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Variabili Aleatorie

Corso

Statistica e calcolo della probabilità (085847)

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Anno accademico: 2010/2011
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Variabili  Aleatorie     Probabilità   Mattia  Natali   Variabili  Aleatorie   µ Definizioni:   Ø Una  variabile  aleatoria   X  è  una  regola  (funzione)  che  associa  un  numero  ad  un  esito  casuale.   Ø Per  le  variabili  aleatorie  siamo  interessati  a  calcolare  probabilità  del  tipo:   § P ( a ≤ X ≤ b ) = P ( esiti tali che a ≤ X ≤ b ) .  Esempio  per  quanto  riguarda  i  dadi:   ({(1,1), (1, 2 ), ( 2,1)})  à   1 1 1 3 1 P ( 2 ≤ X ≤ 3 ) = P ({(1,1)}) + P ({(1, 2 )}) + P ({( 2,1)}) = + + = = .   36 36 36 36 12 P ( 2 ≤ X ≤ 3 ) = P (( i, j ) ∈Ω : 2 ≤ i + j ≤ 3 ) = P Ø Sia   X  una  variabile  aleatoria  (V.),  la  funzione  di  ripartizione  (F.D.)  di   X  è   FX ( x ) := P ( X ≤ x ) .  Quindi   FX ( x )  esprime  la  probabilità  che  la  variabile  aleatoria   X  assuma  un  valore  minore  o   uguale  a   x .   § Proprietà:     1. 2. 0 ≤ FX ( x ) ≤ 1 ,  la  dimostrazione  è  ovvia   FX ( x ) = P ( X ≤ x ) ∈[ 0,1] .   P ( a < X ≤ b ) = FX ( b ) − FX ( a ) .   ♦ Dimostrazione:   P ( X ≤ b ) = P (( X ≤ a ) ∪ ( a < X ≤ b )) = P ( X ≤ a ) + P ( a < X ≤ b )     significa  unione  di  due  eventi   à   P ( a < X ≤ b ) = P ( X ≤ b ) − P ( X ≤ a ) .  (N.:   ∪ disgiunti).   3. FX ( x )  è  non  decrescente.   ♦ Dimostrazione:  segue  da  2.  Se   x < y  à   F ( y ) − F ( x ) = P ( x < X ≤ y )  à   F ( y ) = F ( x ) + P ( x < X ≤ y )  ma  visto  che  sono  tutti  maggiori  di   0  à   F ( y ) ≤ F ( x ) .   4. lim FX ( x ) = lim P ( X ≤ x ) = P ( X ≤ ∞ ) = 1 ,  ossia   FX ( +∞ ) = 1 .   x→+∞ x→+∞ FX ( −∞ ) = P ( X ≤ −∞ ) = 0 .   5. P ( X > x ) = 1 − P ( X ≤ x ) = 1 − FX ( x ) .     µ Variabili  aleatorie  discrete:   X  è  una  variabile  aleatoria  discreta  se  l’insieme  dei  suoi  possibili  valori  è  finito  o  numerabile.   Ø Sia   X  una  variabile  discreta,  la  funzione  di  massa  (densità)  è   p X ( a ) := P ( X = a ) .   Ø Proprietà:   1. P ( X ∈A ) = ∑ p X ( a ) .   a∈A • Dimostrazione:   P ( X ∈A )  con   A = { x1 , x2 ,..., xn } .   O P ( X ∈A ) = P ( X ∈{ x1 , x2 ,..., xn }) = P ⎛ X = x1 ,..., X = xn ⎞ = P ( X = x1 ) + ... + P ( X = xn ) = ⎝ ⎠   = p ( x1 ) + p ( x2 ) + ... + p ( xn ) = 2.   p X ( a ) ∈[ 0,1] .   ∑ p ( a ) .   X a∈A 1   Variabili  Aleatorie     Probabilità   FX ( x ) = 3. • Mattia  Natali   ∑ p ( a ) .   X a≤ X Dimostrazione:  caso  particolare  della  prima  proprietà.   ∑ FX ( x ) = P ( X ≤ x ) = P ( X ∈(−∞, x]) = a∈(−∞, x ] p X ( a ) = ∑ p X ( a ) .   a≤x   µ Variabili  aleatorie  continue  (assolutamente):   Ø X  variabile  aleatoria  è  continua  se   ∃ f ( x ) ≥ 0 : ∀A ⊂  ,   P ( X ∈ A ) := f X ( x )  si  chiama  densità.   § Ø P (a < X ≤ b) = Ø P ( x < X ≤ x + ∆ x) = ∫ b a ∫ f ( x ) dx .   A f X ( x ) dx .   ∫ x +∆ x x f X ( s ) ds  f ( x )∆ x ,  se  prendo   ∆ x → 0 .   Ø Proprietà  della  densità  (continua):   1. P (a < X ≤ b) = P (a ≤ X ≤ b) = P (a < X < b) = 2. P ( X = a) = P (a ≤ X ≤ a) = ∫ b a f X ( x ) dx .   ∫ f ( x ) dx = 0 .  Ma  nelle  applicazioni  non  lo  incontreremo   a a quasi  mai,  succede  solo  nella  matematica  pura.   FX ( x ) = 3. ∫ x −∞ f X ( s ) ds .   FX ( x ) = P ( X ≤ x ) = P ( X ∈(−∞, x]) = • ∫ x −∞ f X ( s ) ds .   d x d f X ( s ) ds = f X ( x )  à   FX ( x ) = f X ( x ) .  La  densità  è  la  derivata  della  funzione  di   ∫ −∞ dx dx 4. ripartizione.   5. ∫ +∞ −∞ f X ( x ) dx = 1 .  Dimostrazione:   F ( +∞ ) − F ( −∞ ) = 1 − 0 = 1 .     µ Coppie  di  variabili  aleatorie:   Ø Coppia   ( X,Y )  di  variabili  aleatorie  si  chiama  anche  vettore  aleatorio.   Ø Sia   ( X,Y )  una  coppia  di  variabili  aleatorie   FX ,Y ( x, y ) := P ( X ≤ x,Y ≤ y )  si  chiama  funzione  di   ripartizione  congiunta  (perché  c’è  sia   X  che   Y ).  La  virgola  nell’argomento  di   P ( )  denota   l’intersezione  tra  eventi.   1. 2. 3. FX ( x ) = P ( X ≤ x ) ,   FY ( y ) = P (Y ≤ y )  si  chiamano  funzioni  di  ripartizione  marginali.   0 ≤ FX ,Y ( x, y ) ≤ 1 .   lim FX ,Y (x, y) = FX ,Y ( +∞, y ) = P ( X ≤ +∞,Y ≤ y ) = P (Y ≤ y )  à   FX ,Y ( +∞, y ) = FY ( y ) ,  si   x→+∞ può  ottenere  la  funzione  di  ripartizione  marginale  partendo  da  quella  congiunta  mandando   all’infinito  l’altra  variabile  aleatoria.  Questo  perché   FX ( ∞ ) = P ( x < ∞ ) = 1  e   FY ( ∞ ) = P ( y < ∞ ) = 1 .   Ø Un  vettore  aleatorio   ( X,Y )  è  discreto  se   X  e   Y  lo  sono.   §   Funzione  di  massa  congiunta:   p X ,Y ( x, y ) := P ( X = x,Y = y ) .   2   Variabili  Aleatorie     • Probabilità   Mattia  Natali   Caso  n  variato:   ♦ ( X1, X2 ,..., Xn )  con   Xk  variabile  aleatoria.   FX ,..., X ( a1 ,..., an ) = P ( X1 ≤ a, X2 ≤ a2 ,..., Xn ≤ an )  à   FX ,..., X ( a1 ,..., ak −1 , +∞, ak +1 ,..., an ) = FX ,..., X ,..., X ( a1 ,..., ak −1 , ak +1 ,..., an ) .   PX ,..., X ( a1 ,..., an ) = P ( X1 = a1 ,..., Xn = an )  con   a = ( a1 ,..., an )  e   X = ( x1 , x2 ,..., xn ) .   1 n 1 n 1 n ∑p 1 X1 ,..., Xn ( a1,..., an ) = pX ,..., X 1 k−1 , X k+1 ,..., X n ak k−1 n ( a ,..., a 1 a ,..., an ) .   