Производящие функции как найти по графику

Производящие функции:

Пусть дискретная случайная величина Х имеет закон распределения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Функция

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

называется производящей функцией этого распределения.

Заметим, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Напомним:

1) Начальным моментом порядка Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения называется математическое ожидание Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения-й степени случайной величины

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Само математическое ожидание является начальным моментом первого порядка.

2) Центральным моментом Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения-го порядка называется математическое ожидание Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения-й степени соответствующей центрированной случайной величиныПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Дисперсия является центральным моментом второго порядка Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

3) Асимметрией распределения называется отношение центрального момента третьего порядка к кубу среднего квадратического отклонения случайной величины: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Если распределение симметрично, то Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения На рис. 2.17.1 слева (в качестве примера закона равпределения с положительной асимметрией) изображен многоугольник распределения для биномиального закона распределения приПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения В правой части рис. 2.17.1 приведен пример закона распределения с отрицательной асимметрией (биномиальный закон при Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

4) Для нормального закона распределения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Безразмерный коэффициент Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения называется эксцессом. Этот коэффициент характеризует «островерхость» распределения в сравнении с нормальным законом распределения. Например, если говорить о функциях плотности вероятности, то при Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения график функции плотности вероятности более островерхий, чем график кривой нормального распределения (см. левую часть рис 2.17.2). При Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения график плотности вероятности имеет более плоскую вершину, нежели нормальная кривая при тех же математическом ожидании и дисперсии (см. правую часть рис. 2.17.2).Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Через производящую функцию можно выразить и другие начальные и центральные моменты случайной величины. Выразим через производящую функцию, например, дисперсию. Так какПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

то 

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Сформируем в правой части последнего равенства дисперсию. Для этого прибавим и отнимем квадрат математического ожидания: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Величина Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения равна дисперсии. ПоэтомуПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Аналогично

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Итак, при z =1 имеем

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

откуда

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

а с учетом (2.17.2) Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пусть Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Рассмотрим модифицированную производящую функцию Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

С помощью этой функции можно вычислять сразу центральные моменты случайной величины. Например

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

откуда

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Пусть Х имеет пуассоновский закон распределения:Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Требуется найти математическое ожидание, дисперсию и коэффициент асимметрии этой случайной величины.

Решение. Производящая функция пуассоновского распределения имеет видПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Заметим, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Поэтому Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и, в соответствии с (2.17.3),

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Для вычисления коэффициента асимметрии составим модифицированную производящую функцию. Так как Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения то Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Тогда

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения 

Поэтому по формуле (2.17.5) имеем Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

В итоге Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Ответ. Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Пусть Х имеет закон распределенияПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

(Это частный случай отрицательного биномиального распределения или распределения Паскаля с параметрами 2 и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения). Требуется найти Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и коэффициент асимметрии Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Решение. Составим производящую функциюПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Для вычисления суммы ряда в скобке рассмотрим сумму рядаПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

который абсолютно сходится при Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Легко видеть, что нас интересует Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Проинтегрируем почленно ряд (2.17.6) внутри его области сходимости: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

В последней строке мы воспользовались формулой суммы бесконечной убывающей прогрессии:

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Отсюда Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Откуда Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Воспользуемся теперь производящей функцией (2.17.7) для вычисления числовых характеристик случайной величины X:

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

откуда следует, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

По формуле (2.17.3)

  Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решенияПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Далее 

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

По формуле (2.17.4) вычисляем Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Так как

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

то с учетом (2.17.8) и (2.17.9) имеем

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Учитывая это получаем значение коэффициента асимметрии Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Ответ. Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Преобразование Лапласа

Для непрерывной и неотрицательной случайной величины роль производящей функции может играть преобразование Лапласа.

Пусть Х – непрерывная, неотрицательная случайная величина с функцией распределения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения. Тогда Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

называется преобразованием Лапласа для этого распределения. (Фактически роль величины z в формуле (2.17.1) играет величина Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения. Преимущество такого выбора состоит в том, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения.)

