background image

Prawa zastrzeżone © J.Frączek, Materiał na prawach rękopisu. Kopiowanie bez zgody autora zabronione. W razie wykrycia błędów proszę 
o informację. fraczek@meil.pw.edu.pl . Wersja 07

 

Strona 1 

 

8 Twierdzenia graniczne 

8.1 Nierówność Czebyszewa 

 

Nierówność Czebyszewa daje ilościowe oszacowanie zjawiska polegającego na grupowaniu 
się wartości zmiennej losowej wokół jej wartości oczekiwanej. 
Jeżeli X jest zmienna losową mającą skończona wartość oczekiwaną  

μ  i wariancję 

0

2

>

σ

 

to dla dowolnego t>0 zachodzi nierówność: 
 

2

1

)

-

X

P(

t

t

σ

μ

 

(8.1) 

 
Nierówność Czebyszewa obejmuje rozkłady wszystkich typów o ile spełniają wspomnaine w 
twierdzeniu bardzo ogólne założenia. 
Dla rozkładów ciągłych, których gęstość prawdopodobieństwa ma tylko jedno maksimum 
lokalna (rozkłady jednomodalne) i jest symetryczna, zachodzi (przy dodatkowych 
informacjach o rozkładzie zmiennej losowej) lepsze oszacowanie Gaussa: 
  

2

9

4

)

-

X

P(

t

t

σ

μ

 

(8.2) 

 
W praktyce mamy do czynienia na ogół ze zmiennymi losowymi, które za bardzo małym 
prawdopodobieństwem przyjmują wartości spoza przedziału  

σ

μ

σ

μ

3

,

3

-

+

. Dlatego, gdy 

nieznany jest rozkład zmiennej losowej, a znane są tylko parametry jej rozkładu 

μ  i  σ , 

pomija się możliwość przyjęcia przez zmienną losową wartości spoza przedziału 

σ

μ

σ

μ

3

,

3

-

+

. Postępowanie takie przyjęto nazywać postępowaniem zgodnym z prawem 

trzech sigm. 

 

PRZYKŁAD 8.1 
 
Należy oszacować 

)

3

)

-

X

P(

σ

μ

 dla rozkładu 

N(0,1)

 

korzystając kolejno z nierówności Czebyszewa (8.1), 

następnie z nierówności (8.2) i z tablic rozkładu normalnego. 
 
Rozwiązanie: 
 
Z nierówności Czebyszewa: 

111

.

0

9

1

)

3

)

-

X

P(

μ

 

 
z nierówności Gaussa: 

049

.

0

9

9

4

)

3

)

-

X

P(

μ

 

z tablic: 

0027

.

0

)

99865

.

0

1

(

2

))

3

(

1

(

2

3

)

-

X

P(

=

=

Φ

=

μ

 

 
Jest widoczne, że najgrubsze przybliżenie pochodzi od nierówności Czebyszewa i jest ok. 50 razy większe od 
oszacowania dokładnego. 
 

background image

Prawa zastrzeżone © J.Frączek, Materiał na prawach rękopisu. Kopiowanie bez zgody autora zabronione. W razie wykrycia błędów proszę 
o informację. fraczek@meil.pw.edu.pl . Wersja 07

 

Strona 2 

 

 

PRZYKŁAD 8.2 
 
Należy oszacować zilustrowac prawo trzech sigm na przykładzie zmiennej o rozkładzie 

N(0,1)

 .

 

Rozwiązanie: 
 
z tablic: 

997

.

0

1

99865

.

0

2

1

)

3

(

2

))

3

(

1

(

)

3

(

)

3

(

)

3

(

3)

X)

P(

=

=

Φ

=

Φ

Φ

=

Φ

Φ

=

 

 
A zatem jeśli przyjmiemy, że zmienna losowa ma rozkład normalny to prawdopodobieństwo tego, że zmienna 
losowa przyjmie wartości spoza przedziału trzech sigm jest mniejsze od 0.3%. 

 

8.2 Twierdzenia graniczne 

 
Twierdzenia graniczne dotyczą 

własności ciągów zmiennych losowych 

 

,...

