Lunds tekniska högskola Matematikcentrum Matematisk statistik. Övningsuppgifter Matematisk statistik AK för M, FMS 035, VT Sannolikhetsteori 1

Transkript

1 Lunds tekniska högskola Matematikcentrum Matematisk statistik Övningsuppgifter Matematisk statistik AK för M, FMS 035, VT-14 Innehåll 1 Sannolikhetsteori 1 2 Inferensteori Fullständiga lösningar till -märkta uppgifter 48 1 Sannolikhetsteori 1. De möjliga sättningarna för de tre brostöden till en bro, som visas i figuren, är enligt följande brostöd A: 0 tum, 1 tum, 2 tum brostöd B: 0 tum, 2 tum brostöd C: 0 tum, 1 tum, 2 tum (a) Beskriv utfallsrummet som representerar alla möjliga sättningar hos de tre brostöden, t.ex. (1, 0, 2) betyder att A sätter sig 1 tum, B sätter sig 0 tum och C sätter sig 2 tum. (b) Låt E vara händelsen att man på minst ett ställe får 2 tum i sättningsskillnad mellan intilliggande stöd. Bestäm utfallen hos händelse E. 2. A cylindrical tank is used to store water for a town (see figure). The available supply is not completely predictable. In any one day, the inflow is equally likely to fill 6, 7, or 8 feet of the tank. The demand for water is also variable, and may (with equal probabilities) require an amount equivalent to 5, 6, or 7 feet of water in the tank. (a) What are the possible combinations of inflow and outflow in a day? (b) Assuming that the water level in the tank is 7 feet at the start of a day, what are the possible water levels in the tank at the end of the day? What is the probability that there will be at least 9 feet of water remaining in the tank at the end of the day?

2 1 SANNOLIKHETSTEORI 3. För en viss bilmodell vet man att vid första kontrollen vid bilbesiktningen är felen F1 och F2 inte ovanliga. Man uppskattar att 1 % av bilarna har fel F1, 3 % har fel F2 medan 0.5 % har båda felen. Beräkna sannolikheten att en bil har (a) åtminstone ett av felen (b) fel F1 men ej fel F2 (c) precis ett av felen (d) inget av de två felen 4. En ubåt avfyrar två torpeder mot ett mål. Varje torped för sig träffar med sannolikheten 0.7 och sannolikheten att båda gör det är (a) Beräkna sannolikheten för att en men inte två torpeder träffar. (b) Beräkna sannolikheten att minst en träffar. (c) Träffar torpederna oberoende av varandra? 5. En viss typ av förkylning för med sig vissa symptom. Det har visat sig att den som råkar ut för denna förkylning får feber med sannolikheten 0.35 och halsont med sannolikheten Sannolikheten att den som fått förkylningen råkar ut för båda symptomen är Vad är sannolikheten att den person som fått förkylningen får feber givet att personen fått halsont? 6. På vägverkets hemsida kan följande läsas: År 2008 inträffade 355 olyckor i vägtrafiken med dödlig utgång. 20 procent var alkoholrelaterade. Om bara 20% av de som dog var alkoholpåverkade, betyder det att det är säkrare att köra alkoholpåverkad? (a) Börja med att teckna lämpliga händelser. Försök sedan med begreppet betingad sannolikhet förstå vilken händelse som man har fått sannolikheten för. (b) Vilken händelses sannolikhet berättar om det är farligt att köra alkoholpåverkad? 7. Vid flygbolaget Cheap & Easy är sannolikheten att en passagerare blir av med bagaget 1%, och sannolikheten att passageraren blir missnöjd 3%. Sannolikheten att passageraren blir missnöjd om bagaget försvinner är 95%. Antag att du träffar på en missnöjd passagerare, vad är sannolikheten att han förlorat bagaget? 8. (a) En villaägare köpte en stor påse blandade lökar i höstas. Enligt förpackningen är en tredjedel påskliljor och resten tulpaner. Alla påskliljorna och en fjärdedel av tulpanerna är gula, resten är röda. Villaägaren grävde ner en slumpmässigt vald lök utanför köksfönstret. Hur stor är sannolikheten att blomman är gul? 2

3 1 SANNOLIKHETSTEORI (b) För händelserna A och B gäller att P(A) = 1/3, P(B A) = 1 och P(B A ) = 1/4. Beräkna P(B). (c) Övertyga dig själv om att (a) och (b) egentligen är exakt samma uppgift. [Båda gavs samtidigt på samma tentamen för V och L (och M) Det var inte alla skrivande som hade samma svar på båda.] (d) (Forts. på (a)) Hur stor är den betingade sannolikheten att blomman är en påsklilja, givet att den är gul? 9. [ ] En låda innehåller två mynt, ett vanligt med krona på ena sidan och klave på den andra samt ett med krona på båda sidorna. Ett mynt väljs slumpvis och kastas varvid krona kommer upp. Med vilken sannolikhet är den andra sidan på myntet också krona?, Lösning 10. [ ] Before the design of a tunnel through a rocky region, geological exploration was conducted to investigate the joints and the potential slip surface that exists in the rock strata (see figure). For economic reasons, only portions of the strata are explored. In addition the measurement recorded by the instruments are not perfectly reliable. Thus the geologist can only conclude that the condition of the rock may be either highly fissured (H), medium fissured (M), or slightly fissured (L) with relative likelihoods of 1:1:8. Based on this information, the engineer designs the tunnel and estimate that if the rock condition is L, the reliability of the proposed design is 99.9 %. However, if it turns out that the rock condition is M, the probability of failure will be doubled; similarly, if the rock condition is H, the probability of failure will be 10 times that for condition L. (a) What is the reliability of the proposed tunnel design? (b) A more reliable device is subsequently used to improve the prediction of rock condition. Its results indicate that a highly fissured condition for the rock around the tunnel is practically impossible, but it cannot give better information on the relative likelihood between rock conditions M and L. In light of this new information, what would be the revised reliability of the proposed tunnel design? (c) If the tunnel collapsed, what should be the updated probabilities of M and L?, Lösning 11. [ ] The preliminary design of a bridge spanning a river consists of four girders and three piers as shown in the figure. From consideration of the loading and resisting capacities of each structural element the failure probability for each girder is 10 5 and for each pier

4 1 SANNOLIKHETSTEORI Assume that failures of the girders and piers are statistically independent. Determine: (a) The probability of failure in the girder(s). (b) The probability of failure in the pier(s). (c) The probability of failure of the bridge system. It seems as if the answers are the sum of the probabilities. Why does it seem so? Recalculate with other much higher probabilities., Lösning 12. [ ] Transportmöjligheter skall upprättas mellan två städer som ligger 200 mil ifrån varandra. Alternativen är motorväg (H), järnväg (R), eller flyg (A); det sista betyder anläggandet av flygplatser i de bägge städerna, se figur. På grund av de relativa förtjänsterna och kostnaderna, är chansen att planeringskommittén kommer att besluta sig for R, H, eller A är 1 till 2 till 3. Bara ett av dessa tre alternativ kan byggas. Emellertid, om kommittén beslutar att bygga en järnväg R, så är sannolikheten 50 % för att denna kommer att vara klar inom ett år; om de beslutar sig för en motorväg H, är motsvarande sannolikhet 75 %; och om de beslutar sig för flyg, är sannolikheten 90 % att flygplatserna kommer att vara klara inom ett år. (a) Vad är sannolikheten att de två städerna kommer att ha någon förbindelse inom ett år? (b) Om en förbindelse är upprättad inom ett år mellan de två städerna, vad är då sannolikheten att denna är en flygkommunikation A? (c) Om kommittén beslutar till fördel för landkommunikation, vad är sannolikheten att det slutliga beslutet kommer att vara en motorväg H?, Lösning 13. [ ] At a quarry, the time required to load crushed rocks onto a truck is equally likely to be either 2 or 3 minutes (see figure). Also the number of trucks in a queue waiting to be loaded at any time varies considerably, as reflected in the following set of 30 observations taken at random. The time 4

5 1 SANNOLIKHETSTEORI No of trucks No of Relative in queue observations frequency Total: 30 required to load a truck is statistically independent of the queue size. Use the relative frequencies as estimates of the corresponding probabilities. (a) If there are two trucks in the queue when a truck arrives at the quarry, what is the probability that its waiting time will be less than 5 minutes? (b) Before arriving at the quarry (and thus not knowing the size of the queue), what is the probability that the waiting time of a particular truck will be less than 5 minutes?, Lösning 14. [ ] Two cables are used to lift a load W (see figure). However, normally only cable A will be carrying the load; cable B is slightly longer than A, so normally it does not participate in carrying the load. But if cable A breaks, then B will have to carry the full load, until A is replaced. The probability that A will break is The probability that B will fail if it has to carry the load by itself is 0.30, but is 0 as long as A carries the load. (a) What is the probability that both cables will fail? (b) If the load remains lifted, what is the probability that none of the cables have failed?, Lösning 15. Sjukdomsdiagnostik: I befolkningen har 2 % sjukdomen S. Det diagnostiska test som används för att avgöra om en person har S är dock inte perfekt utan man har följande felklassificeringar: En frisk person klassas som sjuk i S med sannolikheten En person med sjukdomen S klassas som frisk med sannolikheten (a) Vi väljer en person slumpmässigt ur befolkningen. Vad är sannolikheten att testet visar att personen har S? (b) Max har just genomgått testet och testresultatet var positivt, dvs enligt testet har han S. Vad är sannolikheten att han verkligen har sjukdomen? Se uppgiften LÖSAS på en SKÄRMINSPELNING via kurshemsidan. 5