Отметим, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Поэтому Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения а Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Производная любого порядка от преобразования Лапласа связана с начальными моментами случайной величины соотношением Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

где Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения – так называемая гамма-функция Эйлера, которая при целых положительных a принимает значения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Случайная величина X имеет функцию плотности вероятности

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

(гамма-распределение с параметрами Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения). Требуется найти Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и коэффициент асимметрии Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Решение. Соответствующее преобразование Лапласа имеет вид Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

(интегрируем по частям)

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

(первое слагаемое в скобке равно нулю, так как Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения с увеличением Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения убывает быстрее, чем растет Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения)

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

(интегрируем еще раз по частям)

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Вычислим начальные моменты распределения:

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

поэтому

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Далее

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Вычислим центральный момент третьего порядка: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Поэтому

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Ответ. Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Пусть Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения – последовательность независимых неотрицательных одинаково распределенных случайных величин с функцией плотности вероятности Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения И пусть N – неотрицательная целочисленная случайная величина, независящая от величин Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и имеющая пуассоновский закон распределения с параметром Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Для случайной величины Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения требуется найти Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Решение. Производящая функция пуассоновского закона распределения равна Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Преобразование Лапласа показательного распределения равноПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Поэтому по формуле (2.17.14) имеемПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Так как Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения а Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

то 

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Ответ. Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Характеристические функции

Замена z на Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения в определении производящей функции позволила рассматривать непрерывные неотрицательные величины. Выгода от такой замены состоит в мультипликативном свойстве: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Таким же свойством обладает и показательная функция чисто мнимого аргумента, которая для действительных x определяется равенством:

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Характеристической функцией Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения случайной величины X называется комплексно-значная функция, определенная при Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения соотношением

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Если Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения – функция распределения случайной величины X, то Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Существование интеграла, определяющего характеристическую функцию, вытекает из непрерывности функции Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и ее ограниченности: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Для дискретной случайной величины X с возможными значениями Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и их вероятностями Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения запись (2.17.15) расшифровывается как Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Для непрерывной случайной величины X с функцией плотности вероятности Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения 

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Пусть случайная величина X имеет пуассоновский закон распределения, т.е.Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Тогда по формуле (2.17.11)Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Пусть Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Тогда в соответствии с формулой (2.17.12) Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Вместо непосредственного вычисления интеграла, которое требует специальной математической техники, найдем его величину косвенным способом. Заметим, что

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Полученный интеграл берем по частям, полагая Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

(первое слагаемое равно нулю так как Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения а Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения).

В итоге для искомой характеристической функции получаем уравнение, которое при начальном условии Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет решение Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Подобным же образом можно показать, что закон распределения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет характеристическую функциюПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Свойства характеристических функций.

1. Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения для всех вещественных Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

2. Если существует Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения– момент порядка Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения то функцияПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения непрерывных производных и

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

3. Пусть Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения где Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения – постоянные величины, а X имеет характеристическую функцию Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Тогда характеристическая функция случайной величины Y имеет вид Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

4. Характеристическая функция однозначно определяет распределение случайной величины.

5. Если X1 и X2 – независимые случайные величины, а Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения – их характеристические функции, то характеристическая функция суммы Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения равна произведению характеристических функций слагаемых:Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Это следует из того, что в силу независимости слагаемых Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Можно показать, что для любого конечного числа независимых случайных величин Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения характеристическая функция их суммы Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения равна произведению характеристических функций слагаемых.

Пример:

Случайные величины X и Y независимы и имеют пуассоновские законы распределения с параметрами Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения соответственно: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Требуется найти закон распределения случайной величины Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения.

Решение. Согласно формуле (2.17.18) характеристические функции случайных величин X и Y имеют вид: Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Сумме независимых случайных величин соответствует произведение характеристических функций слагаемых. Поэтому Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет характеристическую функцию Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Ответ. Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет пуассоновский закон распределения с параметром Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Полученный результат известен как факт устойчивости пуассоновского закона распределения. Этот результат можно обобщить на сумму любого конечного числа пуассоновских случайных величин.

