Каждая, отдельно взятая величина полностью определяется своей функцией распределения. Также, для решения практических задач хватает знать несколько числовых характеристик, благодаря которым появляется возможность представить основные особенности случайной величины в краткой форме.
К таким величинам относят в первую очередь математическое ожидание и дисперсия .
Математическое ожидание — среднее значение случайной величины в теории вероятностей. Обозначается как .
Самым простым способом математическое ожидание случайной величины Х(w)
, находят как интеграл
Лебега
по отношению к вероятностной мере Р
исходном
вероятностном пространстве
Еще найти математическое ожидание величины можно как интеграл Лебега от х по распределению вероятностей Р Х величины X :
где - множество всех возможных значений X .
Математическое ожидание функций от случайной величины X находится через распределение Р Х . Например , если X - случайная величина со значениями в и f(x) - однозначная борелевская функция Х , то:
Если F(x) - функция распределения X , то математическое ожидание представимо интегралом Лебега - Стилтьеса (или Римана - Стилтьеса):
при этом интегрируемость X в смысле (* ) соответствует конечности интеграла
В конкретных случаях, если X имеет дискретное распределение с вероятными значениями х k , k=1, 2 , . , и вероятностями , то
если X имеет абсолютно непрерывное распределение с плотностью вероятности р(х) , то
при этом существование математического ожидания равносильно абсолютной сходимости соответствующего ряда или интеграла.
Свойства математического ожидания случайной величины.
- Математическое ожидание постоянной величины равно этой величине:
C - постоянная;
- M=C.M[X]
- Математическое ожидание суммы случайно взятых величин равно сумме их математических ожиданий:
- Математическое ожидание произведения независимых случайно взятых величин = произведению их математических ожиданий:
M=M[X]+M[Y]
если X и Y независимы.
если сходится ряд:
Алгоритм вычисления математического ожидания.
Свойства дискретных случайных величин: все их значения можно перенумеровать натуральными числами; каждому значению приравнять отличную от нуля вероятность.
1. По очереди перемножаем пары: x i на p i .
2. Складываем произведение каждой пары x i p i .
Напрмер , для n = 4 :
Функция распределения дискретной случайной величины ступенчатая, она возрастает скачком в тех точках, вероятности которых имеют положительный знак.
Пример: Найти математическое ожидание по формуле.
Следующим по важности свойством случайной величины вслед за математическим ожиданием является ее дисперсия, определяемая как средний квадрат отклонения от среднего:
Если обозначить через то дисперсия VX будет ожидаемым значением Это характеристика „разброса" распределения X.
В качестве простого примера вычисления дисперсии предположим, что нам только что сделали предложение, от которого мы не в силах отказаться: некто подарил нам два сертификата для участия в одной лотерее. Устроители лотереи продают каждую неделю по 100 билетов, участвующих в отдельном тираже. В тираже выбирается один их этих билетов посредством равномерного случайного процесса - каждый билет имеет равные шансы быть выбранным - и обладатель этого счастливого билета получает сто миллионов долларов. Остальные 99 владельцев лотерейных билетов не выигрывают ничего.
Мы можем использовать подарок двумя способами: купить или два билета в одной лотерее, или по одному для участия в двух разных лотереях. Какая стратегия лучше? Попытаемся провести анализ. Для этого обозначим через случайные величины, представляющие размер нашего выигрыша по первому и второму билету. Ожидаемое значение в миллионах, равно
и то же самое справедливо для Ожидаемые значения аддитивны, поэтому наш средний суммарный выигрыш составит
независимо от принятой стратегии.
Тем не менее, две стратегии выглядят различными. Выйдем за рамки ожидаемых значений и изучим полностью распределение вероятностей
Если мы купим два билета в одной лотерее, то наши шансы не выиграть ничего составят 98% и 2% - шансы на выигрыш 100 миллионов. Если же мы купим билеты на разные тиражи, то цифры будут такими: 98.01% - шанс не выиграть ничего, что несколько больше, чем ранее; 0.01% - шанс выиграть 200 миллионов, также чуть больше, чем было ранее; и шанс выиграть 100 миллионов теперь составляет 1.98%. Таким образом, во втором случае распределение величины несколько более разбросано; среднее значение, 100 миллионов долларов, несколько менее вероятно, тогда как крайние значения более вероятны.