,...,

,

2

1

n

X

X

X

Twierdzenia graniczne można połączyć w grupy: 

•  twierdzeń granicznych lokalnych dotyczących zbieżności ciągu funkcji 

prawdopodobieństwa zmiennych losowych dyskretnych oraz zbieżności ciągu gęstości 
prawdopodobieństwa zmiennych losowych ciągłych, 

•  twierdzeń granicznych integralnych dotyczących zbieżności ciągu dystrybuant ciągu 

zmiennych losowych. 
 

Twierdzenia integralne

 dotyczące ciągu niezależnych zmiennych losowych nazywamy 

centralnymi. 
Tutaj ograniczymy się do omówienia dwóch ważniejszych  centralnych twierdzeń 
granicznych. 
 
Twierdzenie (centralne graniczne) Lindeberga-Levy’ego (CTG LL) 
 
Jeżeli  

,...,

,

2

1

X

X

 są niezależnymi zmiennymi losowymi o tym samym rozkładzie mającym 

wartość oczekiwaną 

μ  i standardowe odchylenie 

0

σ

 to ciąg dystrybuant  

)

(

N

n

F

n

 

zmiennych losowych: 
 

n

n

X

n

X

Y

n

i

i

n

i

i

n

σ

μ

σ

μ

=

=

=

=

1

1

)

(

 

(8.3) 

 
spełnia dla każdego 

R

y

 warunek: 

 

du

e

y

F

y

u

n

n

=

2

/

2

2

1

)

(

lim

π

 

(8.4) 

 
Oznacza to innymi słowy, że ciąg zmiennych losowych (8.3) jest zbieżny według dystrybuant 
do zmiennej losowej o rozkładzie normalnym 

N

(0,1). Jeżeli zachodzi wzór (8.4) to mówimy, 

że zmienna losowa 

=

n

i

i

X

1

 ma rozkład asymptotycznie normalny 

N

(

μ

n

,

n

σ

background image

Prawa zastrzeżone © J.Frączek, Materiał na prawach rękopisu. Kopiowanie bez zgody autora zabronione. W razie wykrycia błędów proszę 
o informację. fraczek@meil.pw.edu.pl . Wersja 07

 

Strona 3 

 

Z twierdzenia LL wynika, że: 
 

)

(

)

(

)

(

lim

1

2

2

1

y

y

y

Y

y

P

n

Φ

Φ

=

<

<

 

(8.5) 

 
Możemy zatem uznać, że dla dostatecznie dużego n zachodzi: 
 

)

(

)

(

)

(

lim

1

n

n

a

n

n

b

b

X

a

P

n

i

i

n

σ

μ

σ

μ

Φ

Φ

=

<

<

=

 

(8.6) 

 
gdzie a i b są pewnymi stałymi. 
Ważnym wnioskiem z CTG jest także to, że  średnia arytmetyczna niezależnych zmiennych 
losowych o jednakowych rozkładach nawet znacznie różniących się od siebie, jest z dobrym 

przybliżeniem normalna. Jeśli bowiem, zgodnie z powyższym 

=

n

i

i

X

1

 ma rozkład 

asymptotycznie normalny 

N( μ

n

,

n

σ

) to 

n

X

n

i

i

=1

 ma rozkład 

N( μ ,

n

/

σ

 
Sformułujemy teraz nieco ogólniejsze CTG: 
 
Twierdzenie (centralne graniczne) Lindeberga-Fellera (CTG LF)  (1922,1937) 
 
Niech 

,...,

,

2

1

X

X

  będą niezależnymi zmiennymi losowymi niekoniecznie o tym samym 

rozkładzie mającymi wartości oczekiwane 

i

i

X

μ

=

)

(

E

 i wariancje 

2

i

σ . Tworzymy zmienną 

losową: 

=

=

=

n

i

i

n

i

i

i

n

X

Y

1

2

1

)

(

σ

μ

 

(8.7) 

 
Okazuje się,  że przy bardzo słabych założeniach co do zmiennych losowych X

i 

ciąg 

dystrybuant  

)

(

N

n

F

n

 zmiennych losowych Y

n

 spełnia dla każdego 

R

y

 warunek: 

 

)

(

2

1

)

(

lim

2

/

2

y

du

e

y

F

y

u

n

n

Φ

=

=

π

 

(8.8) 