k −1, k +1 f X1 ,..., Xn ( a1 ,..., an ) da1 ..  P ( a1 < x1 ≤ a1 + da1 ,...., an < xn ≤ an + dan ) .   P (( x1 ,.., xn ) ∈A ) = ∫ ...∫ da1 .. fx1 ,.. ( a1 ,..., an ) .   n integrali in A   µ Valore  Atteso:   Ø X  variabile  aleatoria  discreta,  il  valore  atteso  di   X  è  il  numero:   ∑ ai P ( X = ai ) = ∑ ai pX ( ai ) =: E ( X )  aspettazione  o  media  di   X .   i § i Note:   ∑ a P ( X = a )  non  converge  à   E ( X )  non  esiste.   Sia   X  una  variabile  aleatoria  a  valori  in   {a , a ,..., a } .   N ( X ,..., X ) =  numero  di  volte   1. Se   i i i 2. 1 2 n k 1 n Nk X + ... + Xn a1 N1 + a2 N 2 + ... + an N n  P ( X = ak )  à   1 = = N N N N N N = a1 1 + a2 2 + ... + an n  a1P ( X = a1 ) + ... + an P ( X = an ) = E ( X ) .   N N N ∑ ai pX ( ai ) i = E ( X ) .   ∑ pX ( ai ) = 1 che  ottengo  “ ak ”.   i § E ( X ) =  prezzo  equo  del  bene   X .   § X  variabile  aleatoria  continua,   E ( X ) := § ∫ +∞ −∞ xf X ( x ) dx .   Proprietà  del  valore  atteso:     • X  variabile  aleatoria   g :  →  ⇒ Y = g ( X )  è  una  variabile  aleatoria.   • α , β ∈, X  variabile  aleatoria   E [α X + β ] = E ⎡⎣ g ( X ) ⎤⎦ = ∑ g ( x ) p X ( x ) = ∑ (α X + β ) p ( x ) =   x x = ∑ α Xp X ( x ) + ∑ β p X ( x ) = α ∑ Xp X ( x )+ β ∑ p X ( x ) = α E ( X ) + β .   x • • •   x x E(X) x =1 E [α X ] = α ( X ) .   E ( β ) = β  il  valore  atteso  di  un  numero  è  un  numero  stesso.   E [ X + Y ] = E [ X ] + E [Y ] .   4   Variabili  Aleatorie     Probabilità   Mattia  Natali   ( ) ∑ ( x + y ) p ( x, y ) =   ♦ Dimostrazione:   ( X,Y )  discreto.   E ( X + Y ) = E g ( X,Y ) = X ,Y x, y = ∑ xp X ,Y ( x, y ) + ∑ yp X ,Y ( x, y ) = ∑ ∑ xp ( x, y ) + ∑ ∑ yp ( x, y ) =   x, y x, y x y y x = ∑ x ∑ p ( x, y ) + ∑ y ∑ p ( x, y ) = ∑ xp X ( x ) + ∑ yPY ( y ) = E [ X ] + E [Y ] .   x • § y = pX ( y ) x = pY ( x ) x y ⎡ n ⎤ n E ⎢ ∑ X k ⎥ = ∑ E [ X k ] .   ⎣ k =1 ⎦ k =1 ⎧∑ g ( x ) p X ( x ) ⎪ x Teorema:   X  variabile  aleatoria  e   g :  →  .   E ⎡⎣ g ( x ) ⎤⎦ = ⎨  (analogia  con   +∞ ⎪ ∫ g ( x ) f X ( x ) dx ⎩ −∞ E(X) = § y ∫ +∞ −∞ xf X ( x ) dx ).   Teorema:   X = ( X1 ,..., X n )  vettore  aleatorio   g :  →  .   g ( X ) = g ( X1 ,..., X n )  à   ⎧∑ g ( x ) p X ( x ) = ∑ ( x1 ,..., xn ) p X1 ,..., X1 ( x1 ,.., xn ) ⎪ x1 ,.., xn E ⎡⎣ g ( X ) ⎤⎦ = ⎨ X .   ⎪ ∫ ...∫ g ( x ) f X ( x ) dx ⎩   µ Varianza:   Ø Sia   X  una  variabile  aleatoria  con  media   µ = E ( X ) .  Si  definisce  varianza: 2 2 Var ( X ) := E ⎡⎣( X − µ ) ⎤⎦ = E ⎡( X − E ( X )) ⎤ .  