На Горох
Разбор упражнения

ГДЗ: Упражнение 359 - § 19 (Дисперсия и стандартное отклонение) - (Вероятность и статистика 10 класс, Бунимович Евгений Абрамович, Булычев Владимир Александрович)

Глава 7. Случайные величины и распределения Страницы: 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214 * Повышенная сложность
А вы знали? Проект, реферат или доклад можно создать с помощью ИИ за 5 минут — и сразу скачать готовый файл Word. Попробовать

359 упражнение: *

Сколько в среднем раз нужно бросить кубик, чтобы «увидеть» все его стороны (т. е. чтобы каждая из шести граней выпала хотя бы по разу)?

Найдите математическое ожидание числа бросков.
Ответ

Представим число бросков как сумму \( X = X_1 + X_2 + \ldots + X_6 \), где \( X_k \) — число бросков от появления \( (k-1) \)-й новой грани до появления \( k \)-й новой. Когда уже увидены \( k - 1 \) граней, каждый бросок даёт новую грань с вероятностью \( p_k = \dfrac{7 - k}{6} \), то есть \( X_k \sim \mathrm{Geom}(p_k) \) и \( E(X_k) = \dfrac{6}{7 - k} \).

\[ E(X) = \dfrac66 + \dfrac65 + \dfrac64 + \dfrac63 + \dfrac62 + \dfrac61 = 6\left(1 + \dfrac12 + \dfrac13 + \dfrac14 + \dfrac15 + \dfrac16\right) = 6 \cdot \dfrac{49}{20} = 14{,}7. \]

Ответ: 14,7.

Что применять при решении

Дисперсия случайной величины

Распределения с одинаковым математическим ожиданием могут быть устроены совершенно по-разному (рис. 105), поэтому нужна мера разброса. Размах в теории вероятностей почти не используют: крайние значения имеют малую вероятность, а у геометрического распределения наибольшего значения нет вовсе. Дисперсией случайной величины \( X \) называется математическое ожидание квадрата отклонения \( X \) от её математического ожидания: \( D(X) = E(X - E(X))^2 \) (лат. dispersio — «рассеяние»). По закону распределения при \( m = E(X) \): \( D(X) = (x_1 - m)^2 p_1 + \ldots + (x_n - m)^2 p_n \) — каждый квадрат отклонения входит со своим весом-вероятностью (в отличие от выборочной дисперсии \( S^2 \) в статистике). Для кубика \( D(X) = \frac{35}{12} \approx 2{,}917 \).
\( D(X) = E\big(X - E(X)\big)^2 = \sum_{i} (x_i - m)^2 p_i \)

Свойства дисперсии

1) \( D(X) = E(X^2) - E^2(X) \) — дисперсия равна разности математического ожидания квадрата величины и квадрата её математического ожидания; обычно \( E(X^2) \) считать проще (для кубика \( E(X^2) = \frac{91}{6} \), \( D = \frac{91}{6} - \frac{49}{4} = \frac{35}{12} \)). 2) \( D(X) \ge 0 \), причём \( D(X) = 0 \) только для константы; отрицательная дисперсия — признак ошибки. 3) \( D(aX) = a^2 D(X) \) — постоянный множитель выносится за знак дисперсии в квадрате. 4) \( D(aX + b) = a^2 D(X) \) — сдвиг на константу дисперсии не меняет. 5) Для независимых \( X, Y \): \( D(X + Y) = D(X) + D(Y) \) (доказывается через свойство 1 и \( E(XY) = E(X)E(Y) \)); на этом свойстве основан закон больших чисел. Примеры: сумма на двух кубиках — \( D(S) = \frac{35}{12} + \frac{35}{12} = \frac{35}{6} \approx 5{,}8 \); индикатор события с вероятностью \( p \) — \( D(I) = p - p^2 = p(1 - p) \); два стрелка — \( D(X) = p_1(1 - p_1) + p_2(1 - p_2) \).
\( D(X) = E(X^2) - E^2(X); \quad D(aX + b) = a^2 D(X); \quad D(X + Y) = D(X) + D(Y) \text{ при независимости} \)

Стандартное отклонение и неравенство «трёх сигм»

