Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... ·...

49
Matematick´ a statistika Matematick´ a statistika ˇ arka Hudecov´ a Katedra pravdˇ epodobnosti a matematick´ e statistiky Matematicko-fyzik´ aln´ ı fakulta Univerzity Karlovy letn´ ı semestr 2012 1 1 Zaloˇ zeno na materi´ alech doc. Michala Kulicha

Transcript of Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... ·...

Page 1: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Matematicka statistika

Sarka Hudecova

Katedra pravdepodobnosti a matematicke statistiky

Matematicko-fyzikalnı fakulta Univerzity Karlovy

letnı semestr 20121

1Zalozeno na materialech doc. Michala Kulicha

Page 2: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Organizacnı pokyny k prednasce

prednaskove slidy v tisknutelne forme vizhttp://www.karlin.mff.cuni.cz/~hudecova

zkouska

pısemna,podrobnosti (bodovanı, pocet otazek apod.) budouupresneny ke konci semestru

konzultace

cvicenı

Page 3: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Co je statistika?

Statistika = veda o zıskavanı, zpracovanı a interpretaciinformace obsazene v empirickych pozorovanıch skutecnehosveta (v namerenych datech, pruzkumech apod.)

Zakladnı delenı

popisna (deskriptivnı)

popis konkretnıch datnekolika cısly a obrazky strucne vystihnout dulezitezavery pouze o danych datech, nelze zobecnovat

induktivnı (konfirmatornı)

na zaklade dat umoznuje odpovıdat na obecne otazky opopulaci! zavery lze zobecnitodhady populacnıch parametrupredpoklady, znalost statistickych metoddulezita je interpretace

Page 4: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Populace vs. data

Konkretnı data! Cela populace

Page 5: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Populace vs. data

Konkretnı data! Cela populace

Page 6: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Kde, kdy a proc se pouzıva statistika?

Zkoumame slozity system

nelze jednoduse pochopit nebo popsat pouze na zakladeteorie (tj. potrebujeme empiricke zkusenosti)

za stejnych nebo podobnych podmınek se muze projevovatodlisnym zpusobem! nahoda

prıklady: lidska spolecnost, ekonomika, lidske telo,ekosystem, sport, vedecky experiment, . . .

Page 7: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Kde, kdy a proc se pouzıva statistika?

Zkoumame slozity system

nelze jednoduse pochopit nebo popsat pouze na zakladeteorie (tj. potrebujeme empiricke zkusenosti)

za stejnych nebo podobnych podmınek se muze projevovatodlisnym zpusobem! nahoda

prıklady: lidska spolecnost, ekonomika, lidske telo,ekosystem, sport, vedecky experiment, . . .

Druhy statistickych uloh

odhady parametru! vypocet cıselnych charakteristik

testovanı hypotez! overovanı pravdivosti vyroku

predikce! predpovedi

optimalizace! hledanı optimalnıch parametru

Page 8: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Prıklad: data z prednasek z minulych let

Na zaklade udaju z let 2006–2011 lze usuzovat

ze by tu dnes melo byt 60 % zen a 40% muzu

prıtomne studentky budou v prumeru 168 cm vysoke,s hmotnostı 60 kg a velikostı bot asi 38,5

prıtomnı studenti budou v prumeru 183 cm vysocıs hmotnostı 76 kg a velikostı bot asi 43

pres 30 % prıtomnych bude z Prahy, kolem 11 % zestredoceskeho kraje a jen velmi malo studentu bude zeSlovenska a Moravy

nejvıce z prıtomnych ma narozeniny v kvetnu, nejmenev unoru a breznu

Page 9: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Statisticky prıstup k resenı problemu

1 realny problem, domnenka apod.

2 plan experimentu

3 sber dat

4 vyber vhodneho pravdepodobnostnıho modelu

5 formulace problemu v reci matematicke statistiky

6 aplikace statistickych metod

7 interpretace, zavery, publikace . . .

Page 10: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Oblasti aplikace statistiky

Prırodnı vedy

medicına, genetika, farmakologie,biologie, chemie, fyzika, meteorologie . . .

Ekonomie

makro & mikroekonomie, bankovnictvı, pojist’ovnictvı, . . .

Technicke vedy

telekomunikace, doprava, pocıtace, strojırenstvı, kontrolajakosti, rızenı a organizace vyroby, . . .