6 1 SANNOLIKHETSTEORI 16. [ ] Ett nytt test för att avslöja en allvarlig sjukdom har tagits fram. Det ger positivt utslag med sannolikheten 0.99 om personen har sjukdomen fast med sannolikheten 0.05 även om personen inte har den. Det anses vara känt att 1 % av patientmaterialet har sjukdomen. (a) Beräkna den intressanta sannolikheten att en patient har sjukdomen om testet är positivt. (b) Vilken egenskap hos testet ska man försöka ändra för att få en högre sannolikhet i (a)? Ska man försöka få 0.05 att bli 0 eller 0.99 att bli 1? (c) Antag att testet istället används i ett land där 50 % har sjukdomen. Vilket svar ger då frågan i (a)?, Lösning 17. Vid ett tärningsspel får man flytta en spelpjäs det antal steg tärningen visar, utom då den visar 1, då får man flytta sex steg. Låt X vara det antal steg man får flytta spelpjäsen. (a) Vilka värden kan X anta? (b) Vad är sannolikhetsfunktionen, p X (x) = P (X = x) för X, d.v.s. vad är p X (x) för olika värden på x? Skissa funktionen i ett koordinatsystem! (c) Vad är sannolikheten för att man får flytta precis sex steg, d.v.s. vad är p X (6) = P (X = 6)? (d) Vad är sannolikheten för att man får flytta högst tre steg, d.v.s. vad är P (X 3)? (e) Ange fördelningsfunktionen F X (x) = P (X x) för X. Försök att skissa den i ett koordinatsystem! (f) Vad är det förväntade värdet för X, d.v.s. vad är E(X)? 18. A contractor is submitting bids to 3 jobs, A, B and C. The probabilities that he will win the jobs are P(A) = 0.5, P(B) = 0.8 and P(C) = 0.2, respectively. Assume events A, B, C are statistically independent. Let X be the total number of jobs the contractor will win. (a) What are the possible values of X? Compute and plot the probability mass function (sannolikhetsfunktionen) of the random variable X. (b) Determine P(X 2). (c) Determine P(0 < X 2). 19. Vid en kvalitetskontroll av ett nyanlänt stort parti enheter väljer man slumpmässigt ut 10 enheter för kontroll. Om antalet felaktiga av de kontrollerade är 3 eller fler klagar man hos producenten. (a) Antag att felkvoten i partiet är p = Vad är sannolikheten att vi kommer att klaga hos producenten? 6

7 1 SANNOLIKHETSTEORI (b) Antag att felkvoten i partiet är p = 0.1. Vad är sannolikheten att vi inte kommer att klaga hos producenten och därmed godkänner partiet? 20. Antal fel i en tillverkningsprocess under en timme anses vara poissonfördelad med väntevärde λ = 0.5. Beräkna sannolikheten att (a) under en timme sker precis 1 fel, (b) under en timme sker högst 3 fel, (c) under en timme sker minst 1 fel, (d) under en arbetspass om 8 timmar sker minst 5 fel men högst 10 fel. 21. Ett lokaltåg skall ankomma till en station kl men brukar vara något försenat. Förseningen (enhet: minut) varierar så att den kan betraktas som en s.v. X, som har täthetsfunktionen f X (x) = 1/5 om 0 x 5. Hur stor är sannolikheten att tåget kommer senare än 13.06? Hur stor är sannolikheten att det kommer mellan och 13.05? 22. The settlement of a structure has the probability density function (täthetsfunktion) shown in the figure. (a) What is the probability that the settlement is less than 2 cm? (b) What is the probability that the settlement is between 2 and 4 cm? f X (x) h x, settlement in cm (c) If the settlement is observed to be more than 2 cm, what is the probability that it will be less than 4 cm? 23. Antalet förbipasserande bilar under tidsintervallet [0, t] är poissonfördelat med väntevärde λt. (a) Beräkna sannolikheten att inga bilar passerar under tidsintervallet [0, t]. (b) Beräkna sannolikheten att minst en bil passerar under tidsintervallet [0, t]. (c) Låt T vara den slumpmässiga tid det tar tills första bilen dyker upp. Bestäm täthetsfunktionen f T (t) för T. (d) Vilken slags fördelning har T? 7

8 1 SANNOLIKHETSTEORI 24. Ett sätt att mäta radonkoncentrationen i inomhusluft är att hänga upp en film känslig för alfa-partiklar. När filmen träffas av en partikel uppstår efter framkallning ett hål i filmen. Om X är antalet hål i en film är det rimligt att anta att X är poissonfördelat med ett µ som är proportionellt mot radonkoncentrationen λ, dvs X P o(kλ). Då man gör mätningar i Wilmas hus är i denna mätsituation K = 0.1. (a) Nyligen rekommenderade världshälsoorganisationen WHO att gränsvärdet för radon i bostäder sänks till λ=100 Bq/m 3. Antag att radonkoncentrationen i Wilmas hus ligger precis på det av WHO rekomenderade gränsvärdet, vad är då µ i Poissonfördelningen som beskriver antal hål i filmen? (b) I Wilmas hus uppmätte man 15 hål på en film. Beräkna sannolikheten att det finns 15 hål eller fler på en film om λ = 100? Inför statistikdelen av kursen: Verkar det finnas fog för påståendet att WHO-gränsvärdet är överskridet i Wilmas hus? 25. I ett distributionssystem är ledtiden, d.v.s. tiden från beställning till leverens från tillverkaren, inte konstant utan slumpmässig. Från en tidigare analys anser man att ledtiden kan modelleras med en exponentialfördelning med parameter λ där λ 2.3 arbetsdagar. (a) Beräkna sannolikheten att ledtiden är kortare än 3 arbetsdagar. (b) Beräkna sannolikheten att ledtiden överstiger 5 arbetsdagar. (c) Vilken ledtid understigs med sannolikheten 0.95? (d) Vilken ledtid överstigs med sannolikheten 0.95? 26. Karakteristisk bärförmåga definieras som 5 %-kvantilen av bärförmågan, dvs sannolikheten att den verkliga bärförmågan understiger den karakteristiska är Bestäm den karakteristiska bärförmågan om bärförmågan är Weibullfördelad med fördelningsfunktionen { 0 för x 0, F X (x) = P(X x) = 1 e (x/10)5 för x > [ ] Antag att arbetstiden (i månader) för ett konstruktionsprojekt modelleras med en kontinuerlig s.v. T med fördelningsfunktion t 2 2t + 1, 1 t 2 F T (t) = P(T t) = 0, t < 1 1, t > 2 (a) Bestäm motsvarande täthetsfunktion (frekvensfunktion) f T (t). (b) Beräkna P(T > 1.5). 8

9 1 SANNOLIKHETSTEORI (c) Beräkna medianen för T. (d) Beräkna väntevärdet för T, d.v.s. E(T )., Lösning 28. [ ] In order to repair the cracks that may exist in a 10-feet weld, a nondestructive testing device (NDT) is first used to detect the location of cracks. Because cracks may exist in various shapes and sizes, the probability that a crack will be detected by the NDT device is only 0.8. Assume that the events of each crack being detected are statistically independent and that the NDT does not give false alarms. (a) If there are two cracks in the weld, what is the probability that they would not be detected? p N (n) (b) The actual number of cracks N in the weld is not known. However, its P MF (sannolikhetsfunktion) is given as in the figure. What is the probability that the NDT device will detect 0 cracks in this weld? n, number of cracks (c) If the device detects 0 cracks in the weld, what is the probability that the weld is flawless (that is, no crack at all)?, Lösning 29. [ ] Two reservoirs are located upstream of a town; the water is held back by two dams A and B. Dam B is 40 m high. (See figure) During a strong-motion earthquake, dam A will suffer damage and water will flow downstream into the lower reservoir. Depending on the amount of water in the upper reservoir when such an earthquake occurs, the lower reservoir water may or may not overflow dam B. Suppose that the water level at reservoir B, during an earthquake, is either 25 m or 35 m, as shown in the bottom left figure; and the increase in the elevation of water level in B caused by the additional water from reservoir A is a continuous random variable with the probability density function (täthetsfunktion) given in the bottom right figure. p Y (y) f X (x) 0.7 a y (m) x, Increase in Water Level in Reservoir B 9

