構(gòu)成的事件,稱為A與B的差,記為A-B,也可表示為A-AB或者,它表示A發(fā)生而B(niǎo)不發(fā)生的事件。A、B同時(shí)發(fā)生:AB,或者AB。AB=,則表示A與B不可能同時(shí)發(fā)生,稱事件A與事

3、件B互不相容或者互斥?;臼录腔ゲ幌嗳莸?。-A稱為事件A的逆事件,或稱A的對(duì)立事件,記為。它表示A不發(fā)生的事件?;コ馕幢貙?duì)立。運(yùn)算: 結(jié)合率:A(BC)=(AB)C A(BC)=(AB)C 分配率:(AB)C=(AC)(BC) (AB)C=(AC)(BC) 德摩根率: ,3、概率的定義和性質(zhì)(1)概率的公理化定義設(shè)為樣本空間,為事件,對(duì)每一個(gè)事件都有一個(gè)實(shí)數(shù)P(A),若滿足下列三個(gè)條件:1 0P(A)1, 2 P() =13 對(duì)于兩兩互不相容的事件,有常稱為可列(完全)可加性。則稱P(A)為事件的概率。(2)古典概型(等可能概型)1 ,2 。設(shè)任一事件,它是由組成的,則有P(A)= =4、五

4、大公式(加法、減法、乘法、全概、貝葉斯)(1)加法公式P(A+B)=P(A)+P(B)-P(AB)當(dāng)P(AB)0時(shí),P(A+B)=P(A)+P(B)(2)減法公式P(A-B)=P(A)-P(AB)當(dāng)BA時(shí),P(A-B)=P(A)-P(B)當(dāng)A=時(shí),P()=1- P(B)(3)條件概率和乘法公式定義 設(shè)A、B是兩個(gè)事件,且P(A)0,則稱為事件A發(fā)生條件下,事件B發(fā)生的條件概率,記為。條件概率是概率的一種,所有概率的性質(zhì)都適合于條件概率。例如P(/B)=1P(/A)=1-P(B/A)乘法公式:更一般地,對(duì)事件A1,A2,An,若P(A1A2An-1)0,則有。(4)全概公式設(shè)事件滿足1兩兩互不相

5、容,2,則有。此公式即為全概率公式。(5)貝葉斯公式設(shè)事件,及滿足1 ,兩兩互不相容,0,1,2,2 ,則,i=1,2,n。此公式即為貝葉斯公式。,(,),通常叫先驗(yàn)概率。,(,),通常稱為后驗(yàn)概率。如果我們把當(dāng)作觀察的“結(jié)果”,而,理解為“原因”,則貝葉斯公式反映了“因果”的概率規(guī)律,并作出了“由果朔因”的推斷。5、事件的獨(dú)立性和伯努利試驗(yàn)(1)兩個(gè)事件的獨(dú)立性設(shè)事件、滿足,則稱事件、是相互獨(dú)立的(這個(gè)性質(zhì)不是想當(dāng)然成立的)。 若事件、相互獨(dú)立,且,則有所以這與我們所理解的獨(dú)立性是一致的。若事件、相互獨(dú)立,則可得到與、與、與也都相互獨(dú)立。(證明)由定義,我們可知必然事件和不可能事件與任何事件

6、都相互獨(dú)立。(證明) 同時(shí),與任何事件都互斥。(2)多個(gè)事件的獨(dú)立性設(shè)ABC是三個(gè)事件,如果滿足兩兩獨(dú)立的條件,P(AB)=P(A)P(B);P(BC)=P(B)P(C);P(CA)=P(C)P(A)并且同時(shí)滿足P(ABC)=P(A)P(B)P(C)那么A、B、C相互獨(dú)立。對(duì)于n個(gè)事件類(lèi)似。兩兩互斥互相互斥。兩兩獨(dú)立互相獨(dú)立?(3)伯努利試驗(yàn)定義 我們作了次試驗(yàn),且滿足每次試驗(yàn)只有兩種可能結(jié)果,發(fā)生或不發(fā)生;次試驗(yàn)是重復(fù)進(jìn)行的,即發(fā)生的概率每次均一樣;每次試驗(yàn)是獨(dú)立的,即每次試驗(yàn)發(fā)生與否與其他次試驗(yàn)發(fā)生與否是互不影響的。這種試驗(yàn)稱為伯努利概型,或稱為重伯努利試驗(yàn)。用表示每次試驗(yàn)發(fā)生的概率,則發(fā)