Теорема. Если случайные величины Х1 и Х2 независимы и имеют соответственно нормальные законы распределения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения то их сумма Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решенияимеет тоже нормальный закон распределения

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Доказательство. Пусть Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Их характеристические функции в соответствии с формулой (2.17.15) имеют вид Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Тогда характеристическая функция суммы Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения:Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

А это и означает, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Случайная величина Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет закон распределения.Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Требуется найти характеристическую функцию этой случайной величины. Используя свойства характеристических функций, найти характеристическую функцию случайной величины Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения полагая слагаемые независимыми. Используя запись характеристической функции, найти Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Решение. По формуле (2.17.16)Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Поэтому характеристическая функция случайной величины Y имеет видПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Для вычисления Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения находим Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Последнее выражение при Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения равно нулю. По свойству 2 это означает, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Так как вторая производная характеристической функции по z равнаПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

при Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения равна Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения то из свойства 2 следует, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решенияПоэтому

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

ОтветПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Требуется найти характеристическую функцию случайной величины Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения где все Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеют закон распределения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения независимы в совокупности. С помощью характеристической функции найти Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Решение. Найдем сначала характеристическую функцию для Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения В соответствии с формулой (2.17.7)

 Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

После замены переменных Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения получаемПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

так как Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Из свойства 5 характеристических функций следует, что случайная величина Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет характеристическую функциюПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Для вычисления числовых характеристик случайной величины Y найдем сначала первую и вторую производные характеристической функции при Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Это означает, что Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Ответ. Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Пример:

Случайная величина Х имеет функцию плотности вероятностиПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Требуется найти характеристическую функцию этой случайной величины и ее Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения и Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Требуется также найти характеристическую функцию случайной величины Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения где величины Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения независимы и имеют распределение (2.17.21).

Решение. Найдем сначала характеристическую функцию:Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

(так как Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения то равенство можно продолжить следующим образом)Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Тогда Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Откуда Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решенияПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения поэтому Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Характеристическая функция случайной величины Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решенияПроизводящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения имеет вид:Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

Ответ.  Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения Производящие функции в теории вероятностей - определение и вычисление с примерами решения

  • Теоремы теории вероятностей
  • Основные законы распределения дискретных случайных величин
  • Непрерывные случайные величины
  • Закон больших чисел
  • Центральная предельная теорема
  • Ковариация в теории вероятности
  • Функциональные преобразования двухмерных случайных величин
  • Правило «трех сигм» в теории вероятности
Определение:
Производящая функция (англ. generating function) — это формальный степенной ряд вида , порождающий (производящий) последовательность .

Метод производящих функций был разработан Эйлером в 1750-х годах.

Содержание

  • 1 Применение
  • 2 Примеры производящих функций
  • 3 Примеры решений задач методом производящих функций
    • 3.1 Решение рекуррентных соотношений
    • 3.2 Расчет дисперсии геометрического распределения
    • 3.3 Пример задачи на нахождение производящей функции
  • 4 Приложения
    • 4.1 Примеры простых производящих функций
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Источники информации

Применение

Производящая функция используется для:

  • Компактной записи информации о последовательности.
  • Нахождения зависимости для последовательности , заданной рекуррентным соотношением. Например, для чисел Фибоначчи.
  • Нахождения рекуррентного соотношения для последовательности — вид производящей функции может помочь найти формулу.
  • Исследования асимптотического поведения последовательности.
  • Доказательства тождеств с последовательностями.
  • Решения задачи подсчета объектов в комбинаторике. Например, в доказательстве пентагональной теоремы или в задаче нахождения количества расстановок ладей на доске .
  • Вычисления бесконечных сумм.

Примеры производящих функций

Рассмотрим производящие функции для различных комбинаторных последовательностей:

  • — производящая функция для разности количества разбиений числа в четное и нечетное число различных слагаемых. Например, коэффициент при равен , потому что существует два разбиения на четное число различных слагаемых и одно на нечетное (). Правильность этого легко осознать, если понять, что каждая скобка представляет какое-то слагаемое и мы можем его взять (второе слагаемое — ) или не взять (первое — ). Эта производящая функция используется в комбинаторном доказательстве пентагональной теоремы.
  • — производящая функция для последовательности , где — число разбиений числа на слагаемые.
  • — производящая функция для последовательности , где — число разбиений на различные слагаемые.
  • — производящая функция для последовательности , где — число разбиений на нечётные слагаемые. С помощью метода производящих функций можно доказать, что производящие функции последовательностей равны, соответственно :

Примеры решений задач методом производящих функций

Решение рекуррентных соотношений

Существует целый класс последовательностей, задаваемых рекуррентным соотношением, например, — числа Фибоначчи или —
числа Каталана. Метод производящих функций позволяет получить выражение для через номер элемента в последовательности в замкнутом виде, то есть в таком виде, что выражение можно вычислить, предполагая, что достаточно мало.

