Föreläsningsmanus i matematisk statistik för lantmätare, vecka 2 HT07

Relevanta dokument
Kombinatorik och sannolikhetslära

Om sannolikhet. Bengt Ringnér. August 27, Detta är introduktionsmaterial till kursen i matematisk statistik för lantmätarprogrammet

Matematisk statistik - Slumpens matematik

SF1901: Sannolikhetslära och statistik

händelsen som alltid inträffar. Den tomma mängden representerar händelsen som aldrig inträffar.

SF1901: SANNOLIKHETSTEORI OCH GRUNDLÄGGANDE SANNOLIKHETSTEORI, STATISTIK BETINGADE SANNOLIKHETER, OBEROENDE. Tatjana Pavlenko.

Sannolikhetslära. 1 Enkel sannolikhet. Grunder i matematik och logik (2015) 1.1 Sannolikhet och relativ frekvens. Marco Kuhlmann

1 Föreläsning I, Mängdlära och elementär sannolikhetsteori,

Matematisk statistik 9hp för: C,D,I, Pi

Föreläsning 1, Matematisk statistik Π + E

Föreläsning 2. Kapitel 3, sid Sannolikhetsteori

Matematisk Statistik och Disktret Matematik, MVE051/MSG810, VT19

Matematisk statistik 9 hp för I, Pi, C, D och fysiker Föreläsning 1: Introduktion och Sannolikhet

Grundläggande matematisk statistik

TAMS79: Föreläsning 1 Grundläggande begrepp

Kap 2: Några grundläggande begrepp

Föreläsning 1, Matematisk statistik för M

Utfall, Utfallsrummet, Händelse. Sannolikhet och statistik. Utfall, Utfallsrummet, Händelse. Utfall, Utfallsrummet, Händelse

S0007M Statistik2: Slumpmodeller och inferens. Inge Söderkvist

TMS136. Föreläsning 2

Statistik 1 för biologer, logopeder och psykologer

SF1901: SANNOLIKHETSTEORI OCH STATISTIK GRUNDLÄGGANDE SANNOLIKHETSTEORI, BETINGAD SANNOLIKHETER, OBEROENDE. Tatjana Pavlenko.

Kolmogorovs Axiomsystem Kolmogorovs Axiomsystem Varje händelse A tilldelas ett tal : slh att A inträar Sannolikheten måste uppfylla vissa krav: Kolmog

Betingad sannolikhet och oberoende händelser

TMS136. Föreläsning 1

Grundläggande matematisk statistik

Föreläsningsmanus i matematisk statistik för lantmätare, vecka 5 HT06

Övning 1 Sannolikhetsteorins grunder

F2 SANNOLIKHETSLÄRA (NCT )

Sannolikhetslära. 1 Grundläggande begrepp. 2 Likformiga sannolikhetsfördelningar. Marco Kuhlmann

SF1920/SF1921 Sannolikhetsteori och statistik 6,0 hp Föreläsning 1 Mängdlära Grundläggande sannolikhetsteori Kombinatorik Deskriptiv statistik

SF1901: Sannolikhetslära och statistik

TMS136. Föreläsning 2

F5 STOKASTISKA VARIABLER (NCT , samt del av 5.4)

TMS136. Föreläsning 1

Reliability analysis in engineering applications

SF1901: Sannolikhetslära och statistik

7-1 Sannolikhet. Namn:.

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

Något om kombinatorik

1 Föreläsning I, Vecka I: 5/11-11/11 MatStat: Kap 1, avsnitt , 2.5

Statistik. Det finns tre sorters lögner: lögn, förbannad lögn och statistik

Sannolikhetsteori. Måns Thulin. Uppsala universitet Statistik för ingenjörer 23/ /14

Sannolikhetsbegreppet

1.1 Diskret (Sannolikhets-)fördelning

Statistikens grunder HT, dagtid Statistiska institutionen

Introduktion till sannolikhetslära. Människor talar om sannolikheter :

SF1901: Sannolikhetslära och statistik

4 Diskret stokastisk variabel

Anna: Bertil: Cecilia:

F3 SANNOLIKHETSLÄRA (NCT ) För komplementhändelsen A till händelsen A gäller att

{ } { } En mängd är en samling objekt A = 0, 1. Ex: Mängder grundbegrepp 5 C. Olof M C = { 7, 1, 5} M = { Ce, Joa, Ch, Je, Id, Jon, Pe}

Institutionen för lingvistik och filologi VT 2014 (Marco Kuhlmann 2013, tillägg och redaktion Mats Dahllöf 2014).