7、生的概率為,用表示重伯努利試驗(yàn)中出現(xiàn)次的概率,。隨機(jī)變量及其分布第一節(jié) 基本概念在許多試驗(yàn)中,觀察的對(duì)象常常是一個(gè)隨同取值的量。例如擲一顆骰子出現(xiàn)的點(diǎn)數(shù),它本身就是一個(gè)數(shù)值,因此P(A)這個(gè)函數(shù)可以看作是普通函數(shù)(定義域和值域都是數(shù)字,數(shù)字到數(shù)字)。但是觀察硬幣出現(xiàn)正面還是反面,就不能簡(jiǎn)單理解為普通函數(shù)。但我們可以通過(guò)下面的方法使它與數(shù)值聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)出現(xiàn)正面時(shí),規(guī)定其對(duì)應(yīng)數(shù)為“1”;而出現(xiàn)反面時(shí),規(guī)定其對(duì)應(yīng)數(shù)為“0”。于是稱為隨機(jī)變量。又由于是隨著試驗(yàn)結(jié)果(基本事件)不同而變化的,所以實(shí)際上是基本事件的函數(shù),即X=X()。同時(shí)事件A包含了一定量的(例如古典概型中A包含了1,2,m,共m個(gè)基本事

8、件),于是P(A)可以由P(X()來(lái)計(jì)算,這是一個(gè)普通函數(shù)。定義 設(shè)試驗(yàn)的樣本空間為,如果對(duì)中每個(gè)事件都有唯一的實(shí)數(shù)值X=X()與之對(duì)應(yīng),則稱X=X()為隨機(jī)變量,簡(jiǎn)記為。有了隨機(jī)變量,就可以通過(guò)它來(lái)描述隨機(jī)試驗(yàn)中的各種事件,能全面反映試驗(yàn)的情況。這就使得我們對(duì)隨機(jī)現(xiàn)象的研究,從前一章事件與事件的概率的研究,擴(kuò)大到對(duì)隨機(jī)變量的研究,這樣數(shù)學(xué)分析的方法也可用來(lái)研究隨機(jī)現(xiàn)象了。一個(gè)隨機(jī)變量所可能取到的值只有有限個(gè)(如擲骰子出現(xiàn)的點(diǎn)數(shù))或可列無(wú)窮多個(gè)(如電話交換臺(tái)接到的呼喚次數(shù)),則稱為離散型隨機(jī)變量。像彈著點(diǎn)到目標(biāo)的距離這樣的隨機(jī)變量,它的取值連續(xù)地充滿了一個(gè)區(qū)間,這稱為連續(xù)型隨機(jī)變量。1、隨機(jī)變

9、量的分布函數(shù)(1)離散型隨機(jī)變量的分布率設(shè)離散型隨機(jī)變量的可能取值為Xk(k=1,2,)且取各個(gè)值的概率,即事件(X=Xk)的概率為P(X=xk)=pk,k=1,2,,則稱上式為離散型隨機(jī)變量的概率分布或分布律。有時(shí)也用分布列的形式給出:。顯然分布律應(yīng)滿足下列條件:(1),(2)。(2)分布函數(shù)對(duì)于非離散型隨機(jī)變量,通常有,不可能用分布率表達(dá)。例如日光燈管的壽命,。所以我們考慮用落在某個(gè)區(qū)間內(nèi)的概率表示。定義 設(shè)為隨機(jī)變量,是任意實(shí)數(shù),則函數(shù)稱為隨機(jī)變量X的分布函數(shù)。 可以得到X落入?yún)^(qū)間的概率。也就是說(shuō),分布函數(shù)完整地描述了隨機(jī)變量X隨機(jī)取值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。分布函數(shù)是一個(gè)普通的函數(shù),它表示隨機(jī)變

