diff --git a/pracs/prac7/ans.pdf b/pracs/prac7/ans.pdf new file mode 100644 index 0000000..29029cd Binary files /dev/null and b/pracs/prac7/ans.pdf differ diff --git a/pracs/prac7/ans.typ b/pracs/prac7/ans.typ new file mode 100644 index 0000000..3fe2a68 --- /dev/null +++ b/pracs/prac7/ans.typ @@ -0,0 +1,223 @@ +#set page(numbering: "- 1 -") + +#align(center)[= _Домашняя работа №7_ ] + +=== _1. Две игральные кости одновременно бросают два раза. Составить ряд и функцию распределения СВ $xi$ - число выпадений числа очков кратного 3. Указать вид закона распределения._ + +*Решение:* + +$ +p = P("число кратно 3") = 2/6 = 1/3 +$ + +Бросаем 2 кости одновременно: + +Случайная величина: количество "кратных 3" на двух костях. + +- 0 кратных 3: обе кости не кратны 3 → $(1 - p)^2 = (2/3)^2 = 4/9$ +- 1 кратное 3: ровно одна кость кратна 3 → $2 dot p dot (1 - p) = 2 dot 1/3 dot 2/3 = 4/9$ +- 2 кратных 3: обе кости кратны 3 → $p^2 = (1/3)^2 = 1/9$ + +То есть на одном броске две кости дают распределение: + +#align(center)[ + #table(columns: 4)[$k$][$0$][$1$][$2$][$P$][$4/9$][$4/9$][$1/9$] +] + +Бросаем два раза + +Пусть $xi$ = общее число выпадений "кратных 3" за два броска двух костей. + +- Каждый бросок даёт случайную величину $X$ ($0, 1, 2$) с вероятностями ($4/9, 4/9, 1/9$). +- Всего два броска → независимые величины $X_1$ и $X_2$. +- Тогда $xi = X_1 + X_2$. + +Максимум: $2 + 2 = 4$, минимум: $0 + 0 = 0$ → возможные значения $xi = 0, 1, 2, 3, 4$. + +Ряд распределения + +Вероятности для суммы $xi = X_1 + X_2$: + +- $P(xi = 0) = P(X_1 = 0 " и " X_2 = 0) = 4/9 dot 4/9 = (16)/(81)$ +- $P(xi = 1) = P(X_1 = 0, X_2 = 1) + P(X_1 = 1, X_2 = 0) = 4/9 dot 4/9 + 4/9 dot 4/9 = (32)/(81)$ +- $P(xi = 2) = P(X_1 = 0, X_2 = 2) + P(X_1 = 1, X_2 = 1) + P(X_1 = 2,X_2 = 0) = 4/9 dot 1/9 + 4/9 dot 4/9 + 1/9 dot 4/9 = (4+16+4)/(81) = (24)/(81)$ +- $P(xi = 3) = P(X_1 = 1, X_2 = 2) + P(X_1 = 2, X_2 = 1) = 4/9 dot 1/9 + 1/9 dot 4/9 = 8/(81)$ +- $P(xi = 4) = P(X_1 = 2, X_2 = 2) = 1/9 dot 1/9 = 1/(81)$ + +Итого: + +#align(center)[ + #table(columns: 6)[$xi$][$0$][$1$][$2$][$3$][$4$][$P$][$(16)/(81)$][$(32)/(81)$][$(24)/(81)$][$8/(81)$][$1/(81)$] +] + +Функция распределения $F_xi (x) = P(xi lt.eq x)$ + +#align(center)[ + #table(columns: 2)[$x$][$F_xi (x)$][$0$][$frac(16, 81)$][$1$][$frac(48, 81)$][$2$][$frac(72, 81)$][$3$][$frac(80, 81)$][$4$][$1$] +] + +Вид закона распределения + +Это дискретная сумма двух независимых случайных величин с биномиальным распределением, но каждая из них сама является распределением суммы двух независимых Бернулли с $p = 1/3$ → сводится к многократной биномиальной схеме (мультибиномиальный). + +Говоря проще: $xi$ — дискретная, конечная, суммируемая случайная величина, аналогичная сумме 4 Бернулли с $p = 1/3$ (так как всего за два броска 2 кости → 4 "испытывания"). + +#align(center)[#image("assets/1.png")] + +#line(length: 