Именно это понятие разброса случайной величины призвана отразить дисперсия. Мы измеряем разброс через квадрат отклонения случайной величины от ее математического ожидания. Таким образом, в случае 1 дисперсия составит
в случае 2 дисперсия равна
Как мы и ожидали, последняя величина несколько больше, поскольку распределение в случае 2 несколько более разбросано.
Когда мы работаем с дисперсиями, то все возводится в квадрат, так что в результате могут получиться весьма большие числа. (Множитель есть один триллион, это должно впечатлить
даже привычных к крупным ставкам игроков.) Для преобразования величин в более осмысленную исходную шкалу часто извлекают квадратный корень из дисперсии. Полученное число называется стандартным отклонением и обычно обозначается греческой буквой а:
Стандартные отклонения величины для наших двух лотерейных стратегий составят . В некотором смысле второй вариант примерно на 71247 долларов рискованнее.
Каким образом дисперсия помогает в выборе стратегии? Это не ясно. Стратегия с большей дисперсией рискованнее; но что лучше для нашего кошелька - риск или безопасная игра? Пусть у нас есть возможность купить не два билета, а все сто. Тогда мы могли бы гарантировать выигрыш в одной лотерее (и дисперсия была бы нулевой); или же можно было сыграть в сотне разных тиражей, ничего не получая с вероятностью зато имея ненулевой шанс на выигрыш вплоть до долларов. Выбор одной из этих альтернатив лежит за рамками этой книги; все, что мы можем сделать здесь,- это объяснить, как произвести подсчеты.
В действительности имеется более простой способ вычисления дисперсии, чем прямое использование определения (8.13). (Есть все основания подозревать здесь какую-то скрытую от глаз математику; иначе с чего бы дисперсия в лотерейных примерах оказалась целым кратным Имеем
поскольку - константа; следовательно,
„Дисперсия есть среднее значение квадрата минус квадрат среднего значения"
Например, в задаче про лотерею средним значением оказывается или Вычитание (квадрата среднего) дает результаты, которые мы уже получили ранее более трудным путем.
Есть, однако, еще более простая формула, применимая, когда мы вычисляем для независимых X и Y. Имеем
поскольку, как мы знаем, для независимых случайных величин Следовательно,
„Дисперсия суммы независимых случайных величин равняется сумме их дисперсий" Так, например, дисперсия суммы, которую можно выиграть на один лотерейный билет, равняется
Следовательно, дисперсия суммарного выигрыша по двум лотерейным билетам в двух различных (независимых) лотереях составит Соответствующее значение дисперсии для независимых лотерейных билетов будет
Дисперсия суммы очков, выпавших на двух кубиках, может быть получена по той же формуле, поскольку есть сумма двух независимых случайных величин. Имеем
для правильного кубика; следовательно, случае смещенного центра масс
следовательно, если у обоих кубиков центр масс смещен. Заметьте, что в последнем случае дисперсия больше, хотя принимает среднее значение 7 чаще, чем в случае правильных кубиков. Если наша цель - выбросить побольше приносящих удачу семерок, то дисперсия - не лучший показатель успеха.
Ну хорошо, мы установили, как вычислить дисперсию. Но мы пока не дали ответа на вопрос, почему надо вычислять именно дисперсию. Все так делают, но почему? Основная причина заключается в неравенстве Чебышева которое устанавливает важное свойство дисперсии:
(Это неравенство отличается от неравенств Чебышёва для сумм, встретившихся нам в гл. 2.) На качественном уровне (8.17) утверждает, что случайная величина X редко принимает значения, далекие от своего среднего если ее дисперсия VX мала. Доказательство
тельство необычайно просто. Действительно,
деление на завершает доказательство.
Если мы обозначим математическое ожидание через а стандартное отклонение - через а и заменим в (8.17) на то условие превратится в следовательно, мы получим из (8.17)
Таким образом, X будет лежать в пределах -кратного стандартного отклонения от своего среднего значения за исключением случаев, вероятность которых не превышает Случайная величина будет лежать в пределах 2а от по крайней мере для 75% испытаний; в пределах от до - по крайней мере для 99%. Это случаи неравенства Чебышёва.
