Laboration 1: Grundläggande sannolikhetsteori, simulering och dataanalys



Relevanta dokument
Laboration 1: Grundläggande sannolikhetsteori, simulering och dataanalys

Laboration 1: Grundläggande sannolikhetsteori, simulering och dataanalys

Laboration 1: Grundläggande sannolikhetsteori, simulering och dataanalys

Laboration 1: Grundläggande sannolikhetsteori, simulering och dataanalys

Laboration 3: Stora talens lag, centrala gränsvärdessatsen och enkla punktskattningar

Laboration 3: Enkla punktskattningar, styrkefunktion och bootstrap

Laboration 2: Sannolikhetsteori och simulering

Laboration 4: Stora talens lag, Centrala gränsvärdessatsen och enkla punktskattningar

Laboration 3: Stora talens lag, centrala gränsvärdessatsen och enkla punktskattningar

Datorövning 1: Fördelningar

Laboration 4: Stora talens lag, Centrala gränsvärdessatsen och enkla punktskattningar

SF1900 Sannolikhetsteori och statistik, HT 2017 Laboration 1 för CINEK2

Laboration 2: Sannolikhetsteori och simulering

bli bekant med summor av stokastiska variabler.

DATORÖVNING 2 MATEMATISK STATISTIK FÖR D, I, PI OCH FYSIKER; FMSF45 & MASB03. bli bekant med summor av stokastiska variabler.

Laboration 2: 1 Syfte. 2 Väntevärde och varians hos en s.v. X med fördelningen F X (x) MATEMATISK STATISTIK, AK FÖR BYGG, FMS 601, HT-08

SF1905 Sannolikhetsteori och statistik: Lab 2 ht 2011

Syftet med den här laborationen är att du skall bli mer förtrogen med följande viktiga områden inom matematisk statistik

Laboration 3: Stora talens lag, centrala gränsvärdessatsen och enkla punktskattningar

träna på att använda olika grafiska metoder för att undersöka vilka fördelningar ett datamaterial kan komma från

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

Datorövning 1: Fördelningar

Matematikcentrum 1(6) Matematisk Statistik Lunds Universitet MASB11 - Biostatistisk grundkurs VT2014, lp3. Laboration 2. Fördelningar och simulering

repetera begreppen sannolikhetsfunktion, frekvensfunktion och fördelningsfunktion

Föreläsning 3, Matematisk statistik Π + E

Datorövning 1 Fördelningar

Matematisk statistik 9 hp Föreläsning 3: Transformation och simulering

Datorövning 2 Betingad fördelning och Centrala gränsvärdessatsen

Matematisk statistik 9 hp Föreläsning 4: Flerdim

1 Syfte. 2 Moment hos och faltning av fördelningar MATEMATISK STATISTIK, AK FÖR L, FMS 033, HT Angående grafisk presentation

Laboration 5: Regressionsanalys. 1 Förberedelseuppgifter. 2 Enkel linjär regression DATORLABORATION 5 MATEMATISK STATISTIK FÖR I, FMS 012, HT-08

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik: HT 2014 Lab 1 för CSAMHS, CINEKI, och CL

Demonstration av laboration 2, SF1901

Laboration 4: Intervallskattning och hypotesprövning

TMS136. Föreläsning 4

SF1901: SANNOLIKHETSTEORI OCH KONTINUERLIGA STOKASTISKA VARIABLER STATISTIK. Tatjana Pavlenko. 7 september 2016

Laboration 4: Hypotesprövning och styrkefunktion

Tentamen i matematisk statistik (9MA241/9MA341, STN2) kl 08-12

Laboration 3: Parameterskattning och Fördelningsanpassning

Laboration 2: Sannolikhetsteori och simulering

Föreläsning 4, Matematisk statistik för M

Kontrollera att följande punkter är uppfyllda innan rapporten lämnas in: Första sidan är ett försättsblad (laddas ned från kurshemsidan)

Två parametrar: µ (väntevärdet) och σ (standardavvikelsen) µ bestämmer normalfördelningens läge