 
Oznacza to innymi słowy, że ciąg zmiennych losowych  jest zbieżny według dystrybuant do 
zmiennej losowej o rozkładzie normalnym 

N(0,1). Jeżeli zachodzi wzór (8.8) to mówimy, że 

zmienna losowa 

=

n

i

i

X

1

 ma rozkład asymptotycznie normalny

Podobna zależność zachodzi dla kwantyli zmiennej losowej (8.7). Jeśli założymy, że istnieje i 
jest zdefiniowany jednoznacznie kwantyl rzędu 

α  zmiennej losowej 

n

Y

    - 

)

(

α

n

y

 to wtedy 

także zachodzi: 
 

background image

Prawa zastrzeżone © J.Frączek, Materiał na prawach rękopisu. Kopiowanie bez zgody autora zabronione. W razie wykrycia błędów proszę 
o informację. fraczek@meil.pw.edu.pl . Wersja 07

 

Strona 4 

 

)

(

)

(

lim

α

α

y

y

n

n

=

 

(8.9) 

 
gdzie 

)

(

α

y

 jest kwantylem rzędu 

α zmiennej losowej o rozkładzie N(0,1). 

 
W powyższym twierdzeniu nie sformułowaliśmy założeń twierdzenia. Zwykle założenia te 
formułuje się w formie  warunku wystarczającego tzw. warunku Lindeberga. Nie będziemy 
tutaj formułować tego warunku. Ograniczymy się do stwierdzenia, że nakłada on ograniczenie 
aby wpływ każdego ze składników 

i

i

X

μ

 

na unormowaną sumę (8.7) stawał się znikomo 

mały gdy 

n

 
Z CTG LF wynikają ważne wnioski: 
 
1.  CTG LL jest szczególnym przypadkiem CTG LF.  

Aby uzasadnić ten wniosek wystarczy przyjąć, że dla każdego i 

μ

=

)

(

E

i

X

oraz dla 

każdego i  

σ

σ

=

i

 Wtedy teza CTG LL wynika wprost z tezy CTG LF. 

2.  Korzystając z CTG LF (lub CTG LL) sformułujemy  integralne twierdzenia graniczne 

Moivre’a-Laplace’a. Twierdzenie to mówi, że zmienna losowa o rozkładzie 
dwumianowym ma rozkład asymptotycznie normalny. Dla uzasadnienia tego faktu 
załóżmy,  że ciąg zmiennych losowych 

,...,

,

2

1

X

X

 ma rozkład zerojedynkowy. Funkcja 

rozkładu jest jak wiadomo zdefiniowana dla takiej zmiennej wzorem: 
 

⎪⎩

=

=

=

=

=

poza

x

p

q

x

p

x

X

P

i

i

i

i

0

0

1

1

)

(

 

(8.10) 

 
Łatwo policzyć, że powyższa zmienna losowa ma wartość oczekiwaną 

p

X

i

=

)

(

E

 

i wariancję 

pq

i

=

2

σ

 Jeśli zastosujemy do ciągu takich zmiennych CTG LL to otrzymamy że zmienna 

losowa: 
 

npq

np

X

n

n

X

Y

n

i

i

n

i

i

n

=

=

=

=

1

1

σ

μ

 

(8.11) 

 
jest asymptotycznie normalna. 
Zauważmy jednak, że jeżeli rozpatrywać będziemy ciąg niezależnych doświadczeń i zmienna 
losowa )

,...,

2

,

1

(

n

i

X

i

=

 przyjmować  będzie wartość 1 gdy badane zjawisko wystąpi w i-ej 

próbie  i wartość 0 gdy nie wystąpi to zmienna losowa 

=

n

i

i

X

1

  będzie miała rozkład 

dwumianowy z parametrami n i p. Wobec tego ze wzoru (8.11) i twierdzenia LL wynika, że 
zmienna o rozkładzie dwumianowym ma rozkład asymptotycznie normalny. 
 

background image

Prawa zastrzeżone © J.Frączek, Materiał na prawach rękopisu. Kopiowanie bez zgody autora zabronione. W razie wykrycia błędów proszę 
o informację. fraczek@meil.pw.edu.pl . Wersja 07

 

Strona 5 

 

 

PRZYKŁAD 8.3 
 
Łańcuch rokowy składa się z n=43 ogniw. Ogniwa tego łańcucha mają wymiar 

05

.