Spolecenske vedy

sociologie, behavioralnı vedy, archeologie, lingvistika,antropologie . . .

A mnoho dalsıch (sport, marketing, . . . )

Page 11: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Obsah prednasky

Cıl prednasky= porozumet zakladnım principum statistickychmetod a pochopit resenı vybranych jednoduchych problemu.

Page 12: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Co je

statistika?

Obsah prednasky

Cıl prednasky= porozumet zakladnım principum statistickychmetod a pochopit resenı vybranych jednoduchych problemu.

Dve zakladnı casti

Zaklady pravdepodobnosti

nezbytny teoreticky zaklad pro vyklad statistickych metodpravdepodobnost, nahodna velicina a jejı rozdelenı, strednıhodnota, nezavislost, . . .

Statistika

popisne statistiky jako odhady populacnıch parametruodhady, intervaly spolehlivosti, testy statistickych hypotezzakladnı metody (vybrane testy)

Dulezite je osvojenı si hlavnıch principu, pojmu, zakladnıchmetod. Nikoliv ucenı se vzorecku.

Page 13: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Teorie pravdepodobnosti

Pravdepodobnost: matematicky model nahody

Pravdepodobnost zkouma nahodne jevy, tj. jevy, ktere mohou,ale nemusı nastat.

S jakou pravdepodobnostı dany jev nastane?

Jsou dane jevy na sobe nezavisle?

Page 14: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Teorie pravdepodobnosti

Pravdepodobnost: matematicky model nahody

Co to je nahoda?

Kde se s nı setkavame?

Pravdepodobnost zkouma nahodne jevy, tj. jevy, ktere mohou,ale nemusı nastat.

S jakou pravdepodobnostı dany jev nastane?

Jsou dane jevy na sobe nezavisle?

Page 15: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nahodne jevy

nahodny pokus vysledek predem neurcity (nahoda)

mnozina vsech moznych vysledku Ω

nahodny jev je tvrzenı o vysledku pokusu, tj. A ⊂ Ω

prvky Ω se nazyvajı elementarnı nahodne jevy

jev nemozny ∅ nenastava nikdy

jev jisty je cela mnozina Ω a nastava vzdy

Page 16: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nahodne jevy

nahodny pokus vysledek predem neurcity (nahoda)

mnozina vsech moznych vysledku Ω

nahodny jev je tvrzenı o vysledku pokusu, tj. A ⊂ Ω

prvky Ω se nazyvajı elementarnı nahodne jevy

jev nemozny ∅ nenastava nikdy

jev jisty je cela mnozina Ω a nastava vzdy

Prıklad (Hod kostkou)

Ω = 1, 2, 3, 4, 5, 6A = [padne sude cıslo] = 2, 4, 6

Page 17: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nahodne jevy

nahodny pokus vysledek predem neurcity (nahoda)

mnozina vsech moznych vysledku Ω

nahodny jev je tvrzenı o vysledku pokusu, tj. A ⊂ Ω

prvky Ω se nazyvajı elementarnı nahodne jevy

jev nemozny ∅ nenastava nikdy

jev jisty je cela mnozina Ω a nastava vzdy

Prıklad (Hod kostkou)

Ω = 1, 2, 3, 4, 5, 6A = [padne sude cıslo] = 2, 4, 6

Prıklad (Pohlavı 2 sourozencu)

Ω = KK,DK,KD,DD nebo Ω = KK,DK,DDA = [alespon jeden kluk] = KK,KD,DK neboA = [alespon jeden kluk] = KK,KD

Page 18: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Operace s nahodnymi jevy

Uvazujme nahodne jevy A,B ⊂ Ω.

podjev A ⊂ B znamena A ⇒ B

jev opacny Ac nastane ⇔ A nenastane

prunik jevu A ∩ B nastane ⇔ nastanou zaroven A i B

sjednocenı jevu A ∪ B nastane ⇔ nastane alespon jeden zjevu A a B

neslucitelne (disjunktnı) jevy: A ∩ B = ∅

Page 19: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Operace s nahodnymi jevy

Uvazujme nahodne jevy A,B ⊂ Ω.

podjev A ⊂ B znamena A ⇒ B

jev opacny Ac nastane ⇔ A nenastane

prunik jevu A ∩ B nastane ⇔ nastanou zaroven A i B

sjednocenı jevu A ∪ B nastane ⇔ nastane alespon jeden zjevu A a B

neslucitelne (disjunktnı) jevy: A ∩ B = ∅

Podobne prunik a sjednocenı vıce jevu A1, . . . ,Ak :k⋂

i=1

Ai = A1 ∩ A2 ∩ · · · ∩ Ak (vsechny musı nastat);

k⋃

i=1

Ai = A1 ∪ A2 ∪ · · · ∪ Ak (alespon jeden musı nastat).