Projekt 1: Om fördelningar och risker

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

1 Syfte. 2 Förberedelseuppgifter DATORLABORATION 1 MATEMATISK STATISTIK, AK FÖR L, FMS 033, HT-03

Simulering av Poissonprocesser Olle Nerman, Grupprojekt i MSG110,GU HT 2015 (max 5 personer/grupp)

KURSPROGRAM HT-10 MATEMATISK STATISTIK AK FÖR CDI, FMS 012

Kap 2. Sannolikhetsteorins grunder

Syftet med den här laborationen är att du skall bli mer förtrogen med följande viktiga områden

Datorövning 1 Introduktion till Matlab Fördelningar

Finansiell Statistik (GN, 7,5 hp,, HT 2008) Föreläsning 3

Avd. Matematisk statistik

Matematisk statistik för B, K, N, BME och Kemister

histogram över 1000 observerade väntetider minuter 0.06 f(x) täthetsfkn x väntetid 1

SF1911: Statistik för bioteknik

histogram över 1000 observerade väntetider minuter 0.06 f(x) täthetsfkn x väntetid

Laboration 4: Intervallskattning och. Hypotesprövning. 1 Förberedelseuppgifter LABORATION 4 MATEMATISK STATISTIK AK FÖR ED, FMS022, VT02

4 Diskret stokastisk variabel

Laboration 5: Intervallskattning och hypotesprövning

Syftet med den här laborationen är att du skall bli mer förtrogen med några viktiga områden inom kursen nämligen

SF1910 Tillämpad statistik, HT 2016 Laboration 1 för CSAMHS, CLGYM-TEMI

1 Syfte. 2 Moment hos och faltning av fördelningar MATEMATISK STATISTIK, AK FÖR L, FMS 033, HT Angående grafisk presentation

BIOSTATISTISK GRUNDKURS, MASB11, VT-16, VT2 ÖVNING 3, OCH INFÖR ÖVNING 4

SF1901: SANNOLIKHETSTEORI OCH STATISTIKTEORI KONSTEN ATT DRA INTERVALLSKATTNING. STATISTIK SLUTSATSER. Tatjana Pavlenko.

Föreläsning 1. Repetition av sannolikhetsteori. Patrik Zetterberg. 6 december 2012

Första sidan är ett försättsblad (laddas ned från kurshemsidan) Alla frågor som nns i uppgiftstexten är besvarade

Föreläsning 7. Statistikens grunder.

Exempel. Kontinuerliga stokastiska variabler. Integraler i stället för summor. Integraler i stället för summor

SF1901: Sannolikhetslära och statistik

Mer om slumpvariabler

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

KURSPROGRAM HT-18 MATEMATISK STATISTIK AK FÖR D, I OCH PI, FMSF45 & MASB03

SF1920/SF1921 Sannolikhetsteori och statistik, VT 2018 Laboration 1 för CELTE2/CMATD3

1 Förberedelser. 2 Teoretisk härledning av värmeförlust LABORATION 4: VÄRMEKRAFTVERK MATEMATISK STATISTIK AK, MAS 101:A, VT-01

Matematisk statistik 9hp Föreläsning 2: Slumpvariabel

Tentamen i matematisk statistik (92MA31, STN2) kl 08 12

Laboration 4: Intervallskattning och hypotesprövning

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

PROGRAMFÖRKLARING I. Statistik för modellval och prediktion. Ett exempel: vågriktning och våghöjd

Matematisk statistik allmän kurs, MASA01:B, HT-14 Laborationer

Laboration 2: Styrkefunktion samt Regression

1 Bakgrund DATORÖVNING 3 MATEMATISK STATISTIK FÖR E FMSF Något om Radon och Radonmätningar. 1.2 Statistisk modell

I den här datorövningen ser vi hur R kan utnyttjas för att kontrollera modellantaganden och beräkna konfidensintervall.

Introduktion och laboration : Minitab

Matematikcentrum 1(7) Matematisk Statistik Lunds Universitet Per-Erik Isberg. Laboration 1. Simulering

Matematikcentrum 1(7) Matematisk Statistik Lunds Universitet MASB11 - Biostatistisk grundkurs HT2007. Laboration. Simulering

Några extra övningsuppgifter i Statistisk teori

Föreläsning 8, Matematisk statistik 7.5 hp för E Punktskattningar

Monte Carlo-metoder. Bild från Monte Carlo

SF1901: Sannolikhetslära och statistik

Laboration 1: Mer om Matlab samt Deskriptiv statistik

(b) Bestäm sannolikheten att minst tre tåg är försenade under högst tre dagar en given vecka.