Пусть последовательность удовлетворяет некоторому рекуррентному соотношению. Мы хотим получить выражение для (при ) в замкнутом виде. Алгоритм получения замкнутого выражения для чисел , удовлетворяющих рекуррентному соотношению, с помощью производящих функций состоит из 4 шагов:

  1. Записать рекуррентное соотношение и начальные данные для него в следующем виде (если порядок соотношения равен , то есть количество предшествующих элементов, требуемых для вычисления элемента с номером , равно ):
  2. Домножить каждую строчку на в соответствующей степени и просуммировать строчки для всех .
  3. В полученном уравнении привести все суммы к замкнутому виду. Получить уравнение для производящей функции.
  4. Выразить в явном виде (решить уравнение, полученное на предыдущем шаге) и разложить производящую функцию в ряд по степеням .

Для демонстрации универсальности метода рассмотрим довольно произвольное рекуррентное соотношение:

Запишем производящую функцию для этой последовательности и преобразуем правую часть:

Для того, чтобы замкнуть последнюю сумму воспользуемся очень важным приемом, который используется при преобразовании производящих функций. Фактически мы имеем дело с последовательностью (в нашем случае последовательность ). Такая последовательность получается путём дифференцирования функции , производящей для , с последующим умножением результата на :

Тогда замкнем последнее слагаемое следующим образом:

Таким образом, наше последнее слагаемое примет вид:

Это уравнение для производящей функции. Из него выражаем :

Разложим знаменатель на множители и разобьём дробь на сумму простых дробей [1]:

Разложим первое слагаемое в ряд, используя расширенные биномиальные коэффициенты [2]:

Расчет дисперсии геометрического распределения

Метод производящих функций также используется для нахождения математического ожидания и дисперсии различных распределений в теории вероятностей. Например, в геометрическом распределении [3] для нахождения дисперсии нужно найти два мат. ожидания:

которые фактически являются производящими функциями последовательностей и :

.

Тогда:

Пример задачи на нахождение производящей функции

Задача:
Рассмотрим множество путей на прямой, состоящих из шагов длины вправо и влево. Найдите производящую функцию для числа таких путей из шагов, начинающихся в и оканчивающихся в .

Заметим, что для того, чтобы закончить путь в , необходимо совершить равное число шагов вправо и влево. Тогда задача сводится к тому, чтобы выбрать позиций для, например, шагов вправо из всего шагов. Тогда ответом будет сумма от нуля до бесконечности по всех . То есть:

Рассмотрим , где — число Каталана. Тогда, заметим что . Так как , то справедливо равенство:

Мы знаем, что производящая функция для чисел Каталана равна . Найдем .

Соответственно, ответом будет производящая функция вида:

Задача:
Рассмотрим множество путей на прямой, состоящих из шагов длины вправо и влево. Найдите производящую функцию для числа таких путей из шагов, начинающихся и оканчивающихся в и не заходящих в отрицательную полупрямую.

Заметим, что задача аналогична Правильной скобочной последовательности. Тогда производящей функцией для нашей задачи будет производящая функция для правильной скобочной последовательности, а именно:

Приложения

Примеры простых производящих функций

На последнем шаге приведения производящей функции к замкнутому виду требуется разложить полученные слагаемые в ряд. Для этого можно воспользоваться таблицей основных производящих функций [4].

Все суммы выполняются по переменной от до . Элементы последовательности нумеруются от .