10 1 SANNOLIKHETSTEORI (a) Determine the value of a in the bottom right figure. (b) What is the probability of overflow at B during a strong-motion earthquake? (c) If there were no overflow at B during an earthquake, what is the probability that the original water level in reservoir B is 25 m?, Lösning 30. [ ] The bearing capacity of the soil under a column-footing foundation is known to vary between 6 and 15 kn/m 2. Its probability density (täthetsfunktion) within this range is given as { 1 f X (x) = 2.7 (1 x ), 6 x , elsewhere If the column is designed to carry a load of 7.5 kn/m 2, what is the probability of failure of the foundation?, Lösning 31. Den tid som en kraft belastar en viss konstruktion varierar på ett sätt som beskrivs av täthetsfunktionen i figuren. (a) Bestäm konstanterna a och b. f T (t) b a t 2 (b) Beräkna väntevärde och median för belastningstiden T t, sec. (c) Beräkna sannolikheten att T är minst 6 sek, dvs P(T 6). 32. The delay time of a construction project is described with a random variable X. Suppose that X is a discrete variate with probability mass function (sannolikhetsfunktionfunktion) given in the table. The penalty for late completion of the project depends on the number of day of delay; that is, penalty = g(x i ). The penalty function is also given in the table, in unit of $100, 000. PMF of X Penalty funktion x i p X (x i ) g(x i ) (in days) ($100, 000) (a) Calculate the mean penalty for this project. (b) Calculate the standard deviation of the penalty. 10

11 1 SANNOLIKHETSTEORI 33. Låt X ha sannolikhetsfunktionen k p X (k) (a) Beräkna P(2 X 7). (b) Beräkna väntevärdet E(X). (c) Beräkna variansen V(X). (d) Beräkna standardavvikelsen D(X). (e) Beräkna E(e X ). 34. Låt X vara en stokastisk variabel med täthetsfunktion f X (x) = 2x för 0 x 1, och 0 för övrigt, och beräkna väntevärde, varians och täthetsfunktion för Y = (1 X) Den s.v. X är gammafördelad, Γ(2, 1). Det innebär att täthetsfunktionen kan skrivas som f X (x) = x e x, x 0. Beräkna E( 1 X ). 36. Vid vätskekontrollen i Mångsbodarna dricker var och en av Vasaloppsåkare 0, 1 eller 2 muggar blåbärssoppa med sannolikheterna 0.3, 0.1 respektive 0.6, oberoende av de andra åkarna. (a) Beräkna väntevärde och varians för antalet muggar en slumpmässigt vald åkare dricker. (b) Beräkna sannolikheten att skidåkare A dricker färre muggar blåbärssoppa än skidåkare B. (c) Beräkna sannolikheten att skidåkare A och skidåkare B dricker precis lika många muggar blåbärssoppa. (d) Beräkna sannolikheten att skidåkare A och skidåkare B tillsammans dricker minst 2 muggar blåbärssoppa. 37. [ ] (a) Surhetsgraden i ett vattendrag bestäms varje måndag med hjälp av en ph-meter. Vid mätningen uppstår ett fel Y med väntevärdet δ och standardavvikelsen σ = Här bör δ vara 0 men på grund av att kalibrering ej gjorts är detta systematiska fel 0.4. Beräkna väntevärde och standardavvikelse för mätresultatet om det rätta ph-värdet är 5.8. (b) Antag att vattnets sanna surhetsgrad varierar från måndag till måndag som en s.v. X med väntevärdet 5.8 och standardavvikelsen 0.5. Beräkna väntevärde och standardavvikelse för mätresultatet, Z, en godtycklig måndag. 11

12 1 SANNOLIKHETSTEORI (c) Antag att man varje måndag tar ett vattenprov ur ån. På detta vattenprov gör man sedan tre mätningar Z 1, Z 2 och Z 3 och bildar medelvärdet. Beräkna standardavvikelsen för detta medelvärde om de slumpmässiga felen vid de tre mätningarna är oberoende och X varierar från måndag till måndag som i (b). (d) Det finns tre källor till avvikelser från 5.8 hos värdet Z i (b). Vilka? Vilken/vilka av dessa går att påverka genom den medelvärdesbildning som sker i (c)?, Lösning 38. Vikten hos en alpin skidåkare med utrustning anses variera enligt en stokastisk variabel X med väntevärde E(X) = 80 kg och varians V (X) = 36 kg 2. Vad är väntevärde, varians och standardavvikelse för den totala vikten hos passagerarna i en liten liftkabin då (a) Eva och Johan åker själva i kabinen, d.v.s. total vikt är X 1 + X 2? (b) Eva, Johan och en låda som väger 50 kg åker i kabinen, d.v.s. total vikt är X 1 +X 2 +50? 39. Mjölkinnehållet i en enlitersförpackning varierar något men genomsnittsvolymen (väntevärdet) är 1 liter. Storleken på spridningen i mjölkmängd mellan olika förpackningar beskrivs av variansen σ 2. Du har fått i uppgift att mäta innehållet i fem slumpmässigt valda förpackningar. (a) Vad är väntevärdet för den totala mjölkmängden i de fem förpackningarna? (b) Vad bör variansen för den totala mjölkmängden bli - större eller mindre än σ 2? (c) Du bildar medelvärdet av dina fem mätningar. Vad bör väntevärdet för medelvärdet bli? (d) Vad bör variansen för medelvärdet bli - större eller mindre än σ 2? (e) Om X 1,..., X 5 betecknar mjölkmängden i de fem förpackningarna kan total mjölkmängd skrivas 5 i=1 X i och medelvärdet i=1 X i. Använd räknereglerna för att beräkna väntevärde och varians för total mjölkmängd respektive för medelvärdet. Stämmer resultaten med dina svar i (a)-(d)? (f) Vad är tolkningen av 5X 1? Hur skiljer det sig från 5 i=1 X i? 40. Man vill mäta upp ett 10 m långt band med så bra precision (dvs med så liten variation) som möjligt. Till sitt förfogande har man en mätsticka av längd 1 m. Då man mäter bandet har man ett visst mätfel så den verkliga längden av bandet varierar från mätning till mätning som en slumpvariabel X som har väntevärde 1 m och standardavvikelse 0.05 m. För att få ett 10 m långt band kan man välja mellan två strategier: I Den snabba metoden : Mät upp 1 m med mätstickan. Vik sedan över bandet ett antal gånger tills du har 10 m. II Den jobbiga metoden : Mät upp 1 m band med mätstickan, gör en ny mätning med stickan, osv. Man gör alltså totalt 10 st mätningar. 12

13 1 SANNOLIKHETSTEORI (a) Vilken av slumpvariablerna 10X eller 10 i=1 X i representerar den snabba metoden? Vilken representerar den jobbiga metoden? (b) Beräkna väntevärde och varians för resultatet från de två metoderna, d.v.s. beräkna E(10X) och V (10X) samt E( 10 i=1 X i) och V ( 10 i=1 X i). Vilken metod är att föredra? 41. Man vill uppskatta ett avstånd mellan två punkter A och B och planerar att göra n längdmätningar och sedan bilda medelvärdet av dessa mätningar. Man har en viss uppfattning om mätinstrumentets precision och antar att en mätning har en standardavvikelse på 0.2 m. Hur många mätningar ska man göra om man vill att avståndsuppskattningen (d.v.s. medelvärdet) ska ha en standardavvikelse som är 0.1 m? 42. [ ] Antalet avåkningar under en snöstorm kan beskrivas av en Poissonprocess med intensitet λ avåkningar per kilometer vägsträcka. Det innebär bland annat att antalet avåkningar, X t, på en t km lång sträcka är Po(λt)-fördelat. Man räknar antalet olyckor på tre olika vägsträckor som är 2, 3 resp. 5 km långa och får alltså oberoende observationer av X 2 Po(2λ), X 3 Po(3λ) och X 5 Po(5λ). Man vill uppskatta intensiteten λ och väljer mellan två varianter. Antingen uppskattar man först λ på var och en av vägsträckorna och bildar sedan medelvärdet av de tre uppskattningarna (Y ). Eller så betraktar man de tre sträckorna som en lång sträcka och gör en gemensam uppskattning (Z). Uttryckt i formler blir det alltså Y = 1 3 ( X2 2 + X X ) 5 5 (a) Beräkna väntevärdet av Y och av Z. och Z = X 2 + X 3 + X (b) Beräkna variansen av Y och av Z. Vilken av de två varianterna verkar lämpligast? (c) Under den senaste snöstormen fck man observationerna x 2 = 8, x 3 = 5 och x 5 = 14. Använd λ = Z för att konstruera ett approximativt 95 % konfidensintervall för λ., Lösning 43. Den s.v. X är normalfördelad med väntevärde 0 och standardavvikelse 1 (standardiserad normalfördelning). Skissa gärna figurer när du gör nedanstående uppgifter så du får en uppfattning om vilka areor som är aktuella. Beräkna (a) P (X 1.3) (b) P (X 1.5) (c) P ( 1.5 X 1.3) (d) det värde c så att P (X c) = 0.05 (e) det värde c så att P (X c) = (f) det värde c så att P ( c X c) =