Page 20: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Operace s nahodnymi jevy - prıklady

Prıklad (Hod kostkou)

Mnozina vsech vysledku: Ω = 1, 2, 3, 4, 5, 6A = [padne sude cıslo] = 2, 4, 6,B = [padne cıslo vetsı nez 3] = 4, 5, 6

jev opacny Ac = [padne liche cıslo] = 1, 3, 5,Bc = [padne cıslo mensı rovno trem] = 1, 2, 3

prunik A ∩ B = [padne sude cıslo vetsı nez 3] = 4, 6

sjednocenıA ∪ B = [padne cıslo sude nebo vetsı nez 3] = 2, 3, 4, 6

Page 21: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Pravdepodobnost

objektivnı cıselne vyjadrenı”nadeje“, ze nastane jev A

prirazuje nahodnemu jevu A realne cıslo z intervalu [0, 1]

Pravdepodobnost (zkracene pst, znaceno P) musı mıtnasledujıcı vlastnosti:

1 0 ≤ P(A) ≤ 1

2 P(Ω) = 1, P(∅) = 0,

3 je-li A ∩ B = ∅, pak P(A ∪ B) = P(A) + P(B)

Z techto vlastnostı pak dale vyplyva

4 P(Ac) = 1− P(A),

5 pro B ⊂ A je P(B) ≤ P(A) a P(A− B) = P(A)− P(B)

6 P(A ∪ B) = P(A) + P(B)− P(A ∩ B)

Page 22: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Klasicka definice pravdepodobnosti

Predpoklady:

Ω je konecna, tj. Ω = ω1, . . . , ωN

vsechny elementarnı jevy ωi ∈ Ω jsou stejnepravdepodobne

Pravdepodobnost jevu A ⊆ Ω je definovana jako

P(A) =|A|

|Ω|=

|A|

N,

kde |A| znacı pocet prvku mnoziny A.

Klasicka pravdepodobnost ma zjevne vsechny pozadovanevlastnosti.

Page 23: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Klasicka definice pravdepodobnosti — prıklad 1

Prıklad (Hod kostkou)

Ω = 1, 2, 3, 4, 5, 6, uvazujeme nahodne jevyA = [padne sude cıslo] = 2, 4, 6,B = [padne cıslo vetsı nez 3] = 4, 5, 6

Pak

P(A) =3

6=

1

2, P(B) =

3

6=

1

2,

P(A ∩ B) =2

6=

1

3,

P(A ∪ B) =4

6= P(A) + P(B)− P(A ∩ B) = 1−

1

3

Page 24: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Klasicka definice pravdepodobnosti — prıklad 2

Prıklad (Hod dvema kostkami)

Hazımeme dvema kostkami (modra a zelena). Zajıma naspravdepodobnost jevu A = [soucet je alespon 10].

.

Page 25: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Klasicka definice pravdepodobnosti — prıklad 2

Prıklad (Hod dvema kostkami)

Hazımeme dvema kostkami (modra a zelena). Zajıma naspravdepodobnost jevu A = [soucet je alespon 10].

Ω je mnozina vsech usporadanych dvojic z cısel 1, 2, 3, 4, 5, 6.Vsech moznostı je: |Ω| = 6 · 6 = 36.

Page 26: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Klasicka definice pravdepodobnosti — prıklad 2

Prıklad (Hod dvema kostkami)

Hazımeme dvema kostkami (modra a zelena). Zajıma naspravdepodobnost jevu A = [soucet je alespon 10].

Ω je mnozina vsech usporadanych dvojic z cısel 1, 2, 3, 4, 5, 6.Vsech moznostı je: |Ω| = 6 · 6 = 36.Prıznive moznosti: (4,6), (5,5), (5,6), (6,4), (6,5), (6,6). Proto|B | = 6

Page 27: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Klasicka definice pravdepodobnosti — prıklad 2

Prıklad (Hod dvema kostkami)

Hazımeme dvema kostkami (modra a zelena). Zajıma naspravdepodobnost jevu A = [soucet je alespon 10].