100%) + +=== _2. В партии из 10 деталей 8 стандартных. Наудачу отобраны 2 детали. Составить ряд и функцию распределения СВ $xi$ - число стандартных среди отобранных. Указать вид закона распределения._ + +$ +P(X = k) = frac(binom(K, k) binom(N-K, n-k), binom(N, n)) +$ + +где $k = 0, 1, 2$. + +Вычисляем вероятности + +- $k = 0$ (0 стандартных деталей): + +$ +P(X = 0) = frac(binom(8, 0) binom(2, 2), binom(10, 2)) = frac(1 dot 1, 45) = frac(1, 45) +$ + +- $k = 1$ (1 стандартная деталь): + +$ +P(X = 1) = frac(binom(8, 1) binom(2, 1), binom(10, 2)) = frac(8 dot 2, 45) = frac(16, 45) +$ + +- $k = 2$ (2 стандартные детали): + +$ +P(X = 2) = frac(binom(8, 2) binom(2, 0), binom(10, 2)) = frac(28 dot 1, 45) = frac(28, 45) +$ + +Ряд распределения + +#align(center)[ + #table(columns: 4)[$xi$][$0$][$1$][$2$][$P$][$1/(45)$][$(16)/(45)$][$(28)/(45)$] +] + +Функция распределения $F_xi (x) = P(xi lt.eq x)$ + +#align(center)[ + #table(columns: 2)[$x$][$F_xi (x)$][$0$][$frac(1, 45)$][$1$][$frac(17, 45)$][$2$][$1$] +] + +Вид закона распределения + +Это гипергеометрическое распределение, так как выборка делается без возвращения из конечной совокупности объектов с двумя типами элементов. + +#align(center)[#image("assets/2.png")] + +#line(length: 100%) + +=== _3. Экзаменатор задает студенту дополнительные вопросы до тех пор, пока не обнаружит незнание. Вероятность ответа на один дополнительный вопрос равна $0.9$. Составить ряд: a) СВ $xi$ - число заданных вопросов; b) СВ $xi$ - число заданных вопросов, если их не более 5. Указать вид закона распределения._ + +a) Число заданных вопросов ($xi$ неограничено) + +Это классическая задача на геометрическое распределение: + +$ +P(xi = k) = P("первые "$k-1$" ответы правильные, "$k$"-й неправильный") +$ + +- Вероятность неправильного ответа: $q = 1 - p = 0.1$ +- Тогда: + +$ +P(xi = k) = p^(k-1) dot q, space.quad k = 1, 2, 3, dots +$ + +Ряд распределения: + +#align(center)[ + #table(columns: 6)[$xi$][$1$][$2$][$3$][$4$][$5$][$dots$][$P$][$0.1$][$0.09$][$0.081$][$0.0729$][$0.06561$][$dots$] +] + +Функция распределения: + +$ +F_xi (k) = P(xi lt.eq k) = 1 - p^k +$ + +Например: + +$ +F_xi (1) = 0.1, space.quad F_xi (2) = 0.1 + 0.09 = 0.19, dots +$ + +Вид закона распределения: дискретное, геометрическое распределение. + +b) Число заданных вопросов, если их не более 5 + +Теперь ограничиваемся максимум $5$ вопросами. Тогда для $k = 1, 2, 3, 4, 5$: + +$ +P(xi = k) = cases(p^(k - 1) q ", " k = 1", "2", "3", "4, p^4 ", " k = 5 ("т.