14 1 SANNOLIKHETSTEORI 44. En maskin fyller på foder i säckar märkta 100 kg. Den verkliga vikten, X, i säckarna anses variera enligt en normalfördelning med väntevärde 100 kg och standardavvikelse 0.5 kg. (a) Mellan vilka värden ligger i stort sett alla säckarnas vikter? (b) Beräkna P(X 99). (c) Beräkna sannolikheten att en säcks vikt understiger 101 kg med överstiger 99.5 kg. (d) Hur stor andel av säckarna har en vikt som överstiger 101 kg? (e) Vilken vikt överstigs av 1 % av säckarna? 45. Årsnederbörden X i en stad är en normalfördelad variabel med ett väntevärde på 50 tum och en variationskoefficient på 0.2, där variationskoefficienten definieras som R(X) = D(X). E(X) Beräkna följande: (a) standardavvikelsen för X, (b) P(X < 30), (c) P(X > 60), (d) P(40 < X 55), (e) sannolikheten att X är inom 5 tum från medelårsnederbörden, (f) värdet x 0 sådant att sannolikheten av årsnederbörden överskrider x 0 är bara 1/4 av den att inte överskrida x The force in the cable of the truss shown in the figure, when subjected to a load W given by F ac = h2 + l 2 W h (a) If the load W is a normal variate N(µ W, σ W ), determine the distribution of the force F ac. (b) If µ W = 20 metric tons, σ W = 5 metric tons, and h = 1 l, what is the probability that 2 the force F ac will exceed 30 tons? 14

15 1 SANNOLIKHETSTEORI 47. [ ] A simple structure consisting of a cantilever beam AB and a cable BC is used to carry a load S (see figure). The magnitude of the load varies daily, and its monthly maximum has been observed to be Gaussian with a mean of kg, and a coefficient of variation of 30 %. (a) If the cable BC and beam AB are designed to withstand a 10-month maximum load (that is, a maximum load with a return period of 10 months) with factors of safety of 1.25 and 1.40, respectively, what are the probabilities of failure of the cable and of the beam? (c) Assuming statistical independence between the failures of the beam and cable, what is the probability of failure of the structure (that is, that it will be unable to carry the load)? (d) If (instead of part (a)) the strength of the cable were random N( kg, kg), what would be its failure probability under the load S?, Lösning 48. [ ] The cantilever beam shown in the figure is subjected to a random concentrated load P and a random distributed load W. Assume P is N(5, 1), in kn W is N(1, 0.2), in kn/m (a) Determine the mean and variance of the applied bending moment M a = 50W + 10P. Assume that ρ W,P = 0.5 (that is, the loads are correlated). (b) The resisting moment of the beam M r which is statistically independent of the applied moment M a, is also Gaussian N(200, 50) in knm. Determine the probability of failure of the beam, P(M r < M a ) assuming that M a is Gaussian., Lösning 49. En grov modell för fosforhalten i den östra delen av en sjö är att den är normalfördelad med väntevärde 6 och varians 9. Fosforhalten i den västra delen antas också normalfördelad men med väntevärde 2 och varians 4. (a) Vad är sannolikheten att fosforhalten i ett prov från den östra delen understiger fosforhalten i ett prov från den västra delen? (b) Vad är sannolikheten att medelvärdet av fyra prov från den östra delen överstiger 8? 15

16 1 SANNOLIKHETSTEORI 50. Vid en processkontroll vid tillverkning av metallcylindrar tar man slumpmässigt ut 5 tillverkade enheter från dagens produktion. Eftersom det är viktigt att diametern inte avviker för mycket från målvärdet 8.3 mm så slår man larm och justerar processen om medelvärdet av de 5 diametrarna understiger 8.27 mm eller överstiger 8.33 mm. (a) Antag att diametern varierar enligt N(8.3, 0.05), d.v.s. processen är under kontroll med rätt målvärde. Vad är sannolikheten att man ändå felaktigt slår larm? (b) Hur många enheter, n, ska man ta ut ur produktionen om man vill att risken för falskt alarm ska vara högst 0.05 då processen har rätt målvärde 8.3? 51. När man tillverkar pappersgem utgår man ifrån en rulle metalltråd av längd 1.6 m. Tråden rullas upp, kapas av, böjs till i traditionell form och samtliga gem förpackas sedan i en kartong med texten 100 gem. Om det på slutet återstår en liten trådbit som inte räcker till ett gem slängs denna bit. Längden på metalltråden hos ett gem ska vara 15.9 mm men kan emellertid variera något. Antag att längden varierar enligt en stokastisk variabel med standardavvikelse σ där σ = 0.5 mm. Beräkna sannolikheten att kartongen innehåller minst 100 gem. 52. Ett distributionssystem består av ett centrallager med 25 försäljningskontor. Kunderna efterfrågar varor på försäljningskontoren. Antag att antalet enheter som efterfrågas vid ett försäljningskontor av vara V under en vecka är Poissonfördelat med väntevärde 3.6. Antag också oberoende mellan försäljningskontor. Leveranser från tillverkaren till centrallagret sker enbart en gång i veckan, nämligen varje måndag morgon. (a) Vad är sannolikheten att efterfrågan från kontor 1 överstiger 10 enheter av vara V en vecka? (b) I början av veckan, efter tillverkarens leverans, finns 100 enheter av V i centrallagret och ingen påfyllnad sker under veckans gång. Vad är sannolikheten att totala efterfrågan på V överstiger tillgången i centrallagret den veckan? 53. [ ] The figure shows a schematic procedure of the treatment system for the waste from a factory before it is dumped into a nearby river. Here X denotes the concentration of a pollutant feeding into the treatment system, and Y denotes the concentration of the same pollutant leaving the system. Suppose that for a normal day, X has a log-normal distribution with median 4 mg/l and the coefficient of variation (COV, variationskoefficient) is 20 %. Because of the erratic nature of biological and chemical reactions, the efficiency of the treatment system is unpredictable. Hence the fraction of the influent pollutant remaining untreated, denoted by F, is also a random variable. Assume F is also a log-normal variate with a median of 0.15 and COV of 10 %. Assume X and F are statistically independent. 16

17 1 SANNOLIKHETSTEORI (a) Determine the distribution of Y and the values of its parameters. Note that Y = F X. (b) Suppose that the maximum concentration of the pollutant permitted to be dumped into the river is specified to be 1 mg/l. What is the probability that this specified standard will be exceeded on a normal day? (c) On some working days, owing to heavy production in the factory, the influent X will have a median of 5 mg/l instead. Assume that the distribution of X is still log-normal with the same coefficient of variation and that the efficiency of the treatment system does not change statistically. Suppose that such a heavy work day happens only 10 % of the time. Then, on a given day selected at random, what is the probability that the specified standard of 1 mg/l for Y will be exceeded?, Lösning 54. The maximum annual flood level of a river is denoted by H (in meters). Assume that the probability density of H is described by the triangular distribution shown in the figure. f H (h) (a) Determine the flood height h 20 which has a mean recurrence interval (return period) of 20 years. (P(H > h 20 ) = 1/20) h, m (c) What is the probability that during the next 20 years the river height H will exceed h 20 at least once? (d) What is the probability that during the next 5 years the value of h 20 will be exceeded exactly once? (e) What is the probability that h 20 will be exceeded at most twice during the next 5 years? 55. (a) Översvämningar modelleras av en Poissonprocess. Om medelintensiteten för översvämningar för en region A är en gång per åtta år, bestäm sannolikheten för att det inte blir några översvämmningar under en tioårsperiod; en översvämmning under tioårsperioden; mer än tre översvämmningar under tioårsperioden. (b) En byggnad är placerad i området A. Sannolikheten att den kommer att vattenskadas, när en översvämning inträffar, är Beräkna sannolikheten att byggnaden kommer att klara sig om översvämning ej inträffar; om en översvämning inträffar; om n översvämningar inträffar. Antag statistiskt oberoende mellan översvämningarna. (c) Beräkna sannolikheten att byggnaden kommer att klara sig från vattenskador över en 10-årsperiod. 56. [ ] The following is a 20-year record of the annual maximum wind velocity V in town A (in kilometers per hour, kph). 17