Del I. Uppgift 1 För händelserna A och B gäller att P (A) = 1/4, P (B A) = 1/3 och P (B A ) = 1/2. Beräkna P (A B). Svar:...

Övning 1 Sannolikhetsteorins grunder

Syftet med den här laborationen är att du skall bli mer förtrogen med det i praktiken kanske viktigaste området inom kursen nämligen

Tentamen i matematisk statistik (9MA241/9MA341, STN2) kl 14 18

0 om x < 0, F X (x) = c x. 1 om x 2.

Laboration med Minitab

Transkript:

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIKCENTRUM MATEMATISK STATISTIK LABORATION 1 MATEMATISK STATISTIK AK FÖR F OCH FYSIKER, FMS012/MASB03, VT15 Laboration 1: Grundläggande sannolikhetsteori, simulering och dataanalys Syftet med den här laborationen är att du skall bli mer förtrogen med några grundläggande områden inom matematisk statistik nämligen Betingade sannolikheter Stokastiska variabler och deras fördelningar. Simulering Dataanalys Vidare skall du lära dig lite om hur man kan använda Statistics toolbox i MATLAB. 1 Förberedelseuppgifter Som förberedelse till laborationen bör du läsa igenom Kapitel 3 och 8 samt hela laborationshandledningen. Repetera dessutom det som sades om normalfördelningsplot på föreläsning 3. Till laborationens start har du med dig lösningar till uppgifterna a) g), dessa kan komma att samlas in av handledaren. Observera att godkända uppgifter är ett krav för att bli godkänd på laborationen. a) Definiera den betingade sannolikheten för A givet B. (Behövs till avsnitt 4.2). b) Definiera följande funktioner: fördelningsfunktion, täthetsfunktion och sannolikhetsfunktion. Redogör för sambanden mellan dem. (Behövs till avsnitt 3). c) Ange täthetsfunktionerna för normalfördelning, Rayleighfördelning. Hur ser sannolikhetsfunktionen ut för en binomialfördelning? (Behövs till avsnitt 2). d) Definiera -kvantilen för en kontinuerlig s.v. X. Beräkna även 25%-kvantilen till en stokastisk variabel som är exponentialfördelad med parameter 1. (Behövs till avsnitt 2.5). e) Den stokastiska variabeln X har täthetsfunktionen f X (x) = x/2 för 0 x 2. Bestäm P(1 X 2). (Behövs till avsnitt 2). f) Låt X vara en diskret stokastisk variabel med sannolikhetsfunktion p X (k) = 0.6 0.4 k, k = 0, 1, 2... Bestäm P(1 X < 4). (Uppvärmning till avsnitt 2). g) Antag att du har tillgång till rektangelfördelade slumptal på intervallet (0, 1). Hur kan du med hjälp av inversmetoden generera slumptal från en exponentialfördelning med parameter Ð? (Behövs till avsnitt 3).