MA2047 Algebra och diskret matematik

7-2 Sammansatta händelser.

Linjära ekvationer med tillämpningar

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

Statistisk slutledning (statistisk inferens): Sannolikhetslära: GRUNDLÄGGANDE SANNOLIKHETSLÄRA. Med utgångspunkt från ett stickprov

MS-A0509 Grundkurs i sannolikhetskalkyl och statistik Sammanfattning, del I

Övningshäfte 1: Logik och matematikens språk

MS-A0509 Grundkurs i sannolikhetskalkyl och statistik Sammanfattning, del I

Föreläsning G70, 732G01 Statistik A

Probabilistisk logik 1

3 Grundläggande sannolikhetsteori

Kapitel 2. Grundläggande sannolikhetslära

SF1922/SF1923: SANNOLIKHETSTEORI OCH DISKRETA STOKASTISKA VARIABLER STATISTIK. Tatjana Pavlenko. 23 mars, 2018

FÖRELÄSNING 3:

Sannolikhetslära. 19 februari Vad är sannolikheten att vinna om jag köper en lott?

8-1 Formler och uttryck. Namn:.

Jörgen Säve-Söderbergh

STA101, Statistik och kvantitativa undersökningar, A 15 p Vårterminen 2017

STA101, Statistik och kvantitativa undersökningar, A 15 p Vårterminen 2017

kvoten mellan två på varandra följande tal i en talföljd är konstant alltid lika stor.

Bonusmaterial till Lära och undervisa matematik från förskoleklass till åk 6. Ledning för att lösa problemen i Övningar för kapitel 5, sid

SF1901: Sannolikhetslära och statistik Föreläsning 2. Betingad sannolikhet & Oberoende

Exempel: Väljarbarometern. Föreläsning 1: Introduktion. Om Väljarbarometern. Statistikens uppgift

Lösningar och lösningsskisser

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Lärmål Sannolikhet, statistik och risk 2015

Extramaterial till Matematik X

Föreläsning 1: Introduktion

Kap 3: Diskreta fördelningar

Finansiell Statistik (GN, 7,5 hp,, HT 2008) Föreläsning 1

FMS012/MASB03: Matematisk statistik 9.0 hp för F+fysiker Föreläsning 1: Sannolikhet

SF1901: Sannolikhetslära och statistik Föreläsning 2. Betingad sannolikhet & Oberoende

Veckoblad 3. Kapitel 3 i Matematisk statistik, Blomqvist U.

Föreläsning 1: Introduktion

Finansiell statistik, vt-05. Sannolikhetslära. Mängder En mängd är en samling element (objekt) 1, 2,, F2 Sannolikhetsteori. koppling till verkligheten

SF1901: Sannolikhetslära och statistik Föreläsning 2. Betingad sannolikhet & Oberoende

KOMBINATORIK. Exempel 1. Motivera att det bland 11 naturliga tal finns minst två som slutar på samma

Denna uppdelning är ovanlig i Sverige De hela talen (Både positiva och negativa) Irrationella tal (tal som ej går att skriva som bråk)

SF1901: SANNOLIKHETSTEORI OCH STATISTIK GRUNDLÄGGANDE SANNOLIKHETSTEORI, KORT OM BESKRIVANDE STATISTIK. Tatjana Pavlenko.

4.1 Grundläggande sannolikhetslära

4-7 Pythagoras sats. Inledning. Namn:..