е. все 5 правильных")) +$ + +#align(center)[ + #table(columns: 6)[$xi$][$1$][$2$][$3$][$4$][$5$][$P$][$0.1$][$0.09$][$0.081$][$0.0729$][$0.6561$] +] + +Вид закона распределения: дискретное усечённое геометрическое распределение. + +#align(center)[#image("assets/3.png")] + +#line(length: 100%) + +=== _4. Устройство состоит из 1000 элементов, работающих независимо друг от друга. Вероятность отказа любого из них за время $T$ равна $0.002$. Составить ряд СВ $xi$ - число отказавших элементов за время $T$. Указать вид закона распределения._ + + +Каждый элемент — это независимая «Биномиальная попытка»: + +$ +X_i = cases(1", элемент отказал", 0", элемент не отказал") +$ + +Тогда $xi = X_1 + X_2 + dots + X_(1000)$. + +Это биномиальная случайная величина с параметрами $n = 1000$, $p = 0.002$: + +$ +P(xi = k) = binom(1000, k) p^k (1-p)^(1000 - k), space.quad k = 0,1, dots, 1000 +$ + +Приближение + +Так как $n$ большое, $p$ маленькое, удобно использовать приближение Пуассона: + +$ +lambda = n dot p = 1000 dot 0.002 = 2 +$ + +Тогда можно приближённо считать: + +$ +P(xi = k) approx frac(lambda^k e^(-lambda), k!) = frac(2^k e^(-2), k!), space.quad k = 0, 1, 2, dots +$ + +Это распределение Пуассона с параметром $lambda = 2$. + +Ряд распределения (первые значения) + +$ +P(xi = 0) approx frac{2^0 e^(-2), 0!} = e^(-2) approx 0.1353 \ +P(xi = 1) approx frac{2^1 e^(-2), 1!} = 2 e^(-2) approx 0.2707 \ +P(xi = 2) approx frac{2^2 e^(-2), 2!} = 2 e^(-2) approx 0.2707 \ +P(xi = 3) approx frac{2^3 e^(-2), 6} approx 0.1804 \ +P(xi = 4) approx frac{16 e^(-2), 24} approx 0.0902 \ +P(xi = 5) approx frac{32 e^(-2), 120} approx 0.0361 +$ + +Вид закона распределения + +- Точное: биномиальное $B(n=1000, p=0.002)$ +- Приближённое: распределение Пуассона с параметром $lambda = 2$ + +Это классический пример редких событий (малое $p$, большое $n$) → удобно использовать Пуассона. + +#align(center)[#image("assets/4.png")] diff --git a/pracs/prac7/assets/1.png b/pracs/prac7/assets/1.png new file mode 100644 index 0000000..d4dd8d7 Binary files /dev/null and b/pracs/prac7/assets/1.png differ diff --git a/pracs/prac7/assets/2.png b/pracs/prac7/assets/2.png new file mode 100644 index 0000000..f6e944f Binary files /dev/null and b/pracs/prac7/assets/2.png differ diff --git a/pracs/prac7/assets/3.png b/pracs/prac7/assets/3.png new file mode 100644 index 0000000..9d1b2ad Binary files /dev/null and b/pracs/prac7/assets/3.png differ diff --git a/pracs/prac7/assets/4.png b/pracs/prac7/assets/4.png new file mode 100644 index 0000000..3bcb963 Binary files /dev/null and b/pracs/prac7/assets/4.png differ diff --git a/pracs/prac7/scripts/1.py b/pracs/prac7/scripts/1.py new file mode 100644 index 0000000..16c6622 --- /dev/null +++ b/pracs/prac7/scripts/1.py @@ -0,0 +1,34 @@ +import matplotlib.pyplot as plt + +# Значения случайной величины +xi = [0, 1, 2, 3, 4] + +# Вероятности +P = [16 / 81, 32 / 81, 24 / 81, 8 / 81, 1 / 81] + +# Функция распределения +F = [] +cum = 0 +for p in P: + cum += p + F.append(cum) + +plt.figure(figsize=(12, 5)) + +# График вероятностей +plt.subplot(1, 2, 1) +plt.bar(xi, P, color="skyblue") +plt.xlabel("xi") +plt.ylabel("P(xi)") +plt.title("Ряд распределения") + +# График