2 Laboration 1, Matstat AK för F och fysiker, VT15 2 ÐÔ Ø Ø Introduktion till Statistics toolbox Här skall vi titta lite på vad man kan använda Statistics toolbox i MATLAB till. Statistics toolbox är ett programpaket till MATLAB som innehåller funktioner som är användbara inom statistikområdet. Om du skriver i Matlabs kommandofönster så skrivs en lista ut på skärmen innehållande alla de funktioner som programpaketet innehåller. I den här laborationen kommer vi främst att vara intresserade av funktionerna...ô,...,... ÒÚoch...ÖÒ. För några fördelningarna har vi alltså följande funktioner Fördelning f X (x) eller p X (k) F X (x) FX 1 (x) slumptal ÐÔ ÙÒ Ø ÓÒ Ò ÑÒ Normalförd. X N (Ñ, ) normpdf(x,ñ, ) normcdf(x,ñ, ) norminv(x,ñ, ) normrnd(ñ,,r,c) Exponentialförd. X Exp(Ð) exppdf(x,1/ð) expcdf(x,1/ð, ) expinv(x,1/ð) exprnd(1/ð,r,c) Binomialförd. X Bin(n, p) binopdf(k,n,p) binocdf(x,n,p) binoinv(x,n,p) binornd(n,p,r,c) ÐÔÒÓÖÑ Om man sedan är intresserad av att se hur någon av funktionerna fungerar skriver du bara T.ex., du är intresserad av vad funktionenòóöñ gör. Skriv Här nedan följer ett antal enkla uppgifter som ni skall lösa med hjälp av MATLAB. Kom ihåg att använda funktionen ÐÔflitigt! 1. Beräkna P(X 5) då X är a) Normalfördelad medñ=2, =3, b) Exponentialfördelad medð=1/3 2. Beräkna P(X > 57) då X Bin(200, 0.3). 3. Beräkna P(50 < X 90) då a) X N (100, 40), b) X Bin(200, 0.3). 4. Plotta täthetsfunktionen och fördelningsfunktionen för X N (3, 2). 5. Använd kommandotòóöñ ÒÚför att finna 5%, 10%, 25%, 50%, 75% och 99% kvantilerna för X N (50, 10).

Laboration 1, Matstat AK för F och fysiker, VT15 3 3 Simulering Det vanligaste sättet att simulera stokastiska variabler med en given fördelningsfunktion är att utgå från slumptal som är rektangelfördelade på (0, 1) och sedan transformera dem på lämpligt sätt. Vi skall i det följande koncentrera oss på simulering av kontinuerliga stokastiska variabler. Antag att vi vill simulera variabler med fördelningsfunktionen F(x) och att F(x) är inverterbar. Kalla inversen F 1 (x) och låt U vara en Rekt(0,1)-fördelad stokastisk variabel. Om vi sätter X = F 1 (U ) visar räkningen P{X x} = P{F 1 (U ) x} = P{F(F 1 (U )) F(x)} = P{U F(x)} = F(x) att X har fördelningsfunktionen F. Observera att det är väsentligt att F(x) är växande för att räkningen ovan skall vara korrekt, och det är ju också fallet ty F(x) är en fördelningsfunktion. Nu skall vi generera exponentialfördelade slumptal med parameternð, X Exp(Ð). Hur gör vi detta om vi utgår från U R(0, 1)? Svar: X =... ÐÔ Ø Skapa Ñ º ½ ¼ sedan 1000 exponentialfördelade slumptal med parameternð= 1/3 med hjälp av Matlabs funktionö Ò och Ø Ü Ñ µ lagra dem i vektornü. Det kan vara bra att veta att om man ger funktioner som ÜÔ,ÐÓ etc en vektor som inparameter så returnerar Matlab en vektor av samma storlek med funktionen utförd elementvis. Ett histogram över vektornümed 30 klasser kan erhållas med Ò Ñ Ø Ü Ñ µ Vi vill dock också kunna jämföra histogrammet med den teoretiska täthetsfunktionen, och då blir det lite ÜÜ Ð Ò Ô ¼ ¼µ Û Ø ½ Ö Ñ Ò»½¼¼¼»Û Ø µ ÓÐ ÓÒ krångligare eftersom histogrammet måste skalas om för att vara jämförbart med en täthetsfunktion ÔÐÓØ ÜÜ ½» ÜÔ ¹ÜÜ» µµ vars area under funktionen är 1. ÓÐ Ó Det första kommandot beräknar histogrammet, men det ritas inte upp utan istället lagras mittpunkterna för klasserna i vektornñ och antalet observationer i respektive klass lagras iò. Med komandot Öritas histogrammet med klassbredden 1 upp. Den här gången normerar vi antalet observationer dels med det totala antalet, vilket ger den relativa andelen observationer i klassen, dels med klassbredden, vilket ger en uppskattning av täthetsfunktionens värde i mittpunkten, ty om är klassbredden så gäller f X (x) x+ /2 x /2 f X (x) dx = F X (x + /2) F X (x /2) = P(x /2 < X < x + /2). Slutligen ritas den exakta tätheten upp. Ser det ut som om X är exponentialfördelad?

