PODSTAWY BIOSTATYSTYKI dla ZB III
dr inż Krzysztof Bryś
Wyk lad 1
Klasyczny Rachunek Prawdopodobieństwa.
1. Poj¸ecia wst¸epne.
Doświadczeniem losowym nazywamy doświadczenie, którego wynik nie jest znany. Posiadamy jedynie informacje o zbiorze możliwych wyników tego doświadczenia. Wynik doświadczenia losowego wykluczaj¸acy inne możliwe wyniki nazywamy zdarzeniem elementarnym.
UWAGA: Zak lada si¸e, że w wyniku doświadczenia losowego zachodzi dok ladnie jedno zdarzenie elementarne.
Zbiór wszystkich zdarzeń losowych nazywamy przestrzeni¸a zdarzeń elementarnych i oznaczamy przez Ω.
Zdarzeniem losowym nazywamy dowolny wynik doświadczenia losowego. Każde zdarzenie losowe jest zbiorem zdarzeń elementarnych
UWAGA: Jeżeli Ω jest zbiorem skończonym lub przeliczalnym, to zdarzeniem losowym jest dowolny podzbiór zbioru Ω
Zdarzenie ∅ nazywamy zdarzeniem niemożliwym.
Zdarzenie Ω nazywamy zdarzeniem pewnym.
Zdarzenie A = Ω \ A nazywamy zdarzeniem przeciwnym do A.
Jeżeli dla dwóch zdarzeń A i B zachodzi A ∩ B = ∅, to mówimy, że zdarzenia te wykluczaj¸a si¸e (s¸a roz l¸aczne).
Przyk lady. Zdarzenie A = miesi¸ac kwiecień ma 31 dni jest zdarzeniem niemożliwym. Zdarzenie B =
miesi¸ac kwiecień ma 30 dni jest zdarzeniem pewnym. Zdarzeniem przeciwnym do C = dzisiaj jest niedziela jest zdarzenie C = dzisiaj jest inny dzień tygodnia niż niedziela.
Przyk lad. Rozważmy doświadczenie losowe polegaj¸ace na jednokrotnym rzucie monet¸a. Przestrzeń zdarzeń elementarnych sk lada sie z dwóch elementów, zdarzenia ωO polegajacego na wypadni¸eciu or la i ωO, które oznacza wypadni¸ecie reszki. Wypiszmy wszystkie możliwe podzbiory zbioru Ω (zdarzenia losowe): A 1 = Ω = {ωO, ωR}, A 2 = {ωO}, A 3 = {ωR}, A 4 = ∅.
Zdarzenie A 1 polega na wypadni¸eciu or la lub reszki. Jest to zdarzenie pewne. Zdarzenie A 4 polegaj¸ace na niewypadni¸eciu ani or la ani reszki nie może zajść w wyniku naszego doświadczenia losowego. Jest to zdarzenie niemożliwe. Zdarzeniem przeciwnym do A 2 - wypad l orze l jest zdarzenie A 3 - wypad la reszka.
Zwróćmy uwag¸e na to, że A 2 ∪A 3 = Ω (w wyniku rzutu monet¸a wypadnie orze l lub reszka) oraz A 2 ∩A 3 = ∅
(nie może wypaść jednocześnie orze l i reszka).
2. Klasyczna definicja prawdopodobieństwa.
Niech Ω b¸edzie zbiorem skończonym, to znaczy Ω = {ω 1 , ω 2 . . . , ωN}. Dla dowolnego zdarzenia A ⊆ Ω takiego, że A = {ωi , ω , . . . , ω }, gdzie i
1
i 2
ik
1 , i 2 , . . . , ik ∈ { 1 , 2 , . . . N }, definiuje si¸
e funkcj¸e praw-
dopodobieństwa w nast¸epuj¸acy sposób:
P ( A) = P ( {ωi }) + P ( {ω }) + . . . + P ( {ω }) .