18 1 SANNOLIKHETSTEORI Year V (kph) Year V (kph) (a) Based on this record, estimate the probability that V will exceed 80 kph in any given year. (b) What is the probability that in the next 10 years there will be exactly 3 years with annual maximum wind velocity exceeding 80 kph? (c) A temporary structure is designed to resist a maximum wind velocity of 80 kph. What is the probability that this wind velocity will be exceeded during the 3 year lifetime of the structure? (d) How would the answer in part (c) change, if the design wind velocity is increased to 85 kph?, Lösning 57. [ ] Den genomsnittliga livslängden per mil vägbeläggning, se figuen, beskrivs som en lognormalvariabel med en median på 3 år och variationskoefficient på 50 %. Livslängden anger den användbara tiden till dess reparationer fordras. Antag att livslängderna hos två olika vägavsnitt på vardera en mil är statistiskt oberoende. Density Lognormal µ=3 δ=50% Life per mil, years (a) Vad är sannolikheten att en vägsträcka på en mil kommer att behöva repareras inom ett år? (b) Antag att dimensioneringstiden utgörs av 5 %-percentilslivslängden x 0.05 (dvs, vägens livslängd kommer att vara mindre än dimensioneringstiden med sannolikheten 5 %). Beräkna dimensioneringstiden. (c) Vad är sannolikheten att det inte kommer att behövas några reparationer inom det första året av en 4-mils sträcka av vägen? (d) Vad är sannolikheten att 2 av de 4 milen kommer att behöva repareras inom det första året? (e) Vad är sannolikheten för att reparation behövs av 4-milssträckan inom de första 3 åren? 18

19 2 INFERENSTEORI (f) Vad är sannolikheten att den första reparationen av 4-milssträckan kommer att inträffa inom 2:a året? (Notera att förhållandena vid 2:a året inte är oberoende av det 1:a året.), Lösning 58. [ ] Traffic on a one-way street that leads to a toll bridge is to be studied. The volume of the traffic is found to be 120 vehicles per hour on the average and out of which 2/3 are passenger cars and 1/3 are trucks. The toll at the bridge is $0.50 per car and $2 per truck. Assume that the arrivals of vehicles constitute a Poisson process. (a) What is the probability that in a period of 1 minute, more than 3 vehicles will arrive at the toll bridge? (b) What is the expected total amount of toll collected at the bridge in a period of 3 hours?, Lösning 2 Inferensteori 59. Vid Lunds lasarett låter man X beteckna sänkan hos en slumpmässigt vald inneliggande patient en dag i Juni. Vilken eller vilka metoder ger ett slumpmässigt stickprov av X? (a) Notera sänkan på alla nyinskrivna patienter den givna dagen. (b) Notera resultatet av samtliga bestämningar av sänkan som utförs vid lasarettet den givna dagen. (c) Titta den givna dagen i lasarettets register över inneliggande patienter och välj med samma sannolikhet slumpmässigt ut patienter och ta sänkan på dessa. 60. I en kursomgång några år tillbaka mättes längden (mm) på 17 kvinnliga M-teknologer som kom till ett övningstillfälle genom att använda ett mätinstrument som var uppsatt i dörren på övningslokalen: (a) Fundera över om det kan finnas något systematiskt fel eller med ett annat ord bias i mätningarna. Systematiskt fel är något som gör att mätningarna i medel visar fel. Kan ni tänka ut några anledningar till systematiskt fel i mätningarna för längd? (b) Det vore önskvärt om ni med era mätningar för längder på KVINNA kunde dra generella slutsatser för en större population utöver de som finns i klassrummet. Tror ni att datamaterialet är representativt för exempelvis Sveriges kvinnliga befolknings längd? Sveriges vuxna kvinnliga befolkning? Om ni tycker det, motivera. Om inte, vilken population kan ni tänka att datamaterialet kan beskriva? Bestäm en. 19

20 2 INFERENSTEORI (c) Vad skulle hända om ni sade att ert datamaterial är ett representativt urval för längden för flickor mellan 6 och 8 år? Relatera detta till systematiskt fel. (d) I materialet ovan finns det några värden som avviker mycket från vad ni skulle förvänta er i den population som datamaterialet beskriver, så kallade outliers. För att komma runt detta, skulle det vara bättre att istället för att mäta alla som är i klassrummet, välja ut några själva som man tror passar som urval till populationen? Varför är ett slumpmässigt stickprov ett bra sätt att välja ut sina element som ska representera populationen? (e) Är ert data för KVINNA taget som slumpmässiga stickprov ur den population ni sagt att den ska beskriva? Om inte, tänk ut hur ni skulle valt personer för att få data taget som slumpmässiga stickprov. 61. Vid en undersökning av vattenkvaliteten i Italien gjordes mätningar av ett visst bekämpningsmedel, som man visste använts i jordbruket. Följande värden (ppm) erhölls: Mätresultaten kan betraktas som observationer från oberoende s.v. X 1,..., X 5 där E(X i ) = µ och V (X i ) = σ 2. (a) Skatta µ och σ (använd din räknares inbyggda funktioner). (b) Beräkna väntevärde, varians och standardavvikelse för µ, d.v.s. för X = i=1 X i. (c) Ange medelfelet för µ, d.v.s. d(µ ). 62. Antag att maximala våghöjden (H) på ett visst ställe ett visst år kan anses vara Rayleighfördelad, dvs täthetsfunktionen ges av f H (x) = { x a e x2 /(2a) för x 0, 0 för x < 0. där a är en okänd positiv parameter. Man har under 8 år observerat följande maximala våghöjder (i meter): (a) Beräkna ML-skattningen av a under förutsättning att de åtta observationerna kan anses vara oberoende observationer av H. (b) Beräkna med hjälp av skattningen av a, en skattning av 1000-årsvågen, med vilket menas en våg som är så hög att den i genomsnitt bara inträffar en gång per 1000 år. 20

21 2 INFERENSTEORI 63. Vid tillverkning av sjukhusutrustning används en viss typ av elektroniska komponenter. Livslängden (timmar) hos dessa får inte vara för kort eftersom de då blir oanvändbara. Man vill göra en uppskattning av den livslängd som överstigs av 90% av komponenterna. Från den stora produktionen valdes slumpmässigt ut 53 komponenter på vilka man mätte livslängden. Lite data från materialet: x = 60.99; 53 i=1 x2 1 i = ; x) 2 = ; minsta värde är 4.43 och största värde är i=1 (x i (a) Man tittar på de 53 observationerna i ett histogram samt i tre olika fördelningspapper, se figur. De tre fördelningarna är: Fördelning frekvensfunktion för X E(X) E(X 2 ) V (X) Normalfördelning f(x) = 1 (x µ)2 e 2σ 2 2πσ µ σ 2 µ σ 2 2 Lognormalfördelning f(x) = 1 x 2πσ Rayleighfördelning (ln(x) µ) 2 e 2 2σ 2, x > 0 e f(x) = x x2 e 2a, x > 0 (a > 0) a µ+ σ2 2 e 2µ+2σ2 e 2µ+2σ2 e 2µ+σ2 a π 2 2a 4 π 2 a Vilken av de tre fördelningarna passar bäst att ansätta som modell för hur livslängden varierar? (b) Din valda fördelning i (a) har en okänd parameter (ev. flera okända parametrar beroende vilken fördelning du valt). Bestäm ML-skattningen av parametern (parametrarna). (c) Använd resultatet i (b) för att uppskatta den livslängd som överstigs av 90% av komponenterna. (d) Undersök om ML-skattningen i (b) är väntevärdesriktig., Lösning 21

22 2 INFERENSTEORI 64. Ett mycket stort parti av enheter har felkvoten p, där p är högst Man vill ta ut n enheter slumpmässigt ur partiet och på grundval härav konstruera en skattning av p med en standardavvikelse på högst Hur stort måste n vara? 65. Ett föremål består av två delar A och B som har vägts ett antal gånger varvid man fick resultaten: A B Vidare har hela föremålet vägts två gånger varvid man fick: A+B Vägningarna är behäftade med oberoende slumpmässiga fel från samma fördelning. Beräkna med minsta-kvadrat-metoden en skattning av vikten hos hela föremålet. 66. In the measurement of daily dissolved oxygen (DO) concentrations in a stream, let p denote the probability that the DO-concentration will fall below the required standard on a single day. DO-concentration is measured daily until unsatisfactory stream quality is encountered, and the number of days in this sequence of measurement is recorded. Suppose 10 sequences have been observed and the length of each sequence is 2, 5, 6, 4, 6, 6, 8, 5, 10, 1 days. Determine the maximum likelihood estimator for p, and estimate p on the basis of the observed data. 67. [ ] The distribution of wave height has been suggested to follow a Rayleigh density function (täthetsfunktion), h 1 f H (h) = α 2 e 2 (h/α)2, h 0, 0, h < 0. with parameter α. Suppose the following measurements on wave heights were recorded: 1.5, 2.8, 2.5, 3.2, 1.9, 4.1, 3.6, 2.6, 2.9, 2.3 m. Estimate the parameter α by the method of maximum likelihood., Lösning 68. [ ] De oberoende stokastiska variablerna X i och Y j har väntevärden E(X i ) = 2a respektive E(Y j ) = a och känd varians V(X i ) = V(Y j ) = 1. Man vill skatta a med hjälp av n x mätningar av X i och n y mätningar av Y j. (a) Visa att (den oviktade) minsta-kvadrat-skattningen, a av a ges av a = 2 n x i=1 x i + n y j=1 y j 4n x + n y. (b) Beräkna väntevärde och varians för a och ange en approximativ fördelning för a, under förutsättning att man gör många mätningar av X i och Y j. 22