4 Laboration 1, Matstat AK för F och fysiker, VT15 På samma sätt som att histogrammet kan ses som en uppskattning av täthetsfunktionen för X så kan den s.k. empiriska fördelningsfunktionen Ø Ö ÓÖØ Üµ ½ ½¼¼¼µ»½¼¼¼µ FX (x) = {antal x i x; i = 1, 2,..., N} ÓÐ ÓÒ N ÔÐÓØ ÜÜ ½¹ ÜÔ ¹ÜÜ» µµ ses som en uppskattning av fördelningsfunktionen för X, F X (x) = P(X x). ÓÐ Ó Nu använder vi funktionen Ø Ö för att jämföra den empiriska fördelningsfunktionen med den teoretiska Ser det ut som om X är exponentialfördelad? 4 Dataanalys - kvalitetskontroll på serieproducerade mobiltelefoner En GSM mobiltelefon måste uppfylla vissa krav (t.ex. mottagarkänslighet och störtålighet) som telebolagen har ställt upp. Därför måste alla serieproducerade telefoner testas för att se om de uppfyller kravspecifikationen. Det kan ju vara så att p.g.a. felaktiga/dåliga komponenter eller dåliga lödningar så klarar en serieproducerad mobiltelefon inte de givna kraven och måste kasseras, eller rättas till manuellt. I filernaô ÖÖÓÖºÑ Øoch Ò Ø Ú ØÝºÑ Øfinns uppmätta värden på två av de krav som ställs på radiomottagaren på ett antal serieproducerade mobiltelefoner från ett icke namngivet stort svenskt telekommunikationsföretag. Mätningarna gjordes under ett antal dagar i oktober 97. Filerna finns att hämta på kurshemsidan (sök fms012 i t.ex. Google). 4.1 Beskrivning 2Ô 2Ô av fasfel- och känslighetskrav IÔ ÖÖÓÖºÑ Øhar man mätt upp fasfelet i radiomottagaren i telefonen. GSM har ett digitalt modulationssätt kallat Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK. Mycket enkelt förklarat (och inte helt korrekt) bygger idén på att nollorna och ettorna kodas som sinusvågor med olika fas. Man kan tänka sig att en nolla kodas som A sin( T b t), 0 t T b, medan en etta kodas som A sin( T b t +Ô2 ), 0 t T b. (För en mer korrekt förklaring av GMSK och andra digitala modulationssätt hänvisas du till kurser i digital transmissionsteori.) På grund av olineariteter och spridning i komponenter i telefonen kommer mottagna nollor och ettor att bli fasförskjutna, A sin(ût + 0), 0 t T b, respektive A sin(ût +Ô2 + 1), 0 t T b, där :na kan ses som slumpmässiga, dvs fasförskjutningen blir olika för varje nolla och etta. Om fasfelet råkar bli för stort så kommer telefonen att kunna göra fel när den beslutar om det var en nolla eller en etta som sänts. Därför finns det ett test som kontrollerar hur stort fasfelet är i varje telefon. Testet går till på följande sätt. En lång känd testsekvens av nollor och ettor sänds. För varje

