background image

 

1

ZMIENNA LOSOWA 
 
Wielkość,  która  w  wyniku  doświadczenia  przyjmuje  określoną  wartość  dopiero  po  zrealizowaniu 
doświadczenia, a nie dająca się przewidzieć przed jego realizacją. 
 
Definicja: 
Zmienna  losowa  jest  to  taka  zmienna,  która  w  wyniku  doświadczenia  przybiera  jedną  i  tylko  jedną 
wartość ze zbioru tych wszystkich wartości, jakie ta zmienna może przyjąć. 
 
Oznaczanie zmiennych losowych: 
- na ogół końcowymi literami alfabetu, np. X, Y, ... 
 
Wartości zmiennej losowej 
Wartości zmiennej losowej  (realizacja), oznaczamy małymi literami, np. x, y, ... 
 
Przykład 1. 
Rzucamy jeden raz monetą. W wyniku realizacji doświadczenia, można otrzymać dwa zdarzenia: 

 

E

1

 – wyrzucenie orła, 

 

E

2

 – wyrzucenie reszki. 

Przyporządkujemy  zdarzeniu  E

1

  wartość  0,  a  zdarzeniu  E

2

  wartość  1.  Liczby  0  i  1  są  realizacjami 

zmiennej losowej X, określonej na zbiorze zdarzeń E

1

 i E

2

 
Z wartościami zmiennej losowej związane są określone prawdopodobieństwa, tak więc zmienna losowa 
przybiera różne wartości z różnym prawdopodobieństwem: 
 

P(X=x

i

)=p

 

przy czym 

1

1

=

=

n

i

i

p

 

 

Rodzaje zmiennych losowych

 

zmienne skokowe (dyskretne),

 

 

zmienne ciągłe.

 

 
Zmiennymi  losowymi  skokowymi  (dyskretnymi)  nazywamy  takie  zmienne  losowe,  które  mają 
skończony lub przeliczalny zbiór wartości. 
przykłady:  

 

liczby urodzeń w Polsce, 

 

ocena uzyskiwana przez studentów na egzaminie z wybranego przedmiotu. 

 
Zmiennymi  losowymi  ciągłymi  nazywamy  takie  zmienne  losowe,  które  mogą  przybierać  dowolne 
wartości liczbowe 
z pewnego przedziału liczbowego. 
przykłady: 

 

wzrost, waga, wiek człowieka, 

 

wytrzymałość belki na zginanie, 

 

opór przewodu elektrycznego. 

 
 

background image

 

2

Zmienna losowa typu skokowego (dyskretnego

 
Definicja:  Mówimy,  że  zmienna  losowa  X  jest  typu  skokowego  (dyskretnego),  jeśli  przyjmuje  ona 
tylko skończoną (lub przeliczalną) liczbę wartości 

{

}

n

x

x

x

,

,

,

2

1

K

 (tzw. punkty skokowe), tak, że dla 

każdego 

n

i

,

,

1 K

=

  

0

)

(

>

=

=

i

i

p

x

X

P

,                          

gdzie 

1

1

=

=

n

i

i

p

 

 

Oznacza to, że zmienna losowa X przyjmuje wartość 

i

x

 z prawdopodobieństwem 

i

p

 

Funkcją 

rozkładu 

prawdopodobieństwa 

(funkcją 

prawdopodobieństwa, 

rozkładem 

prawdopodobieństwa) zmiennej losowej X nazywamy funkcję p określoną wzorem: 

)

(

)

(

i

i

x

X

P

x

p

=

=

Funkcję prawdopodobieństwa p określoną na wartości 

i

x

 oznaczamy przez 

i

p

, czyli 

)

(

i

i

x

p

p

=

 

Innym sposobem określania funkcji prawdopodobieństwa zmiennej losowej X jest metoda tablicowa: 

i

x

 

1

x

 

2

x

 

K

 

n

x

 

i

p

 

1

p

 

2

p

 

K

 

n

p

 

 

Przykład 2. 
Poniżej  przedstawiony  jest  wykres  rozkładu  prawdopodobieństwa  zmiennej  losowej  X  z  przykładowej 
tablicy: 
 

i

x

  -3  0  1 

i

p

 

4

1

 

2

1

 

6

1

 