Последовательность Производящая функция в виде ряда Производящая функция в замкнутом виде
( нулей в начале)
(повторяется через )

См. также

  • Производящая функция Дирихле

Примечания

  1. О разложении рациональной функции в ряд
  2. Расширенные биномиальные коэффициенты
  3. Геометрическое распределение
  4. Таблица производящих функций

Источники информации

  • Вайнштейн Ф., Разбиение чисел. Журнал «Квант» № 11, 1988 год
  • Производящие функции
  • Wikipedia — Generating function
  • Нахождение количества разбиений числа на слагаемые. Пентагональная теорема Эйлера
  • Graham, Knuth, and Patashnik: Concrete Mathematics

Обычная производящая функция — это функция вида

. Разберем на примере, как ее использовать.

Представим, что нам нужно найти, сколькими способами можно составить сумму

. При этом можно использовать по одному элементу из каждого из следующих двух наборов:

и

.

Рассмотрим два многочлена:

— это количество способов составить сумму

с помощью одного элемента из каждого набора.

Например, коэффициент

во втором многочлене равен

. Значит, существует один способ составить сумму из четырех, используя только один элемент из набора.

Теперь рассмотрим произведение многочленов:

В полиномиальном произведении

— количество способов составить сумму из

, когда берется по одному числу из каждого набора.

Разложим произведение:

Коэффициент

равен нулю при

, так как мы не можем получить сумму больше

. Если взять самые большие числа из каждого набора, то получится число

.

То же самое относится и к

. Берем самые маленькие числа из наборов и получаем

.

Когда

, коэффициент равен трем. Это означает, что есть три способа получить число

. Если c помощью формулы дистрибутивности мы развернем произведение полностью, то увидим, что три члена

получаются из произведений:

Производящая функция придает смысл коэффициенту

, но не придает смысла

. Она кодирует числа объектов с помощью формальных степенных рядов — многочленов с бесконечно большим количеством членов.

В разобранном примере можно было просто подсчитать количество способов получения числа 10 путем проверки. Но производящие функции полезны, когда многочлены выражены в более компактной форме — например, с помощью суммы геометрического ряда.

Содержание:

  1. Примеры с решением
  2. Биномиальный закон
  3. Геометрический закон
  4. Закон Пуассона

Мы видели, что дискретные случайные величины, рассмотренные в предыдущих параграфах, принимали только целые значения Производящая функция Нахождение числовых характеристик таких величин упрощается, если рассмотреть производящие функции.

Определение. Производящей функцией дискретной целочисленной случайной величины Производящая функция с законом распределения Производящая функция называется функция, заданная степенным рядом

Производящая функция

Поскольку все коэффициенты этого ряда не превосходят 1, то сравнение с геометрической прогрессией показывает, что этот ряд сходится, по крайней мере, для значений Производящая функция Из свойства закона распределения видно, что Производящая функция так что область сходимости ряда содержит точку Производящая функция

Теорема 4.4. Производящая функция суммы независимых случайных величин Производящая функция равна произведению производящих функций слагаемых

Производящая функция

Доказательство. Имеем по определению

Производящая функция

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по теории вероятности:

Примеры с решением

Пример 4.8.

Найти производящую функцию для биномиального закона.

Решение:

Если вспомнить, что формула Бернулли получается из разложения бинома, то легко сообразить, что

Производящая функция

Можно также вспомнить, что случайная величина Производящая функция распределенная по биномиальному закону, представляется в виде суммы Производящая функция независимых слагаемых — индикаторов появления события Производящая функция Очевидно, что для одного слагаемого производящая функция равна Производящая функция Теперь осталось применить (4.23).

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Пример 4.9.

Найти производящую функцию для геометрического закона распределения.

Решение:

Имеем Производящая функция поэтому

Производящая функция Данное равенство справедливо для всех значений Производящая функция удовлетворяющих неравенству Производящая функция для которых мы применили формулу суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии. Таким образом,

Производящая функция

Пример 4.10.

Найти производящую функцию для распределения Пуассона.

Решение:

Для пуассоновского закона с параметром Производящая функция имеем Производящая функцияПроизводящая функция

Поэтому

Производящая функция

причем все ряды сходятся для любых значений аргумента Производящая функция Окончательно

Производящая функция

В качестве следствия получим теорему.

Теорема 4.5. Сумма независимых случайных величин, распределенных по закону Пуассона, распределена по тому же закону.