Laboration 1, Matstat AK för F och fysiker, VT15 5 nolla och etta som tas emot av telefonen mäts fasfelet. Kravet är att det maximalt uppmätta fasfelet för en telefon måste vara mindre än 20 grader samtidigt som det genomsnittliga absolutfasfelet (standardavvikelse eller RMS-värdet) får vara maximalt 5 grader. I Ò Ø Ú ØÝºÑ Øhar man mätt upp mottagarkänsligheten i telefonen. Det finns nämligen ett krav på att vid en mottagen signalstyrka (här kallad P in ) på 102 dbm in på antennen så skall avkodaren högst ge 2 % bitfel. Enheten dbm används ofta inom radiotekniken och definieras som 10 gånger 10-logaritmen av kvoten mellan en effekt (i Watt) och 1 mw. 102 dbm motsvarar alltså ( ) Pin 10 log 10 10 3 = 102 P in 63 fw. Normalt testar man just vid nivån -102 dbm och kontrollerar att bitfelen understiger 2 %, men i Ò Ø Ú ØÝºÑ Øhar man testat (för ett mindre antal telefoner) för vilken insignalnivå 2 % bitfel erhålles. Detta har gjorts både för en radiokanal i mitten på GSMs 900MHz-band, (kring 947.5 MHz) samt längst ned på 900MHz-bandet (935 MHz). ÐÓ Ô ÖÖÓÖ ÖÔ ÖÑ Ô ÖÖÓÖ 4.2 Fasfel ÔÔ Ô Ô ÖÖÓÖ Ü º¾ º ¼ Ladda in filenô ÖÖÓÖºÑ Ø. Detta görs med kommandotðó Ô ÖÖÓÖ. Mätvärdena för Ø ÔÔ Üµ maximalt fasfel hittas i vektornô Ô ÖÖÓÖoch standardavvikelsen för fasfelet finns i ÖÑ Ô ÖÖÓÖ. Ö Börja titta på det maximala fasfelet. ÐÔÒÓÖÑÔÐÓØ Vilken fördelning kan det maximala fasfelet tänkas ha? Ser det normalfördelat ut? Här kan du t.ex. använda kommandotòóöñôðóø. ÒÓÖÑÔÐÓØ ÔÔ µ ÐÔÐ Ò Ø Svar: ÐÔ Ò... Hur många telefoner är testade totalt samt hur många klarar inte specifikationskraven? Tag reda på detta genom att använda kommandotð Ò Ø och Ò. Gör en skattning av P(En telefons maximala fasfel > 20 grader) genom att utnyttja kommandona ovan. Svar: Ü º½ º¾... Ø ÖÔ Üµ I fabriken kontrolleras först det maximala fasfelet. De telefoner som inte klarade kraven sorteras ut och för resten kontrollerar man standardavvikelsen på fasfelet. Titta nu påöñ Ô ÖÖÓÖ.

6 Laboration 1, Matstat AK för F och fysiker, VT15 Vilken fördelning kan standardavvikelsen för fasfelet tänkas ha? Utnyttja tidigare kommandon för att uppskatta P( standardavvikelsen för fasfelet > 5 grader maximala fasfelet < 20 grader) samt P(en telefon klarar båda fasfelstesterna). Kan man vara nöjd med ovanstående kvalitet? ÐÓ Ò Ø Ú ØÝ in Ò Ø Ú ØÝºÑ Ø 4.3 Mottagarkänslighet Ð Ò Ø Ú ØÝ ½µ Ñ Ò Ø Ú ØÝ ¾µ Ladda nu Ü ¹½¼ º ¹½¼ ÙÖ ½µ I Ò Ø Ú ØÝfinns Ø Ð Üµ mätningar av mottagarkänsligheten på 76 telefoner för en radiokanal kring ÙÖ ¾µ 935 MHz, kolonn 1, och för en radiokanal kring 947.5 MHz, kolonn 2. Titta på dem var för sig. Ø Ñ Üµ Klarar alla telefoner kravspecifikationen 102 dbm? I teorin bör det vara så att känsligheten är sämre för kanaler nära frekvensbandets ändpunkter än kanaler i frekvensbandets mitt på grund av det bandpassfilter som filtrerar ut mottagarfrekvensbandet (935-960 MHz). Kontrollera det genom att titta på histogrammet och se om det verkar som om Ðär sämre än Ñ. Här uppkommer nu en mycket intressant fråga.: Hur ser man om en datamängd skiljer sig från en annan datamängd? Man kan t.ex. testa med ett s.k. hypotestest om medelvärdena för olika datamängder skiljer sig åt. Hypotestest kommer du att lära dig lite senare i kursen. Svar ÔÐÓØ Ü Ýµ Ý ÒÓÖÑÔ Ü ¾µ till de numrerade uppgifterna ±Ó ÑÓØ Ú Ö Ò Ö Ö ÐÒ Ò ÙÒ Ø ÓÒ Òº 1. a) 0.84, b) 0.81 2. 0.65 3. a) 0.30, b) 0.93 4.Ü Ð Ò Ô ¹ ¾¼¼µ ±(200 värden mellan -5 och 9) 5. 66.45, 62.82, 56.74, 50.00, 43.26, 26.74.