23 2 INFERENSTEORI (c) Man har gjort 150 mätningar av X i och fått x = Man har också gjort 100 mätningar av Y j och fått ȳ = 6.4. Beräkna ett värde på a tillsammans med ett approximativt 95 % tvåsidigt konfidensintervall för a., Lösning 69. Fortsättning från uppgift 61. Antag att halten kan beskrivas med en normalfördelning med väntevärde µ och standardavvikelse σ. Man vill göra ett tvåsidigt 95% konfidensintervall för µ, den genomsnittliga halten av det undersökta bekämpningsmedlet i ån. Beräkna det (a) under förutsättning av man anser sig känna σ och σ = 0.01 (b) under den mer realistiska förutsättningen att σ är okänd (c) Utifrån intervallet i (b), är det troligt att genomsnittlig halt av bekämpningsmedlet är 0.12? 70. Fortsättning från uppgifterna 61 och 69. Gör man ett tvåsidigt 95% konfidensintervall för µ, den förväntade halten av det undersökta bekämpningsmedlet i ån blir det I µ =(0.14, 0.18). Vilka av följande påståenden är sanna och vilka är falska? (a) Gör jag en ny mätning av halten bekämpningsmedel i vattendraget kommer denna halt att ligga i intervallet med sannolikheten (b) Om jag vill halvera bredden på intervallet måste jag ta ungefär dubbelt så många mätningar. (c) Om jag vill göra ett 99% konfidensintervall för µ, baserat på samma mätningar, blir det bredare än det angivna intervallet. (d) Om jag gjorde många mätningar av halten skulle ca 95% av mätningarna ligga i intervallet. 71. [ ] En fysiker har gjort fem mätningar för att bestämma en fysikalisk konstant m. Mätningarna kan anses vara observationer av en normalfördelad stokastisk variabel med väntevärde m och känd standardavvikelse. Hon fick ett 90 % konfidensintervall (7.02, 7.14), vilket hon tyckte var för brett och hade för låg konfidensgrad. Hur många fler mätningar behövs för att få ett konfidensintervall som har konfidensgrad (a) 90 % och som är hälften så brett? (b) 95 % och som har ungefär samma bredd?, Lösning 72. Data på nederbördens intensitet (i tum) är samlat mellan åren 1918 och 1946 i ett flodområde, enligt följande: 23

24 2 INFERENSTEORI År intensitet År intensitet År intensitet År intensitet Räknehjälp: 29 1=1 x i = ; 29 1=1 x2 i = (a) Beräkna punktskattningar för väntevärdet µ och variansen σ 2. Använd räknehjälpen ovan eller knappa in data på din räknare och utnyttja de färdiga rutiner som finns där, se lathund för miniräknare. Du kan också hämta data som matlabfil: nederbord.mat. (b) Beräkna ett 95 % konfidensintervall för väntevärdet µ. Antag att årsnederbördens intensitet är normalfördelad, och att σ är känd; σ = 8. (c) Är det troligt att förväntad nederbörd ett år är 45 tum? (d) Antag nu, lite mer realistiskt, att σ är okänd och gör ett 95 % konfidensintervall för väntevärdet µ. 73. The daily dissolved oxygen concentration (DO) for a location A downstream from an industrial plant has been recorded for 10 consecutive days. Day DO (mg/l) (a) Assume that the daily DO-concentration has a normal distribution N(µ, σ); estimate the values of µ and σ. (b) Determine the 95 % confidence interval for the true mean µ. (c) Determine the 95 % lower confidence limit of µ. (d) Could we, with some certainty, assert that µ exceeds 1.7 mg/l? 24

25 2 INFERENSTEORI 74. Consider the annual maximum wind velocity (V ) data are given in the following table. Year V (kph) Year V (kph) (a) Calculate the sample mean and sample variance of V. (b) Determine an approximate 99 % confidence interval for the mean velocity. 75. Surhetsgraden i ett vattendrag bestäms varje fredag med hjälp av en ph-meter. Vid bestämningen uppstår ett fel η som antas vara normalfördelat med väntevärde och standardavvikelse σ 1 =0.05. Här bör (= systematiska felet) vara 0 men på grund av feljustering av ph-metern misstänker man att är 0.3. För att undersöka ph-meterns feljustering gör man i ett laboratorium 5 oberoende bestämningar av ph-värdet på en lösning med känt ph-värde = 7, varvid medelvärdet av bestämningarna blev Gör ett 95% konfidensintervall för det systematiska felet. Motsäger ditt resultat den tidigare misstanken att det systematiska felet skulle vara 0.3? 76. Asbest är förbjudet sedan länge, men finns framförallt kvar i äldre byggnader och är en risk för de som arbetar i byggbranschen. På en rivningsarbetsplats gjordes 5 mätningar av mängden fibrer (fibrer/cm 3 ) som är tunnare än tre mikrometer i diameter. Från mätningarna fick man: x = 0.09 och s = Antag att för mätningarna på fiberhalten gäller en normalfördelning med väntevärde µ och standardavvikelse σ. (a) Beräkna ett tvåsidigt 95 % konfidensintervall för µ. (b) För arbetarna är ett ensidigt intervall av större intresse. Vilken typ av intervall är det? Beräkna det intressanta ensidiga intervallet. (c) Om gränsvärdet för asbest är 0.1 fibrer/cm 3, vilken slutsats drar du från ditt ensidiga intervall? Välj rätt(a) alternativ: i. Genomsnittlig asbetshalt är troligen för hög på arbetsplatsen. ii. Med dessa data har vi inte kunnat påvisa att genomsnittlig asbetshalt understiger gränsvärdet. iii. Genomsnittlig asbetshalt är troligen under gränsvärdet på arbetsplatsen. iv. Gränsvärdet är understiget eftersom x = 0.09 <

26 2 INFERENSTEORI 77. Två maskiner A och B levererar under en viss dag enheter som har dimensionerna N(m 1, σ) resp N(m 2, σ), okända parametrar. Man vill jämföra medeldimensionerna m 1 och m 2 och samlar därför in följande material: A B (a) Bestäm ett 95 % konfidensintervall för differensen m 2 m 1. (b) Finns det anledning att tro att maskinerna levererar enheter med två olika medeldimensioner? 78. Stickprov av mycket rent järn berett med två olika metoder A och B hade följande smältpunkter: A ( C) B ( C) Formulera en statistisk modell baserad på normalfördelning och lika varians. (a) Testa hypotesen att de två metoderna ger samma medelsmältpunkter. (b) Konstruera ett konfidensintervall för skillnaden mellan de två medelsmältpunkterna. Konfidensgrad: 95 %. 79. Med avsikten att undersöka om gasskuren resp. maskinbearbetad fog påverkade slagseghetsegenskaperna i den värmepåverkande zonen hos svetsförband, tog man ut 10 par provplåtar av olika tjocklekar. För varje plåttjocklek tillverkades en gasskuren och en maskinbearbetad svetsfog. Slagseghetsprovstavar togs ur varje färdigsvetsat svetsprov. Följande värden erhölls för de 10 olika plåttjocklekarna. Plåttjocklek (kategori) Brottgräns: Gasskuren (MPa) Maskinbearbetad (MPa) (a) Testa huruvida det föreligger någon skillnad mellan gasskuren och maskinbearbetad fog avseende slagseghet samt gör ett 95 % konfidensintervall för denna skillnad om sådan föreligger. Vilken typ av fog skulle du rekommendera? Ange de antaganden som du gjort. 26