Ω je mnozina vsech usporadanych dvojic z cısel 1, 2, 3, 4, 5, 6.Vsech moznostı je: |Ω| = 6 · 6 = 36.Prıznive moznosti: (4,6), (5,5), (5,6), (6,4), (6,5), (6,6). Proto|B | = 6 a tedy

P(B) =6

36=

1

6.

Page 28: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Klasicka definice pravdepodobnosti — prıklad 2

Prıklad (Hod dvema kostkami)

Hazımeme dvema kostkami (modra a zelena). Zajıma naspravdepodobnost jevu A = [soucet je alespon 10].

Ω je mnozina vsech usporadanych dvojic z cısel 1, 2, 3, 4, 5, 6.Vsech moznostı je: |Ω| = 6 · 6 = 36.Prıznive moznosti: (4,6), (5,5), (5,6), (6,4), (6,5), (6,6). Proto|B | = 6 a tedy

P(B) =6

36=

1

6.

Poznamka: Kombinatoricke pojmy (permutace, kombinacnıcısla apod.)

Page 29: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nevyhody klasicke pravdepodobnosti

Klasicka pravdepodobnost ma dva velmi omezujıcı predpoklady:

1 konecny pocet elementarnıch jevu

2 elementarnı jevy ω musı byt stejne pravdepodobne

Page 30: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nevyhody klasicke pravdepodobnosti

Klasicka pravdepodobnost ma dva velmi omezujıcı predpoklady:

1 konecny pocet elementarnıch jevu

2 elementarnı jevy ω musı byt stejne pravdepodobne

Kdy nam klasicka pravdepodobnost nestacı?

nestejne pravdepodobne elem. jevy ω (nesymetricka mince)

Ω nenı konecna (hazıme na kos, dokud se netrefıme)

Ω je abstraktnı, nelze jednoduse popsat ω (chceme mluvito pravdepodobnosti bankrotu banky apod.)

Page 31: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nevyhody klasicke pravdepodobnosti

Klasicka pravdepodobnost ma dva velmi omezujıcı predpoklady:

1 konecny pocet elementarnıch jevu

2 elementarnı jevy ω musı byt stejne pravdepodobne

Kdy nam klasicka pravdepodobnost nestacı?

nestejne pravdepodobne elem. jevy ω (nesymetricka mince)

Ω nenı konecna (hazıme na kos, dokud se netrefıme)

Ω je abstraktnı, nelze jednoduse popsat ω (chceme mluvito pravdepodobnosti bankrotu banky apod.)

Obou predpokladu se potrebujeme zbavit obecnejsı aabstraktnejsı axiomaticka definice pravdepodobnosti.

Page 32: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Axiomaticka definice pravdepodobnosti

Necht’ Ω je libovolna mnozina. Pravdepodobnostı nazvemelibovolnou funkci P definovanou na podmnozinach Ω, ktera manasledujıcı vlastnosti:

1 0 ≤ P(A) ≤ 1 pro libovolne A ⊂ Ω,

2 P(Ω) = 1,

3 pro vsechny A1,A2, . . . ⊂ Ω takove, ze Ai ∩ Aj = ∅ ∀i 6= j ,platı

P

(

∞⋃

i=1

Ai

)

=

∞∑

i=1

P(Ai ).

Page 33: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Poznamky

Axiomaticka definice pravdepodobnosti:

pripoustı konecne, spocetne i nespocetne mnoziny Ω

elementarnı jevy nemusı byt stejne pravdepodobne

pro danou Ω lze zavest mnoho ruznych pravdepodobnostı– mezi nimi si musıme sami zvolit (vetsinou to prirozenevyplyne)

Dale budeme (teoreticky) pracovat s obecnou axiomatickoudefinicı pravdepodobnosti. V prıkladech ale budeme vetsinoupouzıvat klasickou pravdepodobnost.

Page 34: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

⋆ Poznamky

Poznamka pro narocne:Ve skutecnosti se pravdepodobnost zavadı jen pro tzv.meritelne mnoziny, ne nutne pro vsechny podmnoziny Ω(nemeritelnou mnozinu nepovazujeme za nahodny jev). Prinespocetne Ω (treba Ω = R) nelze totiz rozumne zavestpravdepodobnost, ktera funguje pro vsechny podmnoziny Ω.