Доказательство. Пусть Производящая функция — независимые случайные величины, распределенные по закону Пуассона с параметрами Производящая функция Тогда их производящие функции находятся по формуле (4.26):

Производящая функция

а производящая функция суммы Производящая функция находится согласно теореме 4.4

Производящая функция

Отсюда видно, что сумма будет распределена по закону Пуассона с параметром Производящая функция что и требовалось доказать.

Зная производящую функцию дискретной случайной величины Производящая функция нетрудно найти ее математическое ожидание и дисперсию.

Теорема 4.6. Для дискретной случайной величины Производящая функция с производящей функцией Производящая функция выполняются следующие соотношения:

Производящая функция

Доказательство. Дифференцируя почленно ряд (4.22) два раза, имеем

Производящая функция

Подставляя Производящая функция получим

Производящая функция

откуда легко получить формулы (4.25), (4.26).

Комбинируя полученные выражения для производящих функций биномиального, геометрического и пуассоновского законов (4.23), (4.24), (4.25) с формулами (4.26), (4.27), теперь нетрудно найти основные числовые характеристики этих законов.

Биномиальный закон

Из выражения (4.23) для производящей функции получим

Производящая функция

Подставляя Производящая функция и учитывая, что Производящая функция имеем

Производящая функция

Используя формулы (4.26), (4.27), получим

Производящая функция

откуда Производящая функция

Геометрический закон

Дифференцируя два раза производящую функцию, имеем

Производящая функция

Отсюда

Производящая функция

откуда Производящая функция что и требовалось.

Закон Пуассона

Имеем

Производящая функция

поэтому Производящая функция Подставляя найденные значения в формулы (4.26), (4.27), получим Производящая функция

Производящая функция

Производящая функция

Лекции:

  • Комбинаторные задачи: пример решения
  • Классическое определение вероятности
  • Геометрическое определение вероятности
  • Элементы комбинаторики
  • Действии над событиями
  • Количество сочетаний
  • Число сочетаний: формула, расчет
  • Сочетания с повторениями
  • Комбинаторика формулы: основные элементы
  • Элементы комбинаторики: примеры решения

Метод
рекуррентных соотношений позволяет
решать многие комбинаторные задачи. Но
в ряде случаев рекуррентные соотношения
трудно составить, а иногда ещё трудней
решить. Часто эти трудности удается
обойти, используя производящие функции.
Понятие производящей функции тесно
связано с понятием бесконечного
степенного ряда.

Здесь
необходимо знать: понятие ряда, сумма
ряда, степенной ряд, сходимость степенных
рядов, свойства сходящихся рядов,
операции над ними. Эти понятия изложены
в любом учебнике по математическому
анализу, и мы их опускаем.

Определение
1:
Пусть
дана числовая последовательность:
.
Образуем степенной ряд с этими
коэффициентами:.
Если этот ряд сходится в некоторой
области к функции,
то эту функцию называютпроизводящей
для последовательности чисел
.

Примеры: 1)
Для степенного ряда
,
члены которого можно рассматривать как
геометрическую прогрессию, знаменатель.
Значит, степенной ряд при условиисходится к своей сумме.
Таким образом, получаем:

,
если.

Значит,
функция
является производящей для последовательности
чисел(коэффициенты степенного ряда).

2) Аналогично
можно получить:

.

Значит,
функция
является производящей для последовательности
чисел.

3)
Из формулы бинома Ньютона следует:

,

т.е.
функция
является производящей для чисел вида,
где.

С
помощью последней производящей функции
можно доказать некоторые свойства чисел
,
т. е. для биномиальных коэффициентов.
Например:

;

;

(здесь
обе суммы конечны и обрываются, когда
значения
истанут больше).

Кроме того:

,

,

.

В
последнем равенстве, если
,
то считают, что.
Поэтомуменяется отдо наименьшего из чисел,
.

Последнее
равенство можно доказать следующим
образом:

,

.

Отсюда
следует: .

Применяя
в левой части формулу биному Ньютона и
раскрывая скобки в правой части,
приравниваем коэффициенты при одинаковых
степенях
,
получаем требуемую формулу.