0

04

.

0

06

.

19

+

=

d

. Należy obliczyć 

prawdopodobieństwo, że otrzymamy długość całego łańcucha 

2

.

0

4

.

0

820

=

L

 mm (przewidzianą normą).  

Wskazówka: Oszacować nieznane parametry rozkładów wymiarów poszczególnych ogniw na podstawie 
znajomości pola tolerancji korzystając z prawa 

σ

3

 a następnie wykorzystać CTG LL albo LL (centralne 

twierdzenie graniczne Lindeberga-Fellera albo Lindeberga-Levy’ego). 
 
Rozwiązanie: 
 
Wartości średnie i odchylenia standardowe (w mm) szacujemy z prawa trzech sigm: 

065

.

19

2

04

.

0

06

.

19

05

.

0

06

.

19

1

=

+

+

=

μ

,   

015

.

0

6

04

.

0

05

.

0

1

=

+

=

σ

 

Wartości do standaryzacji zmiennej: 

795

.

819

065

.

19

43

=

=

μ

09836

.

0

43

015

.

0

=

=

σ

 

oraz 
 

=

<

<

=

<

<

)

09836

.

0

795

.

819

80

.

819

09836

.

0

795

.

819

60

.

819

(

)

80

.

819

60

.

819

(

i

i

X

P

X

P

 

47

.

0

1

9535

.

0

5199

.

0

))

68

.

1

(

1

(

)

05

.

0

(

)

05

.

0

68

.

1

(

=

+

=

Φ

Φ

=

<

<

=

Y

P

 

Dokonano odczytu z tablic rozkładu normalnego. Zatem szukane prawdopodobieństwo wynosi 0.47 
 
 

PRZYKŁAD 8.4 
(JO str. 59) 
Lina stalowa jest spleciona z 20 drutów grubych i 70 cienkich. Wytrzymałość drutu grubego ma rozkład 
równomierny w przedziale 

>

<

8

.

4

,

2

.

3

kN natomiast wytrzymałość drutu cienkiego ma  rozkład równomierny w 

przedziale 

>

<

2

.

1

,

8

.

0

 kN. Przyjmując, że wszystkie zmienne losowe są niezależne, i że wytrzymałość liny jest 

sumą wytrzymałości wszystkich drutów, znaleźć prawdopodobieństwo, że wytrzymałość liny Q jest większa od 
145 kN. 
 
Rozwiązanie: 
 
Dla rozkładu równomiernego na przedziale <a, b> średnia równa się 

2

b

a

+

=

μ

 natomiast wariancja równa się 

12

)

(

2

2

a

b

=

σ

. Otzrymujemy zatem dla drutu grubego i cienkiego odpowiednio średnia i wariancję: 

4

2

8

.

4

2

.

3

=

+

=

g

μ

,   

2133

.

0

12

)

2

.

3

8

.

4

(

2

=

=

g

σ

   

1

2

2

.

1

8

.

0

=

+

=

C

μ

   

0133

.

0

12

)

8

.

0

2

.

1

(

2

=

=

C

σ

 

 
Z CTG LF otrzymujemy, że zmienna losowa: 

28

.

2

150

0133

.

0

70

2133

.

0

20

)

1

70

4

20

(

=

+

+

=

Q

Q

Y

n

 

 
ma w przybliżeniu rozkład N(0,1). A zatem 
 
 

986

.

0

)

19

.

2

(

)

19

.

2

(

1

)

19

.

2

(

)

28

.

2

150

145

(

)

145

(

=

Φ

=

Φ

=

>

=

>

=

>

n

n

Y

P

Y

P

Q

P

 

 

background image

Prawa zastrzeżone © J.Frączek, Materiał na prawach rękopisu. Kopiowanie bez zgody autora zabronione. W razie wykrycia błędów proszę 
o informację. fraczek@meil.pw.edu.pl . Wersja 07

 

Strona 6 

 

Należy podkreślić, że twierdzenia graniczne w podanych sformułowaniach orzekają tylko o 
asymptotycznej zbieżności zmiennych losowych natomiast nie mówią nic o tempie 
zbieżności. Sprawa ta wymaga w każdym przypadku osobnego badania.