Föreläsning 1: Introduktion

Kombinatorik. Författarna och Bokförlaget Borken, Kombinatorik - 1

SF1901: Sannolikhetslära och statistik

Grundläggande matematisk statistik

STOKASTIK Sannolikhetsteori och statistikteori med tillämpningar

Transkript:

Föreläsningsmanus i matematisk statistik för lantmätare, vecka 2 HT07 Bengt Ringnér August 31, 2007 1 Inledning Detta är preliminärt undervisningsmaterial. Synpunkter är välkomna. 2 Händelser och sannolikheter 2.1 Grundbegrepp I sannolikhetsteorin sysslar man med händelser och deras sannolikheter. Man utgår från vissa sannolikheter, som man fått antingen från erfarenhet eller från situationer där alla fall är lika sannolika, och räknar från dessa ut andra sannolikheter. 2.1.1 Nya sannolikheter ur givna Betrakta, som i förra veckan, följande händelser, som vi kan kalla A och B: A : Det regnar i morgon B : Det blåser i morgon. Låt oss anta att man på grundval av erfarenhet bedömer sannolikheterna för händelserna till 0.7 resp. 0.5. Detta skrivs = 0.7, P(B) = 0.5, där bokstaven P kommer av det engelska probability. Tolkningen är att det regnar resp. blåser i 70 resp. 50 procent av dagarna vid den här årstiden och med hänsyn till dagens väder. Vilka siffror man kommer fram till beror 1

på vad man menar exakt, men hur man än gör detta gäller att i resten av dagarna regnar det inte resp. blåser inte, dvs. P(A c ) = 1 0.7 = 0.3, P(B c ) = 1 0.5 = 0.5, där c på en händelse betyder att den inte inträffar. Om man nu utbrister, om det regnar eller blåser i morgon }{{} A B så går jag inte ut, är det underförstått att om det både blåser och regnar, så går man naturligtvis inte heller ut. För att räkna ut sannolikheten för A B uttalas A union B eller A eller B, kan man inte bara lägga ihop 0.7 och 0.5, för då blir resultatet större än ett och det kan det inte vara om det skall representera andelen dagar. Felet är att de gånger det både regnar och blåser räknas med två gånger, eftersom de finns både i A och B, så vi får dra bort den ena. Säg att man har kommit fram till att det både regnar och blåser i 40 procent av dagarna. Då gäller, enligt förra veckan, P(A B) = + P(B) P(AB) = 0.7 + 0.5 0.4 = 0.8. Istället för AB kan man skriva A B. Uttalet är A snitt B eller A och B. 2.1.2 Sannolikheter givna av symmetriskäl Som exempel på när sannolikheter är givna av symmetriskäl kan vi ta tärningskast. Mer användbara exempel kommer senare. Alla sex sidorna är likvärdiga, så vart och ett av utfallen har sannolikhet 1/6. Gör man två tärningskast finns det 36 utfall, etta etta, etta tvåa, osv. till etta sexa, sedan tvåa etta, tvåa tvåa, osv. enligt samma system och slutligen sexa sexa. Alla utfallen har sannolikheten 1/36. Vill man nu räkna ut t ex sannolikheten att summan av poängtalen är tre, får man P(summan = 3) = P(etta, tvåa) + P(tvåa, etta) = = 1 36 + 1 36 = 1 18. Här behöver man inte dra ifrån sannolikheten att bägge möjligheterna skall inträffa eftersom det är omöjligt; dess sannolikhet är noll. På liknande sätt är P(summan = 4) = P(etta, trea) + P(tvåa, tvåa) + P(trea, etta) = 2

= 1 36 + 1 36 + 1 36 = 1 12. Så kan man fortsätta. Störst sannolikhet har P(summan = 7) = 6 sedan minskar sannolikheten igen. Resultatet är 1 36 = 1 6, summa 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 5 4 3 2 1 sannolikhet 36 36 36 36 36 36 36 36 36 36 36 eller i formelspråk P(summan = k) = { k 1 36 om k = 2,3,4,5,6,7 13 k 36 om k = 8,9,10,11,12 Sådana här räkningar kommer igen senare i samband med stokastiska variabler, som är försök där utfallen är tal. Det kan till exempel vara antal bilar på en väg eller belastningen på en konstruktion. Exemplet med tärningarna är också en tillämpning på begreppet utfallsrum. Detta består här av de 36 utfallen. En delmängd av utfallsrummet t. ex de utfall som ger summan 4, definieras i matematiken som händelse. Sammanfattning Man utgår från givna sannolikheter och räknar ut nya enligt följande regler: 0 1. P(A c ) = 1. P(A B) = + P(B) P(AB). Om A och B inte kan inträffa samtidigt utgår termen P(AB). I nästa avsnitt skall vi betrakta fallet när A och B är oberoende och P(AB) = P(B), samt några sätt att räkna annars. 2.1.3 Sannolikheter givna av relativa frekvenser Detta kommer i laborationen i vecka 4. 3