27 2 INFERENSTEORI (b) I en tidigare analys av samma datamaterial glömde man bort (struntade i?) att plåtarna hade olika tjocklek och betraktande alltså slagseghetsmätningarna på gasskuren respektive maskinbearbetade fogar som två helt oberoende stickprov med samma varians σ 2 men väntevärdena µ Gas respektive µ Maskin. Testa, med denna mindre välbetänkta modell, huruvida det föreligger någon skillnad mellan gasskuren och maskinbearbetad fog avseende slagseghet. Vad är det som blir annorlunda nu? 80. På nyfödda barn tas blodprov för att bl.a. bestämma barnets hemoglobinhalt. Traditionellt görs en kemisk bestämning av hemoglobinhalt på laboratorium men ett sjukhus ville prova en ny maskin HemoCuesom använder optiska sensorer. HemoCue kan användas direkt på avdelningen och ger, med tanke på olika blodburna sjukdomar, större säkerhet vid blodprovstester. På 10 slumpmässigt utvalda barn gjordes hemoglobinbestämning (g/dl) med båda metoderna. Barn (i): Lab (x i ): HemoCue (y i ): På data beräknades några sammanfattande mått på x i, y i samt z i = y i x i : Medelvärde Standardavvikelse Antal mätningar x = s x = n x = 10 ȳ = s y = n y = 10 z = 0.67 s z = n z = 10 (a) Undersök om det finns det en systematisk skillnad mellan metoderna genom att beräkna ett konfidensintervall. Antag lämpliga normalfördelningar. (b) Din uppgift är att bedöma storleken på det systematiska skillnaden (om det finns någon), vad är ditt svar? Verkar maskinen och labbet ge olika resultat? 27

28 2 INFERENSTEORI 81. [ ] The distance between A and C is measured in 2 stages: namely, AB and BC as shown in the figure. Measurements on AB and BC are recorded as follows: AB: 100.5, 99.6, 100.1, 100.3, 99.5 m BC: 50.2, 49.8, 50.0 m (a) Compute the sample mean and sample variance of the measured distances for AB. (b) Compute the standard error of the estimated distance of AB. (c) Establish an approximate 98 % confidence interval for the actual distance AB. (d) If the distance AC is given by the sum of the estimated distances AB and BC, that is AC = AB + BC, what is the standard error of the estimated total distance between A and C? (e) Establish an approximate 98 % confidence interval on the actual length AC., Lösning 82. Man frågade 136 slumpmässigt utvalda ungdomar hur fort de kört en bil när de kört som fortast. Man ritade ett histogram för data och plottade data i ett normalfördelningspapper och då såg man att normalfördelning var inte någon lämplig modell. Kan man ändå göra ett approximativt 95 % konfidensintervall för genomsnittlig maxhastighet hos ungdomar i allmänhet? Medelvärdet av de 136 maxhastigheterna var (km/h) och standardavvikelsen var (km/h). 83. Vid en kvalitetskontroll av ett nyanlänt parti av komponent B543 valde man slumpmässigt ut 50 komponenter och såg att 17 av dessa måste gå vidare till en extra kontroll för att där avgöra om de är felaktiga eller inte. Gör ett approximativt 95 % konfidensintervall för andelen komponenter som måste göra extrakontrollen. 84. Två tillverkare av pumpar (Pump A och Pump B) levererar båda med specifikationen 500 timmars livslängd. Man installerade 60 pumpar från vardera tillverkaren och noterade pumparnas livslängd (timmar) samt sammanställde data i en tabell: Skattad Medelvärde standardavvikelse Antal Pump A Pump B Man ritade också ut de två datamaterialen i normalfördelningspapper. 28

29 2 INFERENSTEORI (a) Undersök om den genomsnittliga livslängden för Pump A är kortare än för Pump B. Glöm inte att motivera dina fördelningsantaganden. (b) Man såg av datamaterialet att 32 pumpar av B-typ hade en livslängd under 500 timmar. Gör ett konfidensintervall för andelen B-pumpar som inte klarar tillverkarens specifikation. (c) Man såg dessutom att 51 pumpar av A-typ hade en livslängd under 500 timmar. Undersök om andelen pumpar som inte klarar tillverkarens specifikation är högre för Pump A än för Pump B., Lösning 85. Under perioden hände det att det var minusgrader i Målilla under 187 av de 310 marsdagarna och 64 av de 310 majdagarna. Antag, lite orealistiskt, att det blir minusgrader olika dagar oberoende av varandra. (a) Beräkna ett tvåsidigt, approximativt 95 % konfidensintervall för skillnaden mellan sannolikheten att det blir minusgrader en slumpmässigt vald dag i mars jämfört med en dag i maj. (b) Beräkna ett tvåsidigt, approximativt 95 % konfidensintervall för den förväntade skillnaden i totala antalet dagar med minusgrader i mars och maj ett visst år. 86. Vi vill uppskatta hur vanligt det är att det snöar i april i Målilla och konstaterar att under de 300 aprildagarna under perioden så snöade det under 71 dagar. Antag att olika dagar är oberoende av varandra. (a) Beräkna ett approximativt 95 % konfidensintervall för sannolikheten att det snöar en slumpmässigt vald aprildag i Målilla. 29

30 2 INFERENSTEORI (b) Skatta sannolikheten att det inte snöar alls i april ett visst år och utnyttja intervallet i (a) till att göra ett 95 % tvåsidigt konfidensintervall för denna sannolikhet. 87. Antal fel under en vecka i en produktionsprocess anses vara poissonfördelat med väntevärde λ. Din uppgift är att ge ledningen information om hur stort detta λ är och därför vill du göra ett 95 % konfidensintervall för storheten. Gör det under förutsättning att (a) du noterat 17 fel under en vecka (b) du under tre veckor noterat 17, 20 och 23 fel i processen 88. Vi vill undersöka om fluorhalten i vattenprov från en gårdbrunn understiger gränsvärdet 0.2 (ppm). Om flourhalten är för låg bör man nämligen, av tandhälsoskäl, tillsätta fluor till vattnet. Låt µ (ppm) vara den verkliga fluorhalten i vattnet. Ange om följande påståenden är sanna eller falska. (Du får 1 poäng för ett korrekt svar, 0 poäng om du inte ger något svar och 1 om du anger ett felaktigt svar. Totalt kan du dock få lägst 0 poäng på uppgiften.) (a) Nollhypotesen H 0 : µ = 0.2 respektive mothypotesen H 1 : µ < 0.2 är lämpliga. (b) Om ett ensidigt 95 % konfidensintervall för µ beräknats till I µ = (0, 0.22) så kan vi säga att fluorhalten är signifikant för låg. (c) Om nollhypotesen H 0 : µ = 0.2 inte kan förkastas så betyder det att vi kan vara ganska säkra på att fluorhalten verkligen är 0.2 (ppm). (d) Eftersom vi fått att x = 0.19 kan vi dra slutsatsen att fluorhalten är signifikant lägre än En biltillverkare säger i sin reklam att den genomsnittliga bensinförbrukningen för en viss modell är högst µ = 0.90 l/mil vid blandad körning. En motororgansisation misstänker att bränsleförbrukningen i själva verket är högre och provkör under en längre tid n = 20 slumpmässigt utvalda bilar av modellen. Den genomsnittliga bränsleförbrukningen blev då x = 0.99 l/mil. Man antar att bränsleförbrukningen är normalfördelad med standardavvikelse σ = 0.2 och beslutar sig för att testa H 0 : µ 0.90 mot H 1 : µ > 0.90 på signifikansnivå α. (a) Utför testet på signifikansnivå α = 0.05 respektive α = (b) Antag att den sanna bränsleförbrukningen inte är 0.9 utan 1.0, med vilken sannolikhet kommer vi då att upptäcka att H 0 är falsk då vi använder ett test med signikansnivå α = 0.05? 30

31 2 INFERENSTEORI 90. [ ] En viss blåbärssoppstillverkare vill undersöka om vasaloppsåkare dricker mer soppa i år än normalt, på grund av det soliga vädret, genom att välja ut ett antal skidåkare slumpmässigt och mäta medelvärdet av deras soppkonsumtion. Antag att varje åkare dricker en slumpmässig, inte nödvändigtvis normalfördelad, mängd soppa med okänt väntevärde µ dl och känd standardavvikelse σ = 20 dl. Normalt är µ = 55 dl. (a) Sätt upp lämpliga hypoteser och konstruera ett test för att testa om medelkonsumtionen soppa är signifikant större i år än normalt, med approximativ signifikansnivå α = Du får förutsätta att man kommer att behöva undersöka många åkare. (b) Hur många åkare måste man undersöka för att sannolikheten att upptäcka att medelkonsumtionen är större än normalt ska vara minst 80 % om medelkonsumtionen i verkligheten är 1 dl större än normalt? (c) Medelkonsumtionen för dina undersökta skidåkare blev 60 dl. Kan man, med ditt test, påstå att medelkonsumtionen är större än normalt? ; Lösning 91. [ ] En förpackningsmaskin fyller på kaffe i förpackningar. Mängden kaffe i en förpackning varierar enligt en normalfördelning N(µ, σ) där man anser sig veta att standardavvikelsen σ är 20 g. I förpackningarna ska den genomsnittliga kaffemängden vara minst 500 g och nu vill man kontrollera att maskinen inte är felinställd så att den i genomsnitt förpackar för liten mängd kaffe. Nio förpackningar valdes ut slumpmässigt och kaffeinnehållet vägdes (enhet g): (a) Tyder data på att maskinen är felinställd och förpackar i genomsnitt för lite kaffe? Ange lämpliga hypoteser och utför ett test på signifikansnivån 1%. (b) Antag att maskinen är felinställd så att den förpackar i genomsnitt enbart 490 g kaffe. Beräkna sannolikheten att vi inte kommer att upptäcka felinställningen då vi använder testet i (a)? ; Lösning 92. För att undersöka om man kan modifiera tekniken att tillverka mineralull så att den blir behagligare att hanskas med (inte sticks ) låter man 16 försökspersoner i en blindprovning känna på två typer av ull, den ena tillverkad enligt gammal beprövad metod, den andra enligt en ny metod. Det visade sig att 12 personer föredrar den nya typen medan 4 föredrar den gamla. Sätt upp en lämplig statistisk modell och testa en hypotes som betyder att metoderna är likvärdiga, mot hypotesen att den nya metoden är bättre. 93. Det statistiska uppförandet hos radioaktivt sönderfall beskrivs väl av Poissonfördelningen eftersom sannolikheten för sönderfall per kärna är liten och konstant samtidigt som antalet kärnor är mycket stort. Den naturliga bakgrundsstrålningen (uttryckt som antalet registrerade pulser per sekund) vid en viss mätpunkt har en intensitet av λ=1 sek 1, dvs antalet registrerade pulser under en slumpmässigt vald sekund är poissonfördelat med väntevärde 31