12

1

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Wykresem rozkładu prawdopodobieństwa jest zatem zbiór punktów 

)

,

(

i

i

p

x

 

Dystrybuantą zmiennej losowej skokowej X

 jest funkcja F określona wzorem 

<

<

=

<

=

x

i

x

i

p

x

X

P

x

F

)

(

)

(

gdzie sumowanie odbywa się po tych 

i

x

, które spełniają nierówności 

x

x

i

<

<

 

UWAGA!!! 
Mając dany rozkład prawdopodobieństwa możemy wyznaczyć jej dystrybuantę i odwrotnie, mając daną 
dystrybuantę zmiennej losowej X możemy podać rozkład prawdopodobieństwa. 
 
Przykład 3. 
W pudełku jest 10 losów ponumerowanych od 1 do 10. Na los z numerem 1 pada główna wygrana 10zł, 
na  losy  z  numerami  2  i  3  wygrana  pocieszenia  1zł,  a  za  wyciągnięcie  pozostałych  płacimy 
2zł(wygrywamy  –  2zł).  Załóżmy,  że  wyciągnięcie  każdego  z  losów  jest  jednakowo  prawdopodobne. 
Doświadczenie polega na wyciągnięciu jednego losu. 

 

-3 

1  2 

4

1

 

background image

 

3

Przestrzeń zdarzeń elementarnych E={1,2,...,10} i jest skończona. Określmy funkcję  

R

A

E

X

:

 

X będzie zmienną losową skokową oznaczającą wygraną, gdzie A={-2,1,10}.  
Zauważmy, że: 
X(1)=10, X(2)=X(3)=1, X(4)=X(5)=...=X(10)=-2.  

 

Określmy 

rozkład prawdopodobieństwa zmiennej losowej X: 

P(X=10)=p

1

=

10

1

 

P(X=1)= p

2

+ p

3

=  

10

2

 

P(X=-2)= p

4

+ p

5

+ p

6

+ p

7

+ p

8

+ p

9

+ p

10

=  

10

7

 

Zapis tablicowy: 
wartość zmiennej losowej  w zł 

-2 

10 

prawdopodobieństwo 

0,7 

0,2 

0,1 

 
Wyznaczmy 

dystrybuantę zmiennej losowej: 

Dla x

-2 

F(x)=P(X<x)=

<

x

x

i

i

p

=0 

Dla –2<x

1  F(x)=

<

x

x

i

i

p

=p

1

=0,7 

Dla 1<x

10  F(x)=

<

x

x

i

i

p

=p

1

+ p

2

=0,7+0,2=0,9 

Dla x>10 

F(x)=

<

x

x

i

i

p

=p

1

+ p

2

+ p

3

=0,7+0,2+0,1=1 

Tak więc 

10

10

1

1

2

2

1

9

,

0

7

,

0

0

)

(

>

<

<



=

x

x

x

x

dla

dla

dla

dla

x

F

 

 
Przykład 4. 
Do  tarczy  oddaje  się  w  sposób  ciągły    niezależny  3  strzały.  Prawdopodobieństwo  trafienia  wynosi  ½ 
(trafi lub chybi). Niech zmienna losowa X oznacza liczbę trafień w tarczę.  
Zbiór zdarzeń tego doświadczenia jest następujący: 

 

{NNN, NNT, NTN, TNN, NTT, TNT, TTN, TTT} 

 

Zmienna losowa przyjmuje więc wartości : 

x

1

=0, x

2

=1, x

3

=2, x

4

=3 

Obliczamy rozkład prawdopodobieństwa: 

P(X=0)=p

1

=1/8 

P(X=1)=p

1

=3/8 

P(X=2)=p

1

=3/8 

P(X=3)=p

1

=1/8 

 
 

x

0

 

3

 

p

1/8

 

3/8 

3/8 

1/8 

 
 

background image

 

4

Obliczamy dystrybuantę F(x) zmiennej losowej X : 
 



>

<

+

+

+

<

+

<

=

n

n

n

n

x

x

dla

x

x

x

dla

p

p

p

x

x

x

dla

p

p

x

x

x

dla

p

x

x

dla

x

F

1

0

)

(

1

1

2

1

3

2

2

1

2

1

1

1

K

M

 

 
czyli dla przykładu: 