2.2 Betingade sannolikheter och oberoende händelser Vi börjar med ett exempel: En urna innehåller 5 vita och 3 svarta kulor. Man drar 2 kulor. Vad är sannolikheten att bägge är vita? P(första vit) = 5 5 + 3 = 5 8. När man drar den andra kulan har betingelserna ändrats, om den första blev vit finns det 4 vita och 3 svarta kvar. Den betingade sannolikheten är därför P(andra vit första vit) = 4 4 + 3 = 4 7. Det lodräta trecket betyder att man betingar med avseende på det som står till höger om strecket. Rimligtvis gäller P(bägge vita) = P(första vit)p(andra vit första vit) = 5 8 4 7 = 5 14. Om händelserna betecknas med A resp. B har vi P(AB) = P(B A), vilket är en allmän formel. P(B A) kallas den betingade sannolikheten för B givet A. Man kan också vända på formeln och få I exemplet med vädret ger detta P(B A) = P(AB). P(blåser regnar) = P(B A) = P(AB) = 0.4 0.7 = 4 7, vilket är större än P(blåser) = 0.5. Förklaringen till detta är att regn och blåst är beroende; har man det ena så har man ofta det andra också. Man kan också räkna ut P(regnar blåser) = P(A B) = P(AB) P(B) = 0.4 = 0.8 > 0.7 = P(regnar); 0.5 vaknar man på morgonen och hör blåsten vina, ökar det sannolikheten för regn. 4

Observera att med är det viktigt det roll vilket som står till höger och vänster, medan P(AB) = P(BA), det är ju samma händelse uttryckt på olika sätt. Ibland gäller P(B A) = P(B), vilket är samma sak som P(AB) = P(B). Detta kallas att A och B är oberoende. Exempel på detta är tärningskasten ovan, där t. ex. P(tvåa, femma) = P(tvåa)P(femma) = 1 6 1 6 = 1 36. Avslutningsvis skall vi räkna ut P(A B) när A och B är oberoende. P(A B) = + P(B) P(AB) = + P(B) P(B). Alternativt kan man använda tricket att övergå till komplementhändelser, dvs, att händelsen inte inträffar. Att A B inte inträffar är samma sak som att A inte inträffar och B inte inträffar. Nu är P(A B) = 1 P(A c B c ). Men om A och B är oberoende, så är deras komplement det också, så och alltså P(A c B c ) = P(A c )P(B c ) = (1 )(1 P(B)), P(A B) = 1 (1 )(1 P(B)). Som kontroll kan vi multiplicera ihop parenteserna och förkorta bort ettan, vilket ger samma formel som innan. Fördelen med den senare metoden är att den är lätt att generalisera till fler än två händelser. Sammanfattning P(AB) = P(B A), P(AB) = P(B)P(A B). P(B A) = P(AB), P(A B) = P(AB) P(B). 5

P(AB) = P(BA). Oberoende: P(AB) = P(B), dvs. P(B A) = P(B), dvs. P(A B) =. 2.3 Total sannolikhet och Bayes formel Det här är en teknik som används när man har en händelse som kan uppnås längs flera vägar. I exemplet med urnan skulle vi få först en vit kula och sedan en vit till. Om vi istället är intresserade av sannolikheten att få en av varje, finns två vägar; P(en av varje) = P(först vit sedan svart) + P(först svart sedan vit) = = 5 5 + 3 3 4 + 3 + 3 5 + 3 5 5 + 2 = 15 28. En typisk tillämpning är följande: Man köper något som helst skall fungera, till exempel belysning till sin cykel. Denna kan vara tillverkad 1) på en måndag, 2) på en fredag eller 3) på någon annan arbetsdag. Sannolikheterna för dessa fall antas vara 1/5, 1/5, resp. 3/5. Måndagsexemplar antas fungera med sannolikheten 0.5, medan de övriga fungerar med sannolikheterna 0.7, resp. 0.8. Sannolikheten att belysningen funderar är då P(fungerar) = = P(måndag och fungerar)+p(fredag och fungerar)+p(annan dag och fungerar) = = 1 5 0.5 + 1 5 0.7 + 3 0.8 = 0.1 + 0.14 + 0.48 = 0.72. 5 Med beteckningarna A H 1 H 2 H 3 fungerar tillverkad på måndag tillverkad på fredag tillverkad på annan dag blir räkningarna = P(AH 1 ) + P(AH 2 ) + P(AH 3 ) = = P(H 1 )P(A H 1 ) + P(H 2 )P(A H 2 ) + P(H 3 )P(A H 3 ) = = 1 5 0.5 + 1 5 0.7 + 3 0.8 = 0.72. 5 6