10、量落入?yún)^(qū)間( ,x內(nèi)的概率。的圖形是階梯圖形,是第一類(lèi)間斷點(diǎn),隨機(jī)變量在處的概率就是在處的躍度。分布函數(shù)具有如下性質(zhì):1 ;2 是單調(diào)不減的函數(shù),即時(shí),有 ;3 , ;4 ,即是右連續(xù)的;5 。(3)連續(xù)型隨機(jī)變量的密度函數(shù)定義 設(shè)是隨機(jī)變量的分布函數(shù),若存在非負(fù)函數(shù),對(duì)任意實(shí)數(shù),有, 則稱為連續(xù)型隨機(jī)變量。稱為的概率密度函數(shù)或密度函數(shù),簡(jiǎn)稱概率密度。的圖形是一條曲線,稱為密度(分布)曲線。由上式可知,連續(xù)型隨機(jī)變量的分布函數(shù)是連續(xù)函數(shù)。所以,密度函數(shù)具有下面4個(gè)性質(zhì):1 。2 。的幾何意義;在橫軸上面、密度曲線下面的全部面積等于1。如果一個(gè)函數(shù)滿足1、2,則它一定是某個(gè)隨機(jī)變量的密度函數(shù)。3

11、 。4 若在處連續(xù),則有。它在連續(xù)型隨機(jī)變量理論中所起的作用與在離散型隨機(jī)變量理論中所起的作用相類(lèi)似。 對(duì)于連續(xù)型隨機(jī)變量,雖然有,但事件并非是不可能事件。令,則右端為零,而概率,故得。不可能事件()的概率為零,而概率為零的事件不一定是不可能事件;同理,必然事件()的概率為1,而概率為1的事件也不一定是必然事件。2、常見(jiàn)分布01分布P(X=1)=p, P(X=0)=q二項(xiàng)分布在重貝努里試驗(yàn)中,設(shè)事件發(fā)生的概率為。事件發(fā)生的次數(shù)是隨機(jī)變量,設(shè)為,則可能取值為。, 其中,則稱隨機(jī)變量服從參數(shù)為,的二項(xiàng)分布。記為。容易驗(yàn)證,滿足離散型分布率的條件。當(dāng)時(shí),這就是(0-1)分布,所以(0-1)分布是二項(xiàng)

12、分布的特例。泊松分布設(shè)隨機(jī)變量的分布律為,則稱隨機(jī)變量服從參數(shù)為的泊松分布,記為或者P()。泊松分布為二項(xiàng)分布的極限分布(np=,n)。如飛機(jī)被擊中的子彈數(shù)、來(lái)到公共汽車(chē)站的乘客數(shù)、機(jī)床發(fā)生故障的次數(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中元件損壞的個(gè)數(shù)、某商店中來(lái)到的顧客人數(shù)等,均近似地服從泊松分布。超幾何分布隨機(jī)變量X服從參數(shù)為n,N,M的超幾何分布。幾何分布,其中p0,q=1-p。隨機(jī)變量X服從參數(shù)為p的幾何分布。均勻分布設(shè)隨機(jī)變量的值只落在a,b內(nèi),其密度函數(shù)在a,b上為常數(shù)k,即axb 其他,其中k=,則稱隨機(jī)變量在a,b上服從均勻分布,記為XU(a,b)。分布函數(shù)為 axb 0, xb。當(dāng)ax1x2b時(shí),