Если бросить пару кубиков раз, то общая сумма очков во всех бросаниях почти всегда, при больших будет близка к Причина этого следующая: дисперсия независимых бросаний составит Дисперсия в означает стандартное отклонение всего
Поэтому из неравенства Чебышёва получаем, что сумма очков будет лежать между
по крайней мере для 99% всех бросаний правильных кубиков. Например, итог миллиона бросаний с вероятностью более 99% будет заключен между 6.976 млн и 7.024 млн.
В общем случае, пусть X - любая случайная величина на вероятностном пространстве П, имеющая конечное математическое ожидание и конечное стандартное отклонение а. Тогда можно ввести в рассмотрение вероятностное пространство Пп, элементарными событиями которого являются -последовательности где каждое , а вероятность определяется как
Если теперь определить случайные величины формулой
то величина
будет суммой независимых случайных величин, которая соответствует процессу суммирования независимых реализаций величины X на П. Математическое ожидание будет равно а стандартное отклонение - ; следовательно, среднее значение реализаций,
будет лежать в пределах от до по крайней мере в 99% временного периода. Иными словами, если выбрать достаточно большое то среднее арифметическое независимых испытаний будет почти всегда очень близко к ожидаемому значению (В учебниках теории вероятностей доказывается еще более сильная теорема, называемая усиленным законом больших чисел; но нам достаточно и простого следствия неравенства Чебышёва, которое мы только что вывели.)
Иногда нам не известны характеристики вероятностного пространства, но требуется оценить математическое ожидание случайной величины X при помощи повторных наблюдений ее значения. (Например, нам могла бы понадобиться средняя полуденная температура января в Сан-Франциско; или же мы хотим узнать ожидаемую продолжительность жизни, на которой должны основывать свои расчеты страховые агенты.) Если в нашем распоряжении имеются независимые эмпирические наблюдения то мы можем предположить, что истинное математическое ожидание приблизительно равно
Можно оценить и дисперсию, используя формулу
Глядя на эту формулу, можно подумать, что в ней - типографская ошибка; казалось бы, там должно стоять как в (8.19), поскольку истинное значение дисперсии определяется в (8.15) через ожидаемые значения. Однако замена здесь на позволяет получить лучшую оценку, поскольку из определения (8.20) вытекает, что
Вот доказательство:
(В этой выкладке мы опираемся на независимость наблюдений, когда заменяем на )
На практике для оценки результатов эксперимента со случайной величиной X обычно вычисляют эмпирическое среднее и эмпирическое стандартное отклонение после чего записывают ответ в виде Вот, например, результаты бросаний пары кубиков, предположительно правильных.
Случайные величины помимо законов распределения могут описываться также числовыми характеристиками .
Математическим ожиданием М (x) случайной величины называется ее среднее значение.
Математическое ожидание дискретной случайной величины вычисляется по формуле
где – значения случайной величины, р i - ихвероятности.
Рассмотрим свойства математического ожидания:
1. Математическое ожидание константы равно самой константе
2. Если случайную величину умножить на некоторое число k, то и математическое ожидание умножится на это же число
М (kx) = kМ (x)
3. Математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме их математических ожиданий
М (x 1 + x 2 + … + x n) = М (x 1) + М (x 2) +…+ М (x n)
4. М (x 1 - x 2) = М (x 1) - М (x 2)
5. Для независимых случайных величин x 1 , x 2 , … x n математическое ожидание произведения равно произведению их математических ожиданий
М (x 1 , x 2 , … x n) = М (x 1) М (x 2) … М (x n)
6. М (x - М (x)) = М (x) - М (М(x)) = М (x) - М (x) = 0
Вычислим математическое ожидание для случайной величины из Примера 11.
М (x) = = 
.