32 2 INFERENSTEORI 1. På grund av en olycka i ett mycket avlägset land misstänker man att intensiteten har ökat. Antag att man mäter 15 sekunder och därvid registrerar 20 partiklar. (a) Ställ upp lämpliga noll- och mothypoteser. (b) Beräkna P-värdet och utför testet på nivå 5%, redovisa tydligt din slutsats. 94. I en industri tillverkar man enheter som vid kontroll klassificeras som antingen korrekta eller defekta. Högsta acceptabla felfrekvens är 1%. För att kontrollera kvaliteten i ett stort parti har man följande kontrollplan: Tag ut 300 enheter och avskilj partiet om antalet defekta enheter överstiger acceptansgränsen 7. (a) Antag att det kommer in ett acceptabelt parti med den låga felfrekvensen är 1%, beräkna producentrisken. (b) Antag att det kommer in ett dåligt parti med den höga felfrekvensen 5%, beräkna konsumentrisken. (c) Antag att felfrekvensen är större än 5%, hur ändras konsumentrisken i förhållande till ditt beräknade värde i (b)? 95. Konstruktionsvirke används för falsverk i en konstruktionsprojekt. Virket av en given dimension transporteras i lastbilslaster. Antag att fem kvantiteter per lastbilslast väljs ut på måfå och bedöms avseende kvalitén. Antag att i en last fordras att alla fem är ickedefekta för att lasten skall godkännas. (a) Om andelen defekta kan vara högst 30 % vad är konsumentrisken? (b) Leverantören förväntas inte leverera konstruktionsvirke med mer än 10 % defekta. Om andelen defekta i en last virke verkligen är 10 %, vad är sannolikheten att en lastbilslast kommer att förkastas. 96. Vid en statistisk kvalitetskontroll tas 250 enheter ur ett parti ut för kontroll. Antal fel på en enhet är Poissonfördelat med väntevärde m och antal fel på olika enheter är oberoende av varandra. Sammanlagda antalet fel på de 250 enheterna räknas (s.k. felantalskontroll). Partiet accepteras direkt om högst 90 fel finns, annars kontrolleras även de resterande enheterna i partiet (s.k. allkontroll). Antag att m=0.3. (a) Beräkna sannolikheten att en enhet inte har några fel. (b) Beräkna det förväntade antalet fel hos de 250 kontrollerade enheterna. (c) Beräkna sannolikheten att partiet accepteras efter första kontrollen. (d) Den statistiska kontrollen kostar 100 kronor men om partiet allkontrolleras tillkommer en extra kontrollkostnad på 1300 kronor. Beräkna förväntad total kontrollkostnad för ett mottaget parti. 32

33 2 INFERENSTEORI (e) Antag nu att m är okänt. För vilka värden på m gäller att sannolikheten att man måste göra en allkontroll överstiger 0.05? ; Lösning 97. Antag att data på vattenkonsumtion per dag och per capita har insamlats för fyra städer och sammanställts i tabell enligt följande (se också figur) x y Stad Befolkning Vattenkonsumtion (i 10 4 ) per capita (i 100 liter/dag) Vattenkonsumtion per capita y Befolkning / 10 4 x (a) Om befolkningsstorleken ignoreras, vad blir då stickprovsvariansen s 2 y? (b) Från observerade data tycks finnas en generell trend att vattenkonsumptionen per capita ökar med befolkningen i staden. Använd regressionsmodellen Y (x i ) = α + βx i + ɛ i där ɛ i N(0, σ) och antas vara oberoende av varandra. i. Beräkna minsta-kvadrat-skattningarna av α och β. ii. Uppskatta σ. 98. Sträckgränsen för betong kan mätas i ett splittertest i vilken en betongcylinder placeras i en testanordning där den utsätts för diametral kompression (ASTM C496-66). Kompression och sträckstyrka hos lättbetong och ordinär betong som funktion av ålder för en speciell blandning rapporteras av J. A. Hanson 1 : 1 J. A. Hanson: Effects of Curing and Drying Environments on Splitting Tenside Strength of Concrete, ACI J., Table 3, July

34 2 INFERENSTEORI Lättbetong Betong Ålder Kompressions- Sträck- Kompressions- Sträck- (dagar) styrka gräns styrka gräns år (a) Gör en regressionsanalys av tillväxten av kompressionsstyrka med tiden. Använd en modell av formen: Styrka = a tid b ɛ där ɛ är en lognormalfördelad stokastisk variabel. (b) Skatta standardavvikelsen hos kompressionsstyrkan som funktion av tiden. Hämta data som matlabfil: betong.mat. 99. [ ] Ett belastningstest har utförts på ett aluminiumprov. Den applicerade belastningen och motsvarande förlängning av prov vid olika etapper av testen är registrerat enligt följande. Belastning Förlängning (kn) (10 3 tum) x y (a) Antag att belastningsförlängningsrelationen hos aluminium över den här räckan av last är linjär. Beräkna minstakvadratskattningarna av Youngmodulen för det här aluminiumprovet. Tvärsektionsytan hos provet är 0.1 tum 2 och längden är 10 tum. Youngmodulen ges av lutningen hos belastningsförlängningskurvan. (tum/kn). (b) Antag förutom en linjär relation mellan styrka och förlängning att ingen belastning skulle motsvarande ingen förlängning; dvs regressionslinjen som antas vara E(Y (x)) = βx Vad blir minsta-kvadrat-uppskattningen av Youngmodulen i det här fallet?, Lösning 34

35 2 INFERENSTEORI 100. Det stryker omkring mårror i Ensliga bergen. Mårror är kalla och ju ensammare en mårra känner sig desto snabbare sprider sig kölden ut från henne. Hemulen (som har tröttnat på att samla frimärken och nu samlar på mårror istället) misstänker att det finns ett samband mellan en mårras storlek (mätt i hennes bottenyta x m 2 ) och hur ensam hon känner sig (mätt i köldutbredningshastighet i marken y m 2 /h). Hemulen har samlat in följande material från några slumpmässigt valda mårror vid olika tillfällen: mårra (i) bottenyta (x i ) köldutbredningshastighet (y i ) kldutbredningshastighet, y (m 2 /h) bottenyta, x (m 2 ) Han har dessutom räknat ut i=1 (x i x) 2 = 1.416, i=1 (x i x)(y i ȳ) = 1.046, i=1 (y i ȳ) 2 = Testa, på något lämpligt sätt, om det finns ett signifikant linjärt samband mellan köldutbredning och storlek hos mårror. Ange tydligt modell, hypoteser och vald signifikansnivå I ett försök mätte man hur värmeutvecklingen i stelnad cement påverkas av viktprocenten av trikalciumsilikat. För 13 olika cementblock, med varierande viktprocent trikalciumsilikat, noterade man värmeutvecklingen (enhet: kalorier per gram cement). Resultat: viktprocent värmeutveckling Man ansatte en modell där värmeutvecklingen (y) berodde linjärt på viktprocenten (x): y i = α + β x i + ɛ i, i = 1,..., 13 där ɛ 1,..., ɛ 13 är oberoende och N((, 0), σ). Man analyserade data med ett beräkningsprogram och fick följande resultat: Koefficient Skattning Konfidensintervall (95%) α (38.74, 76.11) β (0.42, 1.16) Vidare fick man skattningen av σ till 9.08 och förklaringsgraden R 2 =0.67. Man ritade också ut några figurer, se nedan. 35

36 2 INFERENSTEORI 140 Linear Regression 120 varmeutv Residuals viktprocent Normplot of Residuals