13、X落在區(qū)間()內(nèi)的概率為P(。指數(shù)分布設(shè)隨機(jī)變量X的密度函數(shù)為 ,0, ,其中,則稱隨機(jī)變量X服從參數(shù)為的指數(shù)分布。X的分布函數(shù)為 , x0。 記住幾個(gè)積分: , 正態(tài)分布設(shè)隨機(jī)變量的密度函數(shù)為, ,其中、為常數(shù),則稱隨機(jī)變量服從參數(shù)為、的正態(tài)分布或高斯(Gauss)分布,記為。具有如下性質(zhì):1 的圖形是關(guān)于對(duì)稱的;2 當(dāng)時(shí),為最大值;3 以軸為漸近線。特別當(dāng)固定、改變時(shí),的圖形形狀不變,只是集體沿軸平行移動(dòng),所以又稱為位置參數(shù)。當(dāng)固定、改變時(shí),的圖形形狀要發(fā)生變化,隨變大,圖形的形狀變得平坦,所以又稱為形狀參數(shù)。若,則的分布函數(shù)為。參數(shù)、時(shí)的正態(tài)分布稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,記為,其密度函數(shù)記為,分

14、布函數(shù)為。是不可求積函數(shù),其函數(shù)值,已編制成表可供查用。(x)和(x)的性質(zhì)如下:1 (x)是偶函數(shù),(x)(-x);2 當(dāng)x=0時(shí),(x)為最大值;3 (-x)1-(x)且(0)。如果,則。所以我們可以通過(guò)變換將的計(jì)算轉(zhuǎn)化為的計(jì)算,而的值是可以通過(guò)查表得到的。 分位數(shù)的定義。3、隨機(jī)變量函數(shù)的分布隨機(jī)變量是隨機(jī)變量的函數(shù),若的分布函數(shù)或密度函數(shù)知道,則如何求出的分布函數(shù)或密度函數(shù)。(1)是離散型隨機(jī)變量已知的分布列為,顯然,的取值只可能是,若互不相等,則的分布列如下:,若有某些相等,則應(yīng)將對(duì)應(yīng)的相加作為的概率。(2)是連續(xù)型隨機(jī)變量先利用X的概率密度f(wàn)X(x)寫(xiě)出Y的分布函數(shù)FY(y),再利

15、用變上下限積分的求導(dǎo)公式求出fY(y)。二維隨機(jī)變量及其分布第一節(jié) 基本概念1、二維隨機(jī)變量的基本概念(1)二維離散型隨機(jī)變量聯(lián)合概率分布及邊緣分布如果二維隨機(jī)向量(X,Y)的所有可能取值為至多可列個(gè)有序?qū)Γ▁,y)時(shí),則稱為離散型隨機(jī)量。理解:(X=x,Y=y)(X=xY=y)設(shè)=(X,Y)的所有可能取值為,且事件=的概率為pij,稱為=(X,Y)的分布律或稱為X和Y的聯(lián)合分布律。聯(lián)合分布有時(shí)也用下面的概率分布表來(lái)表示: YXy1y2yjpix1p11p12p1jp1x2p21p22p2jp2xipi1pipjp1p2pj1這里pij具有下面兩個(gè)性質(zhì):(1)pij0(i,j=1,2,);(2

16、)對(duì)于隨機(jī)向量(X,Y),稱其分量X(或Y)的分布為(X,Y)的關(guān)于X(或Y)的邊緣分布。上表中的最后一列(或行)給出了X為離散型,并且其聯(lián)合分布律為,則X的邊緣分布為 ;Y的邊緣分布為 。(2)二維連續(xù)型隨機(jī)向量聯(lián)合分布密度及邊緣分布對(duì)于二維隨機(jī)向量,如果存在非負(fù)函數(shù),使對(duì)任意一個(gè)其鄰邊分別平行于坐標(biāo)軸的矩形區(qū)域D,即D=(X,Y)|axb,cyx1時(shí),有F(x2,y)F(x1,y);當(dāng)y2y1時(shí),有F(x,y2) F(x,y1);(3)F(x,y)分別對(duì)x和y是右連續(xù)的,即(4)2、隨機(jī)變量的獨(dú)立性(1)一般型隨機(jī)變量F(X,Y)=FX(x)FY(y)(2)離散型隨機(jī)變量例35:二維隨機(jī)向