Пример 12. Пусть случайные величины x 1 , x 2 заданы соответственно законами распределения:
x 1 Таблица 2
x 2 Таблица 3
Вычислим М (x 1) и М (x 2)
М (x 1) = (- 0,1) 0,1 + (- 0,01) 0,2 + 0 · 0,4 + 0,01 · 0,2 + 0,1 · 0,1 = 0
М (x 2) = (- 20) 0,3 + (- 10) 0,1 + 0 · 0,2 + 10 · 0,1 + 20 · 0,3 = 0
Математические ожидания обеих случайных величин одинаковы- они равны нулю. Однако характер их распределения различный. Если значения x 1 мало отличаются от своего математического ожидания, то значения x 2 в большой степени отличаются от своего математического ожидания, и вероятности таких отклонений не малы. Эти примеры показывают, что по среднему значению нельзя определить, какие отклонения от него имеют место как в меньшую, так и в большую сторону. Так при одинаковой средней величине выпадающих в двух местностях осадков за год нельзя сказать, что эти местности одинаково благоприятны для сельскохозяйственных работ. Аналогично по показателю средней заработной платы не возможно судить об удельном весе высоко- и низкооплачиваемых работниках. Поэтому, вводится числовая характеристика – дисперсия D (x) , которая характеризует степень отклонения случайной величины от своего среднего значения:
D (x) = M (x - M (x)) 2 . (2)
Дисперсия –это математическое ожидание квадрата отклонения случайной величины от математического ожидания. Для дискретной случайной величины дисперсия вычисляется по формуле:
D (x) = 
= 
(3)
Из определения дисперсии следует, что D (x) 0.
Свойства дисперсии:
1. Дисперсия константы равна нулю
2. Если случайную величину умножить на некоторое число k , то дисперсия умножится на квадрат этого числа
D (kx) = k 2 D (x)
3. D (x) = М (x 2) – М 2 (x)
4. Для попарно независимых случайных величин x 1 , x 2 , … x n дисперсия суммы равна сумме дисперсий.
D (x 1 + x 2 + … + x n) = D (x 1) + D (x 2) +…+ D (x n)
Вычислим дисперсию для случайной величины из Примера 11.
Математическое ожидание М (x) = 1. Поэтому по формуле (3) имеем:
D (x) = (0 – 1) 2 ·1/4 + (1 – 1) 2 ·1/2 + (2 – 1) 2 ·1/4 =1·1/4 +1·1/4= 1/2
Отметим, что дисперсию вычислять проще, если воспользоваться свойством 3:
D (x) = М (x 2) – М 2 (x).
Вычислим дисперсии для случайных величин x 1 , x 2 из Примера 12 по этой формуле. Математические ожидания обеих случайных величин равны нулю.
D (x 1) = 0,01· 0,1 + 0,0001· 0,2 + 0,0001· 0,2 + 0,01· 0,1 = 0,001 + 0,00002 + 0,00002 + 0,001 = 0,00204
D (x 2) = (-20) 2 · 0,3 + (-10) 2 · 0,1 + 10 2 · 0,1 + 20 2 · 0,3 = 240 +20 = 260
Чем ближе значение дисперсии к нулю, тем меньше разброс случайной величины относительно среднего значения.
Величина называется среднеквадратическим отклонением . Модой случайной величины x дискретного типа Md называется такое значение случайной величины, которому соответствует наибольшая вероятность.
Модой случайной величины x непрерывного типа Md , называется действительное число, определяемое как точка максимума плотности распределения вероятностей f(x).
Медианой случайной величины x непрерывного типа Mn называется действительное число, удовлетворяющее уравнению
Математическое ожидание – это среднее значение случайной величины.Математическим ожиданием дискретной случайной величины называют сумму произведений всех ее возможных значений на их вероятности:
Пример.
X -4 6 10
р 0,2 0,3 0,5
Решение: Математическое ожидание равно сумме произведений всех возможных значений X на их вероятности:
М (X) = 4*0,2 + 6*0,3 +10*0,5 = 6.
Для вычисления математического ожидания удобно расчеты проводить в Excel (в особенности когда данных много), предлагаем воспользоваться готовым шаблоном ().
Пример для самостоятельного решения (можете применить калькулятор).
Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X, заданной законом распределения:
X 0,21 0,54 0,61
р 0,1 0,5 0,4
Математическое ожидание обладает следующими свойствами.
Свойство 1. Математическое ожидание постоянной величины равно самой постоянной: М(С)=С.
Свойство 2. Постоянный множитель можно выносить за знак математического ожидания: М(СХ)=СМ(Х).