1
i 2
ik
W przypadku, gdy zdarzenia elementarne s¸a jednakowo prawdopodobne, to znaczy P ( ω 1) = P ( ω 2) = . . . =
P ( ωN) = 1 , otrzymujemy nast¸epuj¸acy wzór:
N
|A|
k
liczba zdarzeń elementarnych sprzyjaj¸acych zdarzeniu A
P ( A) =
=
=
.
|Ω |
N
liczba wszystkich zdarzeń elementarnych
Powyższa definicja prawdopodobieństwa nie jest poprawna w ogólności, gdyż zbiór Ω nie musi być skończony a zdarzenia elementarne nie musz¸a by˙c jednakowo prawdopodobne.
3. Aksjomatyczna definicja prawdopodobieństwa.
Niech Ω b¸edzie przestrzeni¸a zdarzeń elementarnych, Z zbiorem zdarzeń losowych.
Funkcj¸a prawdopodobieństwa nazywamy funkcj¸e P : Z → [0 , 1] spe lniaj¸ac¸a nast¸epuj¸ace trzy aksjomaty: P 1) P ( A) ≥ 0 dla każdego A ∈ Z,
P 2) P (Ω) = 1
P 3) jeżeli A 1 , A 2 , . . . , An . . . jest ci¸agiem zdarzeń roz l¸acznych (to znaczy Ai ∩ Aj = ∅ dla i 6= j), to P ( A 1 ∪ A 2 ∪ . . . ∪ An ∪ . . . ) = P ( A 1) + P ( A 2) + . . . + P ( An) + . . .
Wartość funkcji P na zbiorze A nazywamy prawdopodobieństwem zdarzenia A 4. W lasności funkcji prawdopodobieństwa.
1. P ( ∅) = 0.
2. Jeśli A ⊆ B, to P ( A) ≤ P ( B).
3. Dla dowolnego A ⊆ Ω P ( A) ≤ 1.
4. Jeśli A ⊆ B, to P ( B \ A) = P ( B) − P ( A).
5. Dla dowolnego A ⊆ Ω P ( A) + P ( A) = 1.
6. P ( A ∪ B) = P ( A) + P ( B) − P ( A ∩ B).
7. Jeżeli zdarzenia A 1 , A 2 , . . . , An s¸a parami roz l¸aczne, to P ( A 1 ∪ A 2 ∪ . . . ∪ An) = P ( A 1) + P ( A 2) +
. . . + P ( An).
5. Prawdopodobieństwo warunkowe i niezależnoś˙c.
Prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia A pod warunkiem, że zasz lo zdarzenie B: P ( A ∩ B)
P ( A|B) =
P ( B)
Doświadczenia niezależne = dowolny wynik jednego z nich nie wpywa na wynik drugiego.
Zdarzenia niezależne = zdarzenia A, B, dla których:
P ( A ∩ B) = P ( A) · P ( B)
albo
P ( A|B) = P ( A) lub P ( B|A) = P ( B) Informacja o zajściu jednego z nich nie zmienia szans wyst¸apienia drugiego.
5. Zupe lny uk lad zdarzeń. Wzór Bayesa
Zdarzenia A 1 , . . . , An tworz¸a zupe lny uk lad zdarzeń jeśli: 1. A 1 ∪ . . . ∪ An = Ω,
2. Ai ∩ Aj = ∅ dla każdego i 6= j, i, j = 1 , 2 , . . . , n
Twierdzenie o prawdopodobieństwie zupe lnym
Jeśli zdarzenia A 1 , . . . , An tworz¸a zupe lny uk lad zdarzeń, to dla każdego zdarzenia B : P ( B) = P ( A 1 ∩ B) + . . . + P ( An ∩ B) = P ( A 1) · P ( B|A 1) + . . . + P ( An) · P ( B|An) Wzór Bayesa
Jeśli zdarzenia A 1 , . . . , An tworz¸a zupe lny uk lad zdarzeń, to dla każdego zdarzenia B takiego, że P ( B) > 0
oraz dowolnego j = 1 , 2 , . . . , n zachodzi wzór :
P ( A
P ( A
j ∩ B)
j |B) =
=
P ( A 1 ∩ B) + . . . + P ( Aj ∩ B) + . . . + P ( An ∩ B) P ( A
=
j ) · P ( B|Aj )
P ( A 1) · P ( B|A 1) + . . . P ( Aj) · P ( B|Aj) + . . . + P ( An) · P ( B|An) Zmienna losowa jednowymiarowa
Intuicyjnie: zmienna, która przyjmuje pewn¸a wartość liczbow¸a w wyniku doświadczenia losowego.