17、量(X,Y)共有六個(gè)取正概率的點(diǎn),它們是:(1,-1),(2,-1),(2,0),2,2),(3,1),(3,2),并且(X,Y)取得它們的概率相同,則(X,Y)的聯(lián)合分布及邊緣分布為 YX-1012p1100020300pj1(3)連續(xù)型隨機(jī)變量f(x,y)=fX(x)fY(y)聯(lián)合分布邊緣分布f(x,y)=fX(x)fY(y)直接判斷,充要條件:可分離變量正概率密度區(qū)間為矩形例36:如圖3.1,f(x,y)=8xy, fX(x)=4x3, fY(y)=4y-4y3,不獨(dú)立。例37:f(x,y)=(4)二維正態(tài)分布=0(5)隨機(jī)變量函數(shù)的獨(dú)立性若X與Y獨(dú)立,h,g為連續(xù)函數(shù),則:h(X)和g

18、(Y)獨(dú)立。例如:若X與Y獨(dú)立,則:3X+1和5Y-2獨(dú)立。3、簡(jiǎn)單函數(shù)的分布兩個(gè)隨機(jī)變量的和Z=X+Y離散型:連續(xù)型fZ(z)兩個(gè)獨(dú)立的正態(tài)分布的和仍為正態(tài)分布()。2、隨機(jī)變量的獨(dú)立性例317:設(shè)(X,Y)的聯(lián)合分布密度為求C;求X,Y的邊緣分布;討論X與Y的獨(dú)立性;計(jì)算P(X+Y1)。3、簡(jiǎn)單函數(shù)的分布隨機(jī)變量的數(shù)字特征第一節(jié) 基本概念1、一維隨機(jī)變量的數(shù)字特征(1)一維隨機(jī)變量及其函數(shù)的期望設(shè)X是離散型隨機(jī)變量,其分布律為P()pk,k=1,2,n,期望就是平均值。數(shù)學(xué)期望的性質(zhì)E(C)=CE(CX)=CE(X)E(X+Y)=E(X)+E(Y),E(XY)=E(X) E(Y),充分條件

19、:X和Y獨(dú)立; 充要條件:X和Y不相關(guān)。Y=g(X)離散: 連續(xù):(2)方差D(X)=EX-E(X)2,方差,標(biāo)準(zhǔn)差離散型隨機(jī)變量連續(xù)型隨機(jī)變量方差的性質(zhì)D(C)=0;E(C)=CD(aX)=a2D(X); E(aX)=aE(X)D(aX+b)= a2D(X); E(aX+b)=aE(X)+bD(X)=E(X2)-E2(X)D(X+Y)=D(X)+D(Y),充分條件:X和Y獨(dú)立; 充要條件:X和Y不相關(guān)。 D(XY)=D(X)+D(Y) 2E(X-E(X)(Y-E(Y),無(wú)條件成立。E(X+Y)=E(X)+E(Y),無(wú)條件成立。類(lèi)似的,n個(gè)相互獨(dú)立的正態(tài)分布的線性組合,仍服從正態(tài)分布。, (3

20、)常見(jiàn)分布的數(shù)學(xué)期望和方差分布名稱符號(hào)均值方差0-1分布p二項(xiàng)分布np泊松分布幾何分布超幾何分布均勻分布指數(shù)分布正態(tài)分布01分布 X01qpE(X)=p,D(X)=pq二項(xiàng)分布 XB(n,p),(k=0,1,2n)E(X)=np,D(X)=npq泊松分布 P() P(X=k)=,k=0,1,2E(X)= , D(X)= 超幾何分布 E(X)=幾何分布 ,k=0,1,2E(X)=, D(X)=均勻分布 XUa,b,f(x)=,a, b E(X)=, D(X)=指數(shù)分布 f(x)= ,(x0)E(X)=, D(X)=正態(tài)分布 XN(,2),E(X)= , D(X)= 22、二維隨機(jī)變量的數(shù)字特征(