Свойство 3. Математическое ожидание произведения взаимно независимых случайных величин равно произведению математических ожиданий сомножителей: М (Х1Х2 ...Хп)=М (X1) М {Х2)*. ..*М (Xn)
Свойство 4. Математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме математических ожиданий слагаемых: М(Хг + Х2+...+Хn) = М{Хг)+М(Х2)+…+М(Хn).
Задача 189. Найти математическое ожидание случайной вели чины Z, если известны математические ожидания X н Y: Z = X+2Y, M(X) = 5, M(Y) = 3;
Решение: Используя свойства математического ожидания (математическое ожидание суммы равно сумме математических ожиданий слагаемых; постоянный множитель можно вынести за знак математического ожидания), получим M(Z)=M(X + 2Y)=M(X) + M(2Y)=M(X) + 2M(Y)= 5 + 2*3 = 11.
190. Используя свойства мaтематического ожидания, доказать, что: а) М(Х - Y) = M(X)-М (Y); б) математическое ожидание отклонения X-M(Х) равно нулю.
191. Дискретная случайная величина X принимает три возможных значения: x1= 4 С вероятностью р1 = 0,5; xЗ = 6 С вероятностью P2 = 0,3 и x3 с вероятностью р3. Найти: x3 и р3, зная, что М(Х)=8.
192. Дан перечень возможных значений дискретной случайной величины X: x1 = -1, х2 = 0, x3= 1 также известны математические ожидания этой величины и ее квадрата: M(Х) = 0,1, М(Х^2)=0,9. Найти вероятности p1, p2,p3 соответствующие возможным значениям xi
194. В партии из 10 деталей содержится три нестандартных. Наудачу отобраны две детали. Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X - числа нестандартных деталей среди двух отобранных.
196. Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X-числа таких бросаний пяти игральных костей, в каждом из которых на двух костях по
явится по одному очку, если общее число бросаний
равно двадцати.
Математическое ожидание биномиального распределения равно произведению числа испытаний на вероятность появления события в одном испытании:
Понятие математического ожидания можно рассмотреть на примере с бросанием игрального кубика. При каждом броске фиксируются выпавшие очки. Для их выражения используются натуральные значения в диапазоне 1 – 6.
После определенного количества бросков при помощи не сложных расчетов можно найти среднее арифметическое значение выпавших очков.
Также, как и выпадение любого из значений диапазона, эта величина будет случайной.
А если увеличить количество бросков в несколько раз? При больших количествах бросков среднее арифметическое значение очков будет приближаться к конкретному числу, получившему в теории вероятностей название математического ожидания.
Итак, под математическим ожиданием понимается среднее значение случайной величины. Данный показатель может представляться и в качестве взвешенной суммы значений вероятной величины.
Это понятие имеет несколько синонимов:
- среднее значение;
- средняя величина;
- показатель центральной тенденции;
- первый момент.
Иными словами, оно является ничем иным как числом вокруг которого распределяются значения случайной величины.
В различных сферах человеческой деятельности подходы к пониманию математического ожидания будут несколько отличаться.
Оно может рассматриваться как:
- средняя выгода, полученная от принятия какого-то решения, в том случае, когда такое решение рассматривается с точки зрения теории больших чисел;
- возможная сумма выигрыша либо проигрыша (теория азартных игр), рассчитанная в среднем для каждой из ставок. На сленге они звучат как «преимущество игрока» (позитивно для игрока) либо «преимущество казино» (негативно для игрока);
- процент прибыли, полученной от выигрыша.
Матожидание не является обязательным для абсолютно всех случайных величин. Оно отсутствует для тех у которых наблюдается расхождение соответствующей суммы или интеграла.
Свойства математического ожидания
Как и любому статистическому параметру, математическому ожиданию присущи свойства:
Основные формулы для математического ожидания
Вычисление математического ожидания может выполняться как для случайных величин, характеризующихся как непрерывностью (формула А), так и дискретностью (формула Б):
- M(X)=∑i=1nxi⋅pi, где xi – значения случайной величины, pi – вероятности:
- M(X)=∫+∞−∞f(x)⋅xdx, где f(x) – заданная плотность вероятностей.
Примеры вычисления математического ожидания
Пример А.
Можно ли узнать средний рост гномов в сказке о Белоснежке. Известно, что каждый из 7 гномов имел определенный рост: 1,25; 0,98; 1,05; 0,71; 0,56; 0,95 и 0,81 м.
