3. Jatkuva jakauma

Tiheysfunktio

Jatkuva jakauma kuvataan usein funktiolla, jonka satunnaismuuttuja, X saa kaikki reaaliarvot eli jatkuvaa jakaumaa kuvaavan funktion kuvaaja on katkeamaton, yhtenäinen käyrä.
  • Huom! Tod. laskennan yhteydessä käsiteltiin diskreettejä jakaumia, joissa satunnaismuuttuja X sai vain joitakin yksittäisiä arvoja.

Jatkuva jakauma hallitaan tiheysfunktiolla, jolla on seuraavat ominaisuudet:

  • [[$f\left(x\right)\ge0\ \left(kuvaaja\ ei\ mene\ x-akselin\ alapuolelle\right)$]]
  • [[$\int_{-\infty}^{\infty}f\left(x\right)dx=1\ eli\ tiheysfunktion\ ja\ x-akselin\ rajaaman\ alueen\ pinta-ala\ on\ 1$]]

Useimmiten tiheysfunktio on sellainen, joka on määritelty useammassa osassa ja jollakin muuttujan arvoilla tiheysfunktio saa arvon nolla. Esimerkiksi tiheysfunktio voi olla
[[$f\left(x\right)=\begin{cases} e^{-x}{,}\ kun\ x\ge0&\\ 0{,}\ kun\ x<0& \end{cases}$]]

data_url_to_image_vzzhmn.png
Yleisesti tiheysfunktioksi sopii mikä tahansa funktio, joka toteuttaa tiheysfunktion ehdot.

Jatkuvan jakauman todennäköisyydet määritetään pinta-alatulkinnalla eli määrätyn integraalin avulla.
Esim.
[[$P\left(X<a\right)=\int_{-\infty}^af\left(x\right)dx{,}\ $]]

[[$P\left(a\le X\le b\right)=\int_a^bf\left(x\right)dx\ \ \ ja\ \ P\left(X\ge b\right)=\int_b^{\infty}f\left(x\right)dx$]]


Jatkuvan jakauman tunnusluvut:

1. Odotusarvo (keskiarvo)
[[$\mu=E\left(X\right)=\int_{-\infty}^{\infty}x\cdot f\left(x\right)dx$]]

2. Keskihajonta
[[$\sigma=D\left(X\right)=\sqrt{\int_{-\infty}^{\infty}\left(x-\mu\right)^2\cdot f\left(x\right)dx}$]]

[[$Yleensä\ lasketaan\ aluksi\ keskihajonnan\ neliö\ eli\ varianssi\ \sigma^2$]].

Useimmiten tunnuslukujen laskemisessa käytetään symbolista laskentaa (geogebran CAS-puolta).


data_url_to_image_higbfu.png


Kotitehtävät: 302 ja 304
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

Kertymäfunktio

Jatkuvan jakauman tiheysfunktion, f(x) kertymäfunktio, F(x) on funktio, joka arvo kohdassa X=x, kertoo todennäköisyyden P(X < x)

[[$P\left(X\le x\right)=F\left(x\right)=\int_{-\infty}^xf\left(t\right)\ dt$]]

 eli se kertoo sen todennäköisyys- eli pinta-alakertymän, joka on "kertynyt" tiheysfunktio f(x) ja x-akselin väliin kohdan x vasemmalla puolella.

Kertymäfunktion derivaatta on tiheysfunktio eli

[[$F'\left(x\right)=f\left(x\right)\ge0\ \ \Rightarrow\ \ker tymäfunktio\ on\ kasvava\ funktio.$]]

Todennäköisyyksiä on helpompi laskea kertymäfunktion arvojen avulla. Muuten tiheysfunktio joudutaan toistuvasti integroimaan todennäköisyyksiä laskettaessa. Eli jos muodostetaan tiheysfunktion kertymäfunktio niin todennäköisyydet saadaan helposti

[[$P\left(X<a\right)=F\left(a\right){,}\ \ P\left(a\le X<b\right)=F\left(b\right)-F\left(a\right)$]]

[[$P\left(X\ge b\right)=1-P\left(X<b\right)=1-F\left(b\right)\ \left(käytetään\ komplementtisääntöä\right)$]]

Esimerkki
[[$Muodosta\ funktion\ f\left(x\right)=\begin{cases} 0\ {,}\ kun\ x<0&\\ e^{-x}{,}\ kun\ x\ge0& \end{cases}\ \ker tymäfunktio.$]]

data_url_to_image_q8etjj.png

Kotitehtävät: 326, 327, 328
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

Normaalijakauma

Normaalijakauma on jatkuvista jakaumista yleisin ja tunnetuin.

Kun satunnaismuuttuja X noudattaa normaalijakaumaa parametrein µ (keskiarvo) ja σ (keskihajonta), merkitään
X ∼ N(µ, σ).

Tiheysfunktion kuvaaja on symmetrinen µ:n suhteen eli µ kertoo jakauman keskikohdan.

Kuvan tiheysfunktiossa µ = 15 ja σ = 3 eli X ∼ N(15, 3)
 
Normaalijakauman\ tiheysfunktiota\ merkitään\ \varphi\left(x\right)\ ja\ \ker tymäfunktiota\ \Phi\left(x\right)

Huom!\ P\left(X\lt a\right)=\Phi\left(a\right){,}\ P\left(X\ge b\right)=1-\Phi\left(b\right){,}\ P\left(a\le X\le b\right)=\Phi\left(b\right)-\Phi\left(a\right)
 
Normaalijakauman X ∼ N(µ, σ) tiheysfunktio
\varphi\left(x\right)=\frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}e^{^{-\frac{\left(x-\mu\right)^2}{2\sigma^2}}}
Nyt\ \ker tymäfunktio\ \Phi\left(x\right)=\frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^xe^{^{-\frac{\left(t-\mu\right)^2}{2\sigma^2}}}dt
 
Normaalijakauman todennäköisyyksiä voidaan laskea
1. Geogebran todennäköisyyslaskurilla, johon syötetään jakauman µ ja σ
2. Symbolisen laskennan esim geogebran integraalitoiminnalla
3. Taulukoitujen kertymäfunktion arvojen perusteella, taulukkokirjan avulla
 
Taulukoidussa arvoissa on käytetty normitettua normaalijakaumaa, jossa µ = 0 ja σ =1 eli normitetun normaalijakauman
tiheysfunktio\ on\ \varphi\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{^{-\frac{x^2}{2}}}\ ja\ \ker tymäf\ \ \Phi\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^xe^{^{-\frac{t^2}{2}}}dt
Tiheysfunktio kuvaaja, kun X ∼ N(0, 1)
 
Esimerkkejä löytyy taulukkokirjasta.
 
Usein normaalijakaumassa µ ≠ 1 ja σ ≠ 0 eli yleisille normaalijakaumille X ∼ N(µ, σ). Tällöin todennäköisyydet lasketaan normitetun satunnaismuuttujan Z avulla, jolloin Z ∼ N(0, 1)

 Satunnaismuuttujan normittaminen
Z=\frac{X-\mu}{\sigma}

Esim jos X ∼ N(28, 6) niin
P\left(X\lt 35\right)=\Phi\left(\frac{35-28}{6}\right)=\Phi\left(\frac{7}{6}\right)=\Phi\left(1{,}17\right)=0{,}8790
 
 

P\left(24\le X\le30\right)=