Дисперсия измеряется в квадратных единицах, поэтому вводят стандартное (среднеквадратичное) отклонение \( \sigma = \sqrt{D(X)} \) — в тех же единицах, что и \( X \): в среднем значения \( X \) отклоняются от \( E(X) \) примерно на \( \sigma \). Неравенство «трёх сигм»: для любой случайной величины \( P(|X - E(X)| \ge 3\sigma) \le \frac19 \), то есть \( P(|X - E(X)| < 3\sigma) \ge \frac89 \) — интервал \( (E(X) - 3\sigma;\ E(X) + 3\sigma) \) включает почти все вероятные значения (часто — вообще все). Кубик: \( \sigma \approx 1{,}7 \), интервал \( (3{,}5 - 5{,}1;\ 3{,}5 + 5{,}1) \); сумма на двух кубиках: \( \sigma \approx 2{,}4 \); два стрелка с \( p_1 = 0{,}99 \), \( p_2 = 0{,}01 \): \( \sigma \approx 0{,}14 \), в интервал \( (0{,}58;\ 1{,}42) \) попадает только значение 1, но его вероятность 0,98 \( > \frac89 \).
\( \sigma = \sqrt{D(X)}, \qquad P\big(|X - E(X)| \ge 3\sigma\big) \le \dfrac19 \)

Дисперсия биномиального распределения

Методом индикаторов: \( X = X_1 + \ldots + X_N \), \( D(X_i) = p(1-p) = pq \), индикаторы независимы, поэтому \( D(X) = Npq \). 25 бросков монеты: \( E = 12{,}5 \), \( D = 6{,}25 \), \( \sigma = 2{,}5 \), интервал «трёх сигм» (5; 20) содержит 54 % возможных значений; 250 бросков — \( \sigma \approx 7{,}9 \), интервал (101,3; 148,7) — 19 % значений; 2500 бросков — \( \sigma = 25 \), интервал (1175; 1325) — 6 %. С ростом \( N \) доля вероятных значений уменьшается: диапазон растёт как \( N \), а интервал «трёх сигм» — как \( \sqrt N \). При \( p \ne q \) дисперсия меньше, чем при \( p = q \): \( pq = p(1-p) \) — квадратный трёхчлен с максимумом \( \frac14 \) при \( p = 0{,}5 \) и нулями при \( p = 0 \) и \( p = 1 \) (2500 бросков кубика, \( p = \frac16 \): \( D \approx 347{,}2 \), \( \sigma \approx 18{,}6 \)).
\( D(\mathrm{Bin}(N, p)) = Npq, \qquad \sigma = \sqrt{Npq} \)

Дисперсия геометрического распределения

Для \( X \sim \mathrm{Geom}(p) \) сумму \( E(X^2) = 1^2 p + 2^2 qp + 3^2 q^2 p + \ldots \) дважды перегруппировывают в треугольные таблицы: \( E(X^2) = 1 + 3q + 5q^2 + 7q^3 + \ldots = \frac{1}{p} + \frac{2q}{p(1-q)} = \frac{1 + q}{p^2} \), откуда \( D(X) = \frac{1+q}{p^2} - \frac{1}{p^2} = \frac{q}{p^2} \). Монета: \( D = 2 \), \( \sigma \approx 1{,}41 \), интервал «трёх сигм» — от 1 до 6 испытаний; кубик до шестёрки: \( D = 30 \), \( \sigma \approx 5{,}48 \), интервал от 1 до 22. Особенность геометрического распределения — большая дисперсия, тем большая, чем меньше \( p \); правая граница интервала \( \frac1p + \frac{3\sqrt q}{p} \): при \( p = 0{,}2 \) стоит запасти не 5, а \( \frac{1 + 3\sqrt{0{,}8}}{0{,}2} \approx 18 \) патронов.
\( D(\mathrm{Geom}(p)) = \dfrac{q}{p^2}, \qquad \sigma = \dfrac{\sqrt q}{p} \)

Не сходится своя задача? Разберём по шагам

  • Формула, подстановка и расчёт
  • Числа считает калькулятор, а не нейросеть
  • Бесплатно и без регистрации
Решить задачу Разбор задачи бесплатный

Другие упражнения из параграфа § 19

Данные параграфа

К параграфу →
Глава
Глава 7. Случайные величины и распределения
Параграф
§ 19 — Дисперсия и стандартное отклонение
Учебник
Вероятность и статистика 10 класс — Математика. Базовый уровень
Автор
Бунимович Евгений Абрамович, Булычев Владимир Александрович
Год
2023

Задали работу по этой теме?

Реферат, доклад или проект по параграфу: план, текст, таблицы и оформление по требованиям.

Создать проект Готовый файл Word. Оплата после того, как увидите работу.