Алгоритм вычислений достаточно прост:
- находим сумму всех значений показателя роста (случайная величина):
1,25+0,98+1,05+0,71+0,56+0,95+ 0,81 = 6,31; - полученную сумму делим на количество гномов:
6,31:7=0,90.
Таким образом, средний рост гномов в сказке равен 90 см. Иными словами таково математическое ожидание роста гномов.
Рабочая формула — М(х)=4 0,2+6 0,3+10 0,5=6
Практическая реализация математического ожидания
К вычислению статистического показателя математического ожидания прибегают в различных сферах практической деятельности. В первую очередь речь идет о коммерческой сфере. Ведь введение Гюйгенсом этого показателя связано с определением шансов, которые могут быть благоприятными, либо напротив неблагоприятными, для какого-то события.
Этот параметр широко применяется для оценки рисков, особенно если речь идет о финансовых вложениях.
Так, в предпринимательстве расчет математического ожидания выступает в качестве метода для оценивания риска при расчете цен.
Также данный показатель может использоваться при расчете эффективности проведения тех или иных мероприятий, например, по охране труда. Благодаря ему можно вычислить вероятность наступления события.
Еще одна сфера применения данного параметра – менеджмент. Также он может рассчитываться при контроле качества продукции. Например, при помощи мат. ожидания можно рассчитать возможное количество изготовления бракованных деталей.
Незаменимым мат.ожидание оказывается и при проведении статистической обработки полученных в ходе научных исследований результатов. Он позволяет рассчитать и вероятность проявления желательного либо нежелательного исхода эксперимента или исследования в зависимости от уровня достижения поставленной цели. Ведь ее достижение может ассоциироваться с выигрышем и выгодой, а ее не достижение – в качестве проигрыша либо убытка.
Использование математического ожидания на Форекс
Практическое применение данного статистического параметра возможно при проведении операций на валютном рынке. С его помощью можно осуществлять анализ успешности торговых сделок. При чем увеличение значения ожидания свидетельствует об увеличении их успешности.
Также важно помнить, что математическое ожидание не должно рассматриваться в качестве единственного статистического параметра используемого для анализа работы трейдера. Использование нескольких статистических параметров наряду со средним значением повышает точность проводимого анализа в разы.
Данный параметр хорошо зарекомендовал себя при мониторинговых наблюдениях за торговыми счетами. Благодаря ему выполняется быстрая оценка работ, осуществляемых на депозитном счете. В тех случаях, когда деятельность трейдера удачна и он избегает убытков, пользоваться исключительно расчетом математического ожидания не рекомендуется. В этих случаях не учитываются риски, что снижает эффективность анализа.
Проведенные исследования тактик трейдеров свидетельствуют о том, что:
- наиболее эффективными оказываются тактики, базирующиеся на случайном входе;
- наименее эффективны – тактики, базирующиеся на структурированных входах.
В достижении позитивных результатов не менее важны:
- тактика управления капиталом;
- стратегии выходов.
Используя такой показатель как математическое ожидание можно предположить каким будет прибыль либо убыток при вложении 1 доллара. Известно, что этот показатель, рассчитанный для всех игр, практикуемых в казино, в пользу заведения. Именно это позволяет зарабатывать деньги. В случае длинной серии игр вероятность потери денег клиентом существенно возрастает.
Игры профессиональных игроков ограничены небольшими временными промежутками, что увеличивает вероятность выигрыша и снижает риск проигрыша. Такая же закономерность наблюдается и при выполнении инвестиционных операций.
Инвестор может заработать значительную сумму при положительном ожидании и совершении большого количества сделок за небольшой временной промежуток.
Ожидание может рассматриваться как разница между произведением процента прибыли (PW) на среднюю прибыль (AW) и вероятность убытка (PL) на средний убыток (AL).
В качестве примера можно рассмотреть следующий: позиция – 12,5 тыс. долларов, портфель — 100 тыс. долларов, риск на депозит – 1%. Прибыльность сделок составляет 40% случаев при средней прибыли 20%. В случае убытка средние потери составляют 5%. Расчет математического ожидания для сделки дает значение в 625 долларов.