>

=

+

+

+

<

=

+

+

<

=

+

<

=

)

4

(

3

1

8

1

8

3

8

3

8

1

)

3

(

3

2

8

7

8

3

8

3

8

1

)

2

(

2

1

8

4

8

3

8

1

)

1

(

1

0

8

1

)

0

(

0

0

)

(

F

x

dla

F

x

dla

F

x

dla

F

x

dla

F

x

dla

x

F

 

 
 
Przykład 5. 
Niech zmienna losowa X ma rozkład prawdopodobieństwa 

i

x

  0  1  3  6 

i

p

 

3

1

 

6

1

 

3

1

 

6

1

 

Wówczas  dystrybuantę  wyliczamy  w  następujący  sposób  (korzystamy  z  własności  dystrybuanty  – 
przede wszystkim z lewostronnej ciągłości) 

dla 

0

x

  

( ) (

)

0

=

=

<

=

<

x

x

i

i

p

x

X

P

x

F

 

dla 

1

0

<

x

 

( )

3

1

1

=

=

=

<

p

p

x

F

x

x

i

i

 

dla 

3

1

<

x

 

( )

2

1

6

1

3

1

2

1

=

+

=

+

=

=

<

p

p

p

x

F

x

x

i

i

 

dla 

6

3

<

x

 

( )

6

5

3

1

6

1

3

1

3

2

1

=

+

+

=

+

+

=

=

<

p

p

p

p

x

F

x

x

i

i

 

dla 

6

>

x

 

( )

1

6

1

3

1

6

1

3

1

4

3

2

1

=

+

+

+

=

+

+

+

=

=

<

p

p

p

p

p

x

F

x

x

i

i

 

Zatem możemy teraz zapisać dystrybuantę w uproszczony sposób: 

background image

 

5

( )



>

<

<

<

=

6

,

1

6

3

,

6

5

3

1

,

2

1

1

0

,

3

1

0

,

0

x

x

x

x

x

x

F

 

lub za pomocą tablicy: 
 

x

 

(

]

0

,

 

(

]

1

,

0

 

(

]

3

,

1

 

(

]

6

,

3

 

(

)

+∞

,

6

 

F

 

3

1

 

2

1

 

6

5

 

1

 

 
Problem  ten  możemy  teraz  odwrócić,  tzn.  mamy  zadaną  dystrybuantę  zmiennej  losowej  X  określoną 
przy  pomocy  powyższej  tabelki.  Szukamy  rozkładu  prawdopodobieństwa  tej  zmiennej  losowej. 
Zauważamy,  że  punktami  skokowymi  są  punkty  0,  1,  3,  i  6  (jako  punkty  nieciągłości  dystrybuanty), 
których prawdopodobieństwa wyznaczamy za pomocą następujących zależności 

(

)

( ) ( )

3

1

0

3

1

0

lim

0

0

1

=

=

=

=

=

+

F

x

F

X

P

p

x

 

(

)

( ) ( )

6

1

3

1

2

1

1

lim

1

1

2

=

=

=

=

=

+

F

x

F

X

P

p

x

 

(

)

( ) ( )

3

1

2

1

6

5

3

lim

3

3

3

=

=

=

=

=

+

F

x

F

X

P

p

x

 

(

)

( ) ( )

6

1

6

5

1

6

lim

6

6

4

=

=

=

=

=

+

F

x

F

X

P

p

x

 

Stąd rozkład prawdopodobieństwa przedstawia się jak w tablicy na początku tego przykładu. 
 

Charakterystyki liczbowe zmiennej losowej skokowej 

 

Przyjmijmy,  że  wektor  losowy  X  typu  skokowego  przyjmuje  wartości  ze  zbioru 

{

}

n

x

x

x

,

,

,

2

1

K

,  zaś 

jego funkcją rozkładu prawdopodobieństwa jest p
 
Wartością  oczekiwaną  (wartością  przeciętną,  wartością  średnią,  nadzieją  matematyczną)  zmiennej 
losowej skokowej X nazywamy liczbę 

=

+

+

=

=

n

i

n

n

i

i

p

x

p

x

p

x

EX

1

1

1

K

 

Wartość oczekiwana jest to więc pewna średnia ważona wartości zmiennej losowej. 