Detta är formeln för total sannolikhet. Antag nu att de visar sig att belysningen fungerar. Vad är då den betingade sannolikheten att det är ett måndagsexemplar? Vi vet att händelsen med sannolikhet 0.1+0.14+0.48 har inträffat. De betingade sannolikheterna för de olika fallen bör då ha motsvarande proportioner, dvs. och P(måndag fungerar) = P(fredag fungerar) = P(annan dag fungerar) = 0.1 0.1 + 0.14 + 0.48 = 0.1 0.72, 0.14 0.1 + 0.14 + 0.48 = 0.14 0.72, 0.48 0.1 + 0.14 + 0.48 = 0.48 0.72. Lägg märke till att summan av dessa sannolikheter är ett. I formelspråk blir räkningarna. P(måndag fungerar) = P(H 1 A) = P(AH 1) 1 5 0.5 0.72 = 0.1 0.72, osv. för H 2 och H 3. Detta är Bayes formel. = P(H 1)P(A H 1 ) = Sammanfattning Total sannolikhet: = n k=1 P(H k)p(a H k ). Bayes formel: P(H k A) = P(AH k) sannolikhet. = P(H k)p(a H k ) 2.4 kombinatorik och urnmodeller, där fås ur total Detta går vi igenom i samband med övningarna och binomialfördelningen i avsnitt 3. Där tar vi upp: Multiplikationsprincipen. Additionsprincipen. Antalet sätt att välja k element ur n utan hänsyn till ordning är ( n k). 7

2.5 Ett exempel på oändligt utfallsrum Exemplet är hämtat från en klassisk bok: B. W. Gnedenko: Kurs i sannolikheternas teorier (1950). Två personer kommer överens om att träffas på en bestämd plats mellan klockan 12 och 13 och att den som kommer först väntar högst 20 minuter och sedan går därifrån. Under förutsättning att de kan komma lika gärna när som helst i tidsintervallet och oberoende av varandra, hur stor är sannolikheten att de träffas? Utfallsrummet är nu en kvadrat där x-koordinaten är den ena personens ankomsttid och y-koordinaten den andras. Om x-personen kommer först, dvs om x < y, träffas de om y < x + 20 och motsvarande om y-personen kommer först. Händelsen att de träffas är alltså området mellan linjerna y = x 20 och y = x + 20, som är inritade i figuren. I figuren är kvadraten också indelad i 36 småkvadrater med sidan 10. 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Figure 1: A:s och B:s ankomsttider i minuter efter kl 12 Enligt antagandet gäller att om man delar in kvadraten i likadana småkvadrater, har dessa samma sannolikhet. Delar man en kvadrat på diagonalen, har de bägge trianglarna samma sannolikhet. Nu är det bara att räkna antalet hela 8

och halva rutor inom träffområdet. Sannolikheten att träffas är alltså 16 + 8/2 36 = 5 9. Det här är naturligtvis ingenting annat än arean av händelsen dividerad med arean av hela utfallsrummet, så P(träffas) = 602 20 2 /2 20 2 /2 60 2 = 5 9. Man kan lika gärna räkna ut 1 P(inte träffas) eller räkna i timmar och få samma resultat. I avsnittet om stokastiska variabler kommer situationen när man inte har likformig sannolikhetsfördelning. Man kan åskådliggöra detta som att sannolikheten för en händelse är proportionell mot dess vikt och räkna enligt vikt = densitet dxdy. 9