Page 35: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Podmınena pravdepodobnost

Definice

Necht’ jev B ⊂ Ω ma kladnou pravdepodobnost, P(B) > 0.Podmınenou pravdepodobnost jevu A za podmınky, ze nastaljev B , definujeme vztahem

P(A | B) =P(A ∩ B)

P(B).

Page 36: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Podmınena pravdepodobnost — poznamky

Nepodmınena pravdepodobnost P(A) vypovıda opravdepodobnosti vyskytu jevu A v situaci, kdy nemame zadnedodatecne informace o prubehu nebo vysledku experimentu.

Podmınena pravdepodobnost P(A | B) vypovıda opravdepodobnosti vyskytu jevu A v situaci, kdy vıme, ze nejakyjiny jev B urcite nastal (tj. mame dodatecnou informaci)

Poznamka

Pozor, jevy A a B nelze prohazovat, protoze obecneP(A|B) 6= P(B |A).

Page 37: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Prıklad – dostihy

Prıklad

Favority dostihu jsou kone Lıvanec a Skobrt’ak. Kursybookmakeru naznacujı, ze pravdepodobnost vıtezstvı Lıvance je0.2 a Skobrt’aka 0.25. Skobrt’ak vsak pred startem spolkl hrebıka nepobezı. Jaka je pravdepodobnost, ze vyhraje Lıvanec?

Page 38: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Prıklad – dostihy

Prıklad

Favority dostihu jsou kone Lıvanec a Skobrt’ak. Kursybookmakeru naznacujı, ze pravdepodobnost vıtezstvı Lıvance je0.2 a Skobrt’aka 0.25. Skobrt’ak vsak pred startem spolkl hrebıka nepobezı. Jaka je pravdepodobnost, ze vyhraje Lıvanec?

Resenı: Jevy: L = [vyhraje Lıvanec], S = [vyhraje Skobrt’ak].Mame P(L) = 0.2, P(S) = 0.25, L ∩ S = ∅.

Page 39: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Prıklad – dostihy

Prıklad

Favority dostihu jsou kone Lıvanec a Skobrt’ak. Kursybookmakeru naznacujı, ze pravdepodobnost vıtezstvı Lıvance je0.2 a Skobrt’aka 0.25. Skobrt’ak vsak pred startem spolkl hrebıka nepobezı. Jaka je pravdepodobnost, ze vyhraje Lıvanec?

Resenı: Jevy: L = [vyhraje Lıvanec], S = [vyhraje Skobrt’ak].Mame P(L) = 0.2, P(S) = 0.25, L ∩ S = ∅.Odtud

P(L | Sc) =P(L ∩ Sc)

P(Sc )=

P(L)

P(Sc )=

1/5

3/4=

4

15.

Pravdepodobnost, ze vyhraje Lıvanec, je 4/15 = 0.2667.

Page 40: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Prıklad

Prıklad

V suplıku jsou tri pary ponozek ze stejneho materialu: zelene,modre a bıle. Po tme nahodne vyberete dve ponozky a anizbyste overili jejich barvu, vyrazıte v nich do skoly. Zjistete, sjakou pravdepodobnostı

mate obe ponozky stejne barvy,

alespon jedna obuta ponozka je zelena,

na prave noze je zelena ponozka

mate obe ponozky stejne, jestlize v suplıku urcite zbyl parzelenych ponozek,

mate obe ponozky stejne, jestlize na prave noze matezelenou.

Page 41: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost dvou jevu

Mame prostor elementarnıch jevu Ω a pravdepodobnost P.

Definice

Nahodne jevy A,B ⊆ Ω nazyvame nezavisle, jestlize platı

P(A ∩ B) = P(A)P(B).

V opacnem prıpade je nazyvame zavisle.

Page 42: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost dvou jevu

Mame prostor elementarnıch jevu Ω a pravdepodobnost P.

Definice

Nahodne jevy A,B ⊆ Ω nazyvame nezavisle, jestlize platı

P(A ∩ B) = P(A)P(B).

V opacnem prıpade je nazyvame zavisle.