Formalnie: Funkcja X : Ω → R przyporz¸adkowuj¸aca każdemu zdarzeniu losowemu pewn¸a wartość liczbow¸a
Dystrybuanta zmiennej losowej X - funkcja FX : R → R zdefiniowana nast¸epuj¸aco: F ( x) = P ( X < x) dla każdego x ∈ R
Zmienna losowa typu skokowego
Zmienna X, dla której zbiór wartości przyjmowanych przez t¸a zmienn¸a jest skończony lub przeliczalny, tzn WX = {x 1 , x 2 , . . . , xn} albo WX = {x 1 , x 2 , . . . , xn, ldots}
Rozk lad prawdopodobieństwa: funkcja P , która każdemu punktowi skokowemu xi ∈ WX przyporz¸adkowuje skok prawdopodobieństwa pi = P ( X = xi) w taki sposób, że: 1) dla każdego i : pi > 0 oraz
X
2)
pi = 1
i
.
Zmienna losowa typu ci¸ag lego
Zmienna X, dla której zbiór wartości przyjmowanych przez t¸a zmienn¸a jest przedzia lem liczbowym lub sum¸a przedzia lów.
Rozk lad prawdopodobieństwa: funkcja f zwana g¸estości¸a prawdopodobieństwa taka, że 1) dla każdego x ∈ R : f ( x) ≥ 0 oraz
Z + ∞
2)
f ( x) dx = 1
−∞
.
Podstawowe parametry zmiennej losowej
1. Wartość oczekiwana zmiennej losowej X = liczba E(X) b¸ed¸aca średnia ważon¸a rozk ladu prawdopodobieństwa przy za lożeniu, że wag¸a jest prawdopodobieństwo (dla zmiennej losowej typu skokowego) albo środkiem ci¸eżkości rozk ladu prawdopodobieństwa przy za lożeniu, że g¸estości¸a jest funkcja g¸estości prawdopodobieństwa (dla zmiennej losowej typu ci¸ag lego).
2. Wariancja zmiennej losowej X= D 2( X) = wartość oczekiwana kwadratu odchylenia zmiennej od jej wartości oczekiwanej - miara średniego odchylenia kwadratowego.
3. Odchylenie standardowe zmiennej losowej X = D( X)= pierwiastek z wariancji - miara średniego odchylenia zmiennej od jej wartości oczekiwanej.
4. Kwantyl rz¸edu p = xp = punkt, w którym skumulowane prawdopodobieństwo (dystrybuanta) osi¸aga (przekracza) wartość p.
mediana= Me=kwantyl rz¸edu 12
kwartyl dolny= Q 1=kwantyl rz¸edu 14
kwartyl dolny= Q 3=kwantyl rzedu 34
i-ty decyl= przedzia l mi¸edzy kwantylem rz¸edu ( i − 1) · 0 . 1 a kwantylem rz¸edu i · 0 . 1
i-ty percentyl= przedzia l mi¸edzy kwantylem rz¸edu ( i − 1) · 0 . 01 a kwantylem rz¸edu i · 0 . 01
5. Moda (dominanta; wartoś˙c modalna) = punkt, w którym funkcja prawdopodobieństwa osi¸aga najwi¸eksz¸a wartoś˙c.