• Keine Ergebnisse gefunden

1.4.4 Laplace-Prinzip in kontinuierlichen Wahrscheinlichkeitsr¨aumen

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Aktie "1.4.4 Laplace-Prinzip in kontinuierlichen Wahrscheinlichkeitsr¨aumen"

Copied!
12
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

1.4.4 Laplace-Prinzip in kontinuierlichen Wahrscheinlichkeitsr¨aumen

Das folgende Beispiel zeigt, dass im kontinuierlichen Fall die Bedeutung von

”gleichwahrscheinlich“ nicht immer ganz klar sein muss.

Bertrand’sches Paradoxon

Wir betrachten einen Kreis mit einem eingeschriebenen

gleichseitigen Dreieck. Was ist die Wahrscheinlichkeit, mit der die L¨ange einer zuf¨allig gew¨ahlten Sehne die Seitenl¨ange dieses Dreiecks ¨ubersteigt (Ereignis A).

DS II 1.4 Rechnen mit kontinuierlichen Zufallsvariablen 236/247

ľErnst W. Mayr

(2)

r

2

120 Æ

M S

' S

M

DS II 1.4 Rechnen mit kontinuierlichen Zufallsvariablen 237/247

ľErnst W. Mayr

(3)

Beobachtungen:

Die Seiten des Dreiecks haben Abstand r2 vom MittelpunktM.

Die Lage jeder Sehne ist (bis auf Rotation um M) durch einen der folgenden Parameter festgelegt:

Abstanddzum Kreismittelpunkt, Winkelϕmit dem Kreismittelpunkt.

Wir nehmen f¨ur jeden dieser Parameter Gleichverteilung an und ermittelnPr[A].

1 Sei d∈[0, r]gleichverteilt. Atritt ein, wenn d < r2, und es folgt Pr[A] = 12.

2 Sei ϕ∈[0,180]gleichverteilt. F¨ur Amuss gelten ϕ∈]120,180], und es folgt somitPr[A] = 13.

DS II 1.4 Rechnen mit kontinuierlichen Zufallsvariablen 238/247

ľErnst W. Mayr

(4)

2. Wichtige stetige Verteilungen 2.1 Gleichverteilung

f(x) = ( 1

b−a f¨ur x∈[a, b], 0 sonst.

F(x) = Z x

−∞

f(t)dt=





0 f¨ur x < a,

x−a

b−a f¨ur a≤x≤b, 1 f¨ur x > b.

E[X] = a+b

2 undVar[X] = (a−b)2 12 .

DS II 2.1 Gleichverteilung 239/247

ľErnst W. Mayr

(5)

2.2 Normalverteilung

Die Normalverteilung nimmt unter den stetigen Verteilungen eine besonders prominente Position ein.

Definition 97

Eine ZufallsvariableX mit Wertebereich WX =R heißt

normalverteiltmit den Parametern µ∈R und σ∈R+, wenn sie die Dichte

f(x) = 1

2πσ ·exp

−(x−µ)22

=:ϕ(x;µ, σ)

besitzt.

In Zeichen schreiben wirX∼ N(µ, σ2).

N(0,1)heißt Standardnormalverteilung. Die zugeh¨orige Dichte ϕ(x; 0,1)k¨urzen wir durchϕ(x) ab.

DS II 2.2 Normalverteilung 240/247

ľErnst W. Mayr

(6)

Die Verteilungsfunktion zuN(µ, σ2) ist

F(x) = 1

√2πσ · Z x

−∞

exp

−(t−µ)22

dt=: Φ(x;µ, σ).

Diese Funktion heißtGauß’scheΦ-Funktion(ϕist nicht geschlossen integrierbar).

DS II 2.2 Normalverteilung 241/247

ľErnst W. Mayr

(7)

Lemma 98

I :=

Z

−∞

e−x2/2dx=

√ 2π.

Beweis:

Wir berechnen zun¨achst I2: I2 =

Z

−∞

e−x2/2dx

Z

−∞

e−y2/2dy

= Z

−∞

Z

−∞

e−(x2+y2)/2dxdy .

Wir gehen nun zu Polarkoordinaten ¨uber und setzenx:=rcosφ undy:=rsinφ. Dann ist

∂x

∂r

∂y

∂x ∂r

∂φ

∂y

∂φ

=

cosφ sinφ

−rsinφ rcosφ

=r(cos2φ+ sin2φ) =r

DS II 2.2 Normalverteilung 242/247

ľErnst W. Mayr

(8)

Beweis (Forts.):

und wir erhalten I2=

Z 0

Z 0

e−r2/2rdrdφ = Z

0

h

−e−r2/2i 0

= Z

0

1dφ = 2π.

DS II 2.2 Normalverteilung 243/247

ľErnst W. Mayr

(9)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

-3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0

=1

=2

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

-3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0

=1

=2

Dichte und Verteilung von N(0, σ2)

DS II 2.2 Normalverteilung 244/247

ľErnst W. Mayr

(10)

Satz 99 (Lineare Transformation der Normalverteilung) SeiX eine normalverteilte Zufallsvariable mitX∼ N(µ, σ2).

Dann gilt f¨ur beliebigesa∈R\ {0}und b∈R, dassY =aX+b normalverteilt ist mitY ∼ N(aµ+b, a2σ2).

Beweis:

Wir betrachten zun¨achst den Fall

”a >0“:

Pr[Y ≤y] = Pr[aX+b≤y] = Pr

X≤ y−b a

= 1

√2πσ ·

Z (y−b)/a

−∞

exp

−(u−µ)22

du.

Nach der Substitutionu= (v−b)/a und du= (1/a)·dv erhalten wir

DS II 2.2 Normalverteilung 245/247

ľErnst W. Mayr

(11)

Beweis (Forts.):

Pr[Y ≤y] = 1

√ 2πaσ ·

Z y

−∞

exp

−(v−aµ−b)2 2a2σ2

dv . AlsoY ∼ N(aµ+b, a2σ2). F¨ura <0verl¨auft der Beweis analog.

DS II 2.2 Normalverteilung 246/247

ľErnst W. Mayr

(12)

Sei alsoX eine beliebige N(µ, σ2)-verteilte ZufallsvariableX und Y := X−µσ .

Dann ist nach Satz99 Y N(0,1)-verteilt.Y heißt auchnormiert.

Ferner gilt

Pr[a < X ≤b] = Pr

a−µ

σ < Y ≤ b−µ σ

= Φ

b−µ σ

−Φ

a−µ σ

.

DS II 2.2 Normalverteilung 247/247

ľErnst W. Mayr

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

1.4.4 Laplace-Prinzip in kontinuierlichen Wahrscheinlichkeitsr¨ aumen Das folgende Beispiel zeigt, dass im kontinuierlichen Fall die Bedeutung von.. ” gleichwahrscheinlich“ nicht

Was ist die Wahrscheinlichkeit, mit der die L¨ ange einer zuf¨ allig gew¨ ahlten Sehne die Seitenl¨ ange dieses Dreiecks ¨ ubersteigt (Ereignis A).. DWT 1.4 Rechnen mit

4.2.9. Sie haben zwei Kapillarrohre mit einem Querschnitt von je A = 3, 14 mm 2. In einem Rohr befindet sich eine benetzende Fl¨ ussigkeit, im anderen Rohr ist eine nicht-benetzende