21、1)協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)對(duì)于隨機(jī)變量X與Y,稱它們的二階混合中心矩為X與Y的協(xié)方差或相關(guān)矩,記為,即與記號(hào)相對(duì)應(yīng),X與Y的方差D(X)與D(Y)也可分別記為與。協(xié)方差有下面幾個(gè)性質(zhì):cov (X, Y)=cov (Y, X);cov(aX,bY)=ab cov(X,Y);cov(X1+X2, Y)=cov(X1,Y)+cov(X2,Y);cov(X,Y)=E(XY)-(E(X)(E(Y).對(duì)于隨機(jī)變量X與Y,如果D(X)0, D(Y)0,則稱為X與Y的相關(guān)系數(shù),記作(有時(shí)可簡(jiǎn)記為)。|1,當(dāng)|=1時(shí),稱X與Y安全相關(guān):完全相關(guān)而當(dāng)時(shí),稱X與Y不相關(guān)。與相關(guān)系數(shù)有關(guān)的幾個(gè)重要結(jié)論若隨機(jī)變量X與Y相互

22、獨(dú)立,則;反之不真。若(X,Y)N(),則X與Y相互獨(dú)立的充要條件是,即X和Y不相關(guān)。以下五個(gè)命題是等價(jià)的:;cov(X,Y)=0;E(XY)=E(X)E(Y);D(X+Y)=D(X)+D(Y);D(X-Y)=D(X)+D(Y).(2)二維隨機(jī)變量函數(shù)的期望(3)原點(diǎn)矩和中心矩對(duì)于正整數(shù)k,稱隨機(jī)變量X的k次冪的數(shù)學(xué)期望為X的k階原點(diǎn)矩,記為vk,即uk=E(Xk), k=1,2, .于是,我們有對(duì)于正整數(shù)k,稱隨機(jī)變量X與E(X)差的k次冪的數(shù)學(xué)期望為X的k階中心矩,記為,即于是,我們有對(duì)于隨機(jī)變量X與Y,如果有存在,則稱之為X與Y的k+l階混合原點(diǎn)矩,記為,即大數(shù)定律和中心極限定理第一節(jié)

23、基本概念1、切比雪夫不等式設(shè)隨機(jī)變量X具有數(shù)學(xué)期望E(X)=,方差D(X)=2,則對(duì)于任意正數(shù),有下列切比雪夫不等式切比雪夫不等式給出了在未知X的分布的情況下,對(duì)概率的一種估計(jì),它在理論上有重要意義。2、大數(shù)定律(1)切比雪夫大數(shù)定律(要求方差有界)設(shè)隨機(jī)變量X1,X2,相互獨(dú)立,均具有有限方差,且被同一常數(shù)C所界:D(Xi)C(i=1,2,),則對(duì)于任意的正數(shù),有特殊情形:若X1,X2,具有相同的數(shù)學(xué)期望E(XI)=,則上式成為或者簡(jiǎn)寫(xiě)成:切比雪夫大數(shù)定律指出,n個(gè)相互獨(dú)立,且具有有限的相同的數(shù)學(xué)期望與方差的隨機(jī)變量,當(dāng)n很大時(shí),它們的算術(shù)平均以很大的概率接近它們的數(shù)學(xué)期望。(2)伯努利大數(shù)定律設(shè)是n次獨(dú)立試驗(yàn)中事件A發(fā)生的次數(shù),p是事件A在每次試驗(yàn)中發(fā)生的概率,則對(duì)于任意的正數(shù),有伯

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