Necht’ jsou jevy A, B nezavisle a P(A) > 0, P(B) > 0. Pak

P(A | B) =P(A ∩ B)

P(B)=

P(A)P(B)

P(B)= P(A)

a podobne P(B | A) = P(B).Jevy jsou tedy nezavisle, pokud pravdepodobnost jednoho jevunenı nijak ovlivnena tım, zda druhy jev nastal nebo ne.

Page 43: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost — prıklady

Prıklad

Hazıme dvema kostkami (zelenou a modrou). Oznacme jevyA = [na modre kostce padlo sude cıslo],B = [soucet cısel na obou kostkach je lichy].Jsou jevy A a B nezavisle?

Page 44: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost — prıklady

Prıklad

Hazıme dvema kostkami (zelenou a modrou). Oznacme jevyA = [na modre kostce padlo sude cıslo],B = [soucet cısel na obou kostkach je lichy].Jsou jevy A a B nezavisle?

Mame Ω = (SS), (LL), (SL), (LS), kde S znacı sude cıslo a L

liche. Pak

P(A) =1

2, P(B) =

1

2, P(A ∩ B) =

1

4.

Tj. platı podmınka P(A ∩ B) = P(A) · P(B) a jevy jsounezavisle.

Page 45: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost — prıklady

Prıklad

Hazıme dvema kostkami (zelenou a modrou). Oznacme jevyA = [na modre kostce padlo sude cıslo],B = [soucet cısel je vetsı nez 10].Jsou jevy A a B nezavisle?

Page 46: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost — prıklady

Prıklad

Hazıme dvema kostkami (zelenou a modrou). Oznacme jevyA = [na modre kostce padlo sude cıslo],B = [soucet cısel je vetsı nez 10].Jsou jevy A a B nezavisle?

Ω je mnozina vsech usporadanych dvojic z cısel 1, 2, 3, 4, 5, 6,|Ω| = 36

P(A) =3 · 6

36=

1

2, P(B) =

3

36=

1

12, P(A∩B) =

2

36=

1

18.

Tj. neplatı podmınka P(A ∩ B) = P(A) · P(B) a jevy jsouzavisle.

Page 47: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost — prıklady

Prıklad (Vtip o statistikovi v letadle)

Statistik prochazel bezpecnostnı kontrolou na letisti, kdyz bylav jeho kufru nalezena bomba. Vysvetloval: ”Podle statistik jepravdepodobnost prıtomnosti bomby v letadle 0, 001. Takzesance, ze na palube budou dve bomby, je 0, 000001. Kdyz sivezmu svoji bombu, cıtım se pak mnohem bezpecneji. Bez sveosobnı bomby proto nikdy necestuji.”

Page 48: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost — prıklady

Prıklad (Vtip o statistikovi v letadle)

Statistik prochazel bezpecnostnı kontrolou na letisti, kdyz bylav jeho kufru nalezena bomba. Vysvetloval: ”Podle statistik jepravdepodobnost prıtomnosti bomby v letadle 0, 001. Takzesance, ze na palube budou dve bomby, je 0, 000001. Kdyz sivezmu svoji bombu, cıtım se pak mnohem bezpecneji. Bez sveosobnı bomby proto nikdy necestuji.”

Oznacme A = [ja mam v letadle bombu],B = [nekdo jiny ma v letadle bombu]. Jevy A a B jsou zjevnenezavisle (ja nejsem clen zadne teroristicke skupiny). Proto

P(B |A) = P(B) =1

1000,

a proto si bombu do letadla brat nemusıte.

Page 49: Matematick´a statistika - karlin.mff.cuni.czhudecova/education/archive11/download/chem... · Matematicka statistika Co je statistika? Oblasti aplikace statistiky Pˇr´ırodn´ı

Matematicka

statistika

Pravdepodob-

nost

Nahodne jevy

Klasickapravdepodobnost

Axiomatickadefinice

Podmınenapravdepodobnost

Nezavisle jevy

Nezavislost— poznamky

Poznamka

Jsou-li A,B nezavisle, pak (A,Bc), (Ac ,B), (Ac ,Bc) jsou tezdvojice nezavislych jevu.

Definice

Nahodne jevy A1,A2, . . . ,An ⊆ Ω nazyvame nezavisle pravekdyz platı

P(A1 ∩ A2 ∩ · · · ∩ An) = P(A1)P(A2) · · ·P(An).