 

 Własności wartości oczekiwanej: 
1. 

( )

c

c

E

=

 

2. 

( )

aEX

aX

E

=

 

3. 

b

EX

b

X

E

+

=

+

)

(

 

4. 

(

)

EY

EX

Y

X

E

+

=

+

 

5. 

(

)

0

=

EX

X

E

 

(

)

bEY

aEX

bY

aX

E

+

=

+

background image

 

6

 
Przykład 6. 
Zmienna losowa X ma zadany rozkład: 

 

i

x

 

-5 

-1 

i

p

  0,2  0,1  0,45  0,25 

 
Policzmy wartość oczekiwaną tej zmiennej losowej: 

( )

35

,

0

75

,

0

1

,

0

1

25

,

0

3

45

,

0

0

1

,

0

1

2

,

0

5

1

=

+

=

+

+

+

=

=

=

n

i

i

i

p

x

EX

 

Wartość oczekiwana zmiennej losowej X wynosi –0,35. 
 
Przykład 7. 
Czasem  dwie  różne  zmienne  losowe  mogą  mieć  takie  same  wartości  oczekiwane,  np.  dla  zmiennych 
losowych X i Y o rozkładach prawdopodobieństwa: 

i

x

 

i

p

 

2

1

 

2

1

 

 

i

y

  -21  3  30 

i

p

 

3

1

 

3

1

 

3

1

 

 
W obu przypadkach wartości oczekiwane wynoszą 4 (

4

=

EX

,

4

=

EY

). 

Jednak zmienna losowa X ma znacznie mniejszy rozrzut wartości (6-2=4) od zmiennej losowej Y (30-(-
21)=51).  W  celu  dokładniejszego  opisania  zmiennej  losowej  wprowadza  się  nowy  charakteryzujący  ją 
parametr – jest to wariancja. 

 

Wariancją zmiennej losowej X nazywamy wartość oczekiwaną kwadratu odchylenia zmiennej losowej 
X od jej wartości oczekiwanej 

EX

, tzn. 

(

)

2

2

EX

X

E

X

D

=

inaczej 

(

)

(

)

(

)

n

n

n

i

i

i

p

EX

x

p

EX

x

p

EX

x

X

D

2

1

2

1

1

2

2

+

+

=

=

=

K

Czasem wariancję zmiennej losowej X oznacza się przez 

VarX

. Wariancja jest to więc miara rozrzutu 

zmiennej losowej X

 

Własności wariancji

1. 

( )

0

2

=

c

D

 

2. 

( )

X

D

a

aX

D

2

2

2

=

 

3. 

(

)

X

D

b

X

D

2

2

=

+

 

4. 

(

)

Y

D

X

D

Y

X

D

2

2

2

+

=

+

 

5. 

( )

( )

2

2

2

EX

X

E

X

D

=

 

 

Wygodniej jest obliczać wariancję na podstawie własności 5) wariancji zmiennej losowej. 

Odchyleniem standardowym zmiennej losowej skokowej X nazywamy liczbę: 

X

D

DX

2

=

 (

X

D

2

=

σ

). 

background image

 

7

 

Przykład 8. 
Policzmy wariancję i odchylenie standardowe zmiennej losowej X  o rozkładzie prawdopodobieństwa: 

i

x

 

-5 

-1 

i

p

  0,2  0,1  0,45  0,25 

W tym celu musimy najpierw obliczyć 

( )

2

X

E

. Zapiszmy rozkład prawdopodobieństwa nowej zmiennej 

losowej 

2

X

 

2

i

x

 

25 

i

p

  0,45  0,1  0,25  0,2 

Wówczas 

( )

35

,

7

5

25

,

2

1

,

0

2

,

0

25

25

,

0

9

1

,

0

1

45

,

0

0

2

=

+

+

=

+

+

+

=

X

E

 

35

,

0

=

EX

 możemy obliczyć wariancję 

( )

( )

(

)

7,23

12

,

0

35

,

7

35

,

0

35

,

7

2

2

2

2

=

=

=

=

EX

X

E

X

D

 

Wariancja  zmiennej  losowej  X  jest  zatem  równa  7,23.  Stąd  odchylenie  standardowe  wynosi 

68

,

2

23

,

7

2

=

=

=

X

D

DX