функции распределения +plt.subplot(1, 2, 2) +plt.step(xi, F, where="post", color="orange") +plt.scatter(xi, F, color="red") +plt.xlabel("xi") +plt.ylabel("F(xi)") +plt.title("Функция распределения") + +plt.tight_layout() +plt.savefig("1.png") diff --git a/pracs/prac7/scripts/2.py b/pracs/prac7/scripts/2.py new file mode 100644 index 0000000..177da5d --- /dev/null +++ b/pracs/prac7/scripts/2.py @@ -0,0 +1,20 @@ +import matplotlib.pyplot as plt +import numpy as np + +# Задача 2: гипергеометрическое распределение +xi2 = [0, 1, 2] +P2 = [1 / 45, 16 / 45, 28 / 45] +F2 = np.cumsum(P2) + +plt.figure(figsize=(7, 5)) +plt.bar(xi2, P2, color="skyblue", alpha=0.7, label="Вероятности") +plt.step(xi2, F2, where="post", color="orange", label="Функция распределения") +plt.scatter(xi2, F2, color="red") +plt.title("Задача 2: гипергеометрическое распределение") +plt.xlabel("xi") +plt.ylabel("P / F") +plt.xticks(xi2) +plt.legend() +plt.grid(axis="y", linestyle="--", alpha=0.6) +plt.tight_layout() +plt.savefig("2.png") diff --git a/pracs/prac7/scripts/3.py b/pracs/prac7/scripts/3.py new file mode 100644 index 0000000..dbe46ba --- /dev/null +++ b/pracs/prac7/scripts/3.py @@ -0,0 +1,22 @@ +import matplotlib.pyplot as plt +import numpy as np + +# Задача 3: геометрическое распределение +p3 = 0.9 +q3 = 1 - p3 +xi3 = list(range(1, 11)) # ограничим до 10 вопросов +P3 = [p3 ** (k - 1) * q3 for k in xi3] +F3 = np.cumsum(P3) + +plt.figure(figsize=(7, 5)) +plt.bar(xi3, P3, color="lightgreen", alpha=0.7, label="Вероятности") +plt.step(xi3, F3, where="post", color="orange", label="Функция распределения") +plt.scatter(xi3, F3, color="red") +plt.title("Задача 3: геометрическое распределение") +plt.xlabel("xi") +plt.ylabel("P / F") +plt.xticks(xi3) +plt.legend() +plt.grid(axis="y", linestyle="--", alpha=0.6) +plt.tight_layout() +plt.savefig("3.png") diff --git a/pracs/prac7/scripts/4.py b/pracs/prac7/scripts/4.py new file mode 100644 index 0000000..039e7f1 --- /dev/null +++ b/pracs/prac7/scripts/4.py @@ -0,0 +1,23 @@ +from math import exp, factorial + +import matplotlib.pyplot as plt +import numpy as np + +# Задача 4: распределение Пуассона +lambda4 = 2 +xi4 = list(range(0, 11)) +P4 = [lambda4**k * exp(-lambda4) / factorial(k) for k in xi4] +F4 = np.cumsum(P4) + +plt.figure(figsize=(7, 5)) +plt.bar(xi4, P4, color="plum", alpha=0.7, label="Вероятности") +plt.step(xi4, F4, where="post", color="orange", label="Функция распределения") +plt.scatter(xi4, F4, color="red") +plt.title("Задача 4: распределение Пуассона") +plt.xlabel("xi") +plt.ylabel("P / F") +plt.xticks(xi4) +plt.legend() +plt.grid(axis="y", linestyle="--", alpha=0.6) +plt.tight_layout() +plt.savefig("4.png") diff --git a/pracs/prac7/tasks.pdf b/pracs/prac7/tasks.pdf new file mode 100644 index 0000000..1ce45ab Binary files /dev/null and b/pracs/prac7/tasks.pdf differ