Теоретическая дисперсия дискретной случайной переменной

Теоретическая дисперсия является мерой разброса для вероятностного распределения. Она определяется как математическое ожидание квадрата разности между величиной x и ее средним, т.е. величины , где – математическое ожидание x. Дисперсия обычно обозначается как или , и если ясно, о какой переменной идет речь, то нижний индекс может быть опущен:

. (8)

Из можно получить – среднее квадратическое отклонение – столь же распространенную меру разброса для распределения вероятностей; среднее квадратическое отклонение случайной переменной есть квадратный корень из ее дисперсии.

Проиллюстрируем расчет дисперсии на примере с одной игральной костью. Поскольку , то в этом случае равно . Мы рассчитаем математическое ожидание величины , используя схему, представленную в табл. 5. Дополнительный столбец представляет определенный этап расчета . Суммируя последний столбец в табл. 5, получим значение дисперсии , равное 2,92. Следовательно, стандартное отклонение ( ) равно , то есть 1,71.

Таблица 5

1/6 –2,5 6,25 1,042
1/6 –1,5 2,25 0,375
1/6 –0,5 0,25 0,042
1/6 0,5 0,25 0,042
1/6 1,5 2,25 0,375
1/6 2,5 6,25 1,042
Всего 2,92

Одним из важных приложений правил расчета математического ожидания является формула расчета теоретической дисперсии случайной переменной, которая может быть записана как

. (9)

Это выражение иногда оказывается более удобным, чем первоначальное определение.

Вероятность в случае непрерывной случайной величины

С дискретными случайными переменными легко обращаться, поскольку они по определению принимают значения из некоторого конечного набора. Каждое из этих значений связано с определенной вероятностью, характеризующей его «вес». Если эти «веса» известны, то не составит труда рассчитать теоретическое среднее (математическое ожидание) и дисперсию.

Можно представить указанные «веса» как определенные количества «пластичной массы», равные вероятностям соответствующих значений. Сумма вероятностей и, следовательно, суммарный «вес» этой «массы» равен единице. Это показано на рис. 1 для примера, где величина есть сумма очков, выпавших при бросании двух игральных костей. Величина принимает значения от 2 до 12, и для всех этих значений показано количество соответствующей «массы».

Рис. 1.

К сожалению, часто проводится анализ для непрерывных случайных величин, которые могут принимать бесконечное число значений. Поскольку невозможно представить себе «пластичную массу», разделенную на бесконечное число частей, используем далее другой подход.

Проиллюстрируем наши рассуждения на примере температуры в комнате. Для определенности предположим, что она меняется в пределах от 55 до 75° по Цельсию, и вначале допустим, что все значения в этом диапазоне равновероятны.

Поскольку число различных значений, принимаемых показателем температуры, бесконечно, здесь бессмысленно пытаться разделить «пластичную массу» на малые части. Вместо этого можно «размазать» ее по всему диапазону. Поскольку все температуры от 55 до 75°C равновероятны, она должна быть «размазана» равномерно, как это показано на рис. 2.

Рис. 2.

В этом примере, как и во всех остальных, будем полагать, что «пластичная масса размазана» на единичной площади. Это связано с тем, что совокупная вероятность всегда равняется единице. В данном случае наша «масса» покрыла прямоугольник, и поскольку основание этого прямоугольника равно 20, его высота h определяется из соотношения:

, (10)

так как произведение основания и высоты равно площади. Следовательно, высота равна 0,05, как это показано на рисунке.

Найдя высоту прямоугольника, мы можем ответить на вопросы типа: с какой вероятностью температура будет находиться в диапазоне от 65 до 70°C? Ответ определяется величиной «замазанной» площади (или, говоря более формально, совокупной вероятностью), лежащей в диапазоне от 65 до 70°C, представленной заштрихованной фигурой на рис. 3. Основание заштрихованного прямоугольника равно 5, его высота равна 0,05 и, соответственно, площадь – 0,25. Искомая вероятность равна 1/4, что в любом случае очевидно, поскольку промежуток от 65 до 70°C составляет 1/4 всего диапазона.

Рис. 3.

Высота заштрихованной площади представляет то, что формально называется плотностью вероятности в этой точке, и если эта высота может быть записана как функция значений случайной переменной, то эта функция называется функцией плотности вероятности. В нашем примере она записывается как , где x – температура, и

. (11)

В качестве первого приближения функция плотности вероятности показывает вероятность нахождения случайной переменной внутри единичного интервала вокруг данной точки. В нашем примере эта функция всюду равна 0,05, откуда вытекает, что температура находится, например, между 60 и 61°C с вероятностью 0,05.

В нашем случае график функции плотности вероятности горизонтален, и ее указанная интерпретация точна, однако в общем случае эта функция непрерывно меняется, и ее интерпретация дает лишь приближение. Рассмотрим пример, когда эта функция непостоянна, поскольку не все температуры равновероятны. Предположим, что температура никогда не падает ниже 65°C, а в жаркие дни температура превосходит этот уровень, не превышая, как и ранее, 75°C. Будем считать, что плотность вероятности максимальна при температуре 65°C и далее она равномерно убывает до нуля при 75°C (рис. 4).

Рис. 4.

Общая «замазанная» площадь, как всегда, равна единице, поскольку совокупная вероятность равна единице. Площадь треугольника равна половине произведения основания на высоту, поэтому получаем:

, (12)

и высота при 65°C равна 0,20.

Предположим, что мы хотим знать вероятность нахождения температуры в промежутке между 65 и 70°C. Она представлена заштрихованной площадью на рис. 5, и она равна 0,75. Это означает, что с вероятностью 75% температура попадет в диапазон 65-70°C и только с вероятностью 25% – в диапазон 70-75°C.

Рис. 5.

В данном случае функция плотности вероятности записывается как , где

. (13)