В
частном случае, когда
,
получаем равенство:

,.

Проиллюстрируем
на примерах применение производящих
функций к решению некоторых комбинаторных
задач.

1)
Рассмотрим разбиение числа
на слагаемые, каждое из которых равно
одному из чисел.
При этом слагаемые не повторяются и их
порядок не играет роли.

Для
решения задачи рассмотрим выражение
.
Раскрывая скобки, получим слагаемые
вида,
где– некоторые из чисел.
Поэтому
встретится
в сумме столько раз, сколькими способами
можно разбить
на слагаемые требуемым образом.

Например,
если надо узнать, сколькими способами
можно заплатить 78 копеек, беря не более
одной монеты каждого достоинства, то
надо составить выражение:

,

раскрыть
скобки и найти коэффициент при слагаемом

.

2)
Если требуется разложить число
на слагаемые,
каждое из которых может встречаться в
разложении один или несколько раз, тогда
количество слагаемых в скобках
увеличивается.

Например: 1)
Сколькими способами можно заплатить
29 коп., используя монеты по 2 и 5 коп?

Т.е.
надо найти число способов разбить число
29 на слагаемые, равные 2 и 5, причем порядок
слагаемых роли не играет, и каждое
слагаемое может повторяться несколько
раз. Для этого составим выражение:

.

Ясно,
что при раскрытии скобок выражение
войдет в разложение с коэффициентом,
равным числу решений уравнения
.
В частности, коэффициент при
дает ответ на вопрос задачи.

Вместо
раскрытия скобок можно поступить иначе:
составить производящую функцию. Эта
функция представляет собой произведение
двух дробей:

.

Разделив
«уголком» числитель на знаменатель,
находим коэффициент при выражении
.

2)
Поступающий в ВУЗ должен сдать 4 экзамена,
причем для поступления достаточно
набрать 17 балов. Сколькими способами
абитуриент может сдать экзамены, чтобы
поступить в ВУЗ?

Требуется
узнать, сколькими способами можно
представить число 17 в виде суммы 4-х
слагаемых, принимающих значения 3, 4, 5,
причем здесь порядок слагаемых имеет
значение.

Для
решения этой задачи можно взять
производящую функцию
.
При раскрытии скобок каждое слагаемоевстретится столько раз, сколькими
способами можноразбить на сумму 4-х слагаемых, принимающих
значения 3, 4 и 5. При этом встречаются
члены, получаемые друг из друга
перестановкой слагаемых.

В
выражении
можно раскрыть скобки по полиномиальной
теореме, а можно следующим образом:

.

Поэтому
.

.

Перемножая
почленно эти выражения, найдем, что
коэффициент при
равен 16. Значит, разложение можно сделать
16 способами.

Между
производящими функциями и рекуррентными
соотношениями существует тесная связь.

Пусть
— производящая функция для последовательности
чисел.
Это означает, чтоявляется суммой степенного ряда:.

Пусть
– многочлены, причеми
,
значит, дробь
– правильная (в противном случае можно
выделить целую часть). Раскладывая дробь
в ряд, получим:

.

Раскрывая
скобки справа и приравнивая коэффициенты
при одинаковых степенях
,
получаем:

При


считаем, что
.
А дальше все соотношения имеют вид:,
где,
т.к.не
имеет членов степени
,
,

Таким
образом, коэффициенты ряда
,
,…
удовлетворяют рассмотренному рекуррентному
соотношению. Коэффициенты этого
соотношения зависят только от знаменателя
дроби. Числитель нужен только для
нахождения первых членоврекуррентной
последовательности.

Обратно,
если задано рекуррентное соотношение
и заданы члены
,
то, вычисляя значения,
получим производящую функциюдля последовательности чисел.

Полученную
алгебраическую дробь можно разлагать
на элементарные дроби и производить
алгебраические преобразования.

Соседние файлы в папке 26-03-2013_00-36-55

  • #
  • #
  • #
  • #

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти человека зарегистрированного в контакте
  • Как найти точку надира
  • Как исправить календарь в часах
  • Как найти своих потомков по фамилии
  • Как найти питера паркера