Per  calcolare  una  varianza  devo:   ⎣ ⎦ § § § ⎧∑ xp ( x ) ⎪ x Calcolare   µ = E ( X ) = ⎨   +∞ ⎪ ∫ xf ( x ) dx ⎩ −∞ 2 ⎧∑ ( x − µ ) p ( x ) ≥ 0 ⎪ Var ( x ) = ⎨ x   +∞ 2 ⎪ ∫ ( x − µ ) f ( x ) dx ≥ 0 ⎩ −∞ Oss:   Var ( X ) ≥ 0 ,   Var ( X ) = 0 ⇔ X = µ .   Var ( X )  si  chiama  deviazione  standard.   Ø Ø Proprietà:   § X  variabile  aleatoria   α , β ∈ ,   § § § § §   ( ) 2 2 Var (α X + β ) = E ⎡⎣(α X + β ) − E (α X + β ) ⎤⎦ = E ⎡⎢ α X + β − (α E ( X ) + β ) ⎤⎥ =   ⎣ ⎦ 2 2 2 2 = E ⎡(α X − α E ( X )) ⎤ = α E ⎡( X − E ( X )) ⎤ = α Var ( X )  à   Var (α X + β ) = α 2Var ( X ) .   ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ 2 Var (α X ) = α Var ( X ) .   Var (α X ) = α 2Var ( X ) ⇒ Var ( − X ) = Var ( X ) ,   E ( − X ) = −E ( X ) .   Var ( X + β ) = Var ( X ) .   Var ( β ) = 0 .   ( ) Var ( X ) = E X 2 − E ( X ) .   2 5   Variabili  Aleatorie     • Probabilità   Mattia  Natali   ⎛ ⎞ X k ⎟ = ∑ Var ( X k ) .   ∑ ⎝ k ⎠ k Corollario:  se   X1 ,..., X n  variabili  aleatorie  indipendenti  à   Var ⎜ X,Y  indipendenti   ⇒   Cov ( X,Y ) = 0 .   § X,Y  sono  non  correlate  se   Cov ( X,Y ) = 0 .   § Indipendenza   ⇒  non  correlazione.   Ø X,Y  variabili  aleatorie,   X & Y  sono  positivamente  (negativamente)  correlate  se   Cov ( X,Y ) > 0   Ø ( Cov ( X,Y ) < 0 ).     µ Coefficiente  di  Correlazione:   Cov ( X,Y ) Ø ρ ( X,Y ) :=  coefficiente  di  correlazione.   Var ( X )Var (Y ) Cov (α X, αY ) α 2Cov ( X,Y ) = = § ρ (α X, αY ) = Var (α X )Var (αY ) α 2 Var ( X )Var (Y ) ρ ( X,Y ) ≤ 1 .   § ρ ( X,Y ) = 1 ⇔ Y = α X + β .   § Cov ( X,Y ) Var ( X )Var (Y ) .     µ Legge  dei  grandi  numeri:   Ø Disuguaglianza  di  Chebyshev:   X  variabile  aleatoria,   µ = E ( X )  e   σ = Var ( X ) .   P ( X − µ > kσ ) ≤ 1 .  In  altri  termini,  la  probabilità  che  una  variabile  aleatoria  differisca  dalla  sua   k2 1 media  per  più  di   k  volte  la  deviazione  standard,  non  può  superare  il  valore  di   2 .   k § Dimostrazione:  Diciamo  che   X  sia  discreta.   2 2 σ 2 = Var ( X ) = E ⎡⎣( X − µ ) ⎤⎦ = ∑ ( x − µ ) p X ( x ) =   x = ∑ ( x − µ ) p ( x ) + ∑ ( x − µ ) p ( x ) ≥ ∑ ( x − µ ) p ( x ) ≥   2 ( x: x − µ > kσ ) ≥ ( kσ ) 2 2 ( x: x − µ ≤ kσ ) ∑ ( x: x − µ > kσ ) 2 ( x: x − µ > kσ ) p X ( x ) = k 2σ 2 P ( X − µ > kσ ) ≤ σ 2 ⇒ P ( X − µ > kσ ) ≤ 1 .   k2 Ø Teorema  (Legge  debole  dei  grandi  numeri):   X1 , X 2 ,...  variabili  aleatorie  indipendenti,   ⎧⎪ E ( X1 ) = E ( X2 ) = ... = µ ⎛ ⎛1 n ⎞ ⎞     f issato   ,   P ε > 0 ⇒ ⎨ ⎜ ⎜⎝ n ∑ X k ⎟⎠ − µ > ε ⎟ → 0  con   n → ∞ .   2 ⎝ ⎠ k =1 ⎪⎩Var ( X1 ) = Var ( X2 ) = ... = σ 1 n Con   ∑ X k = X n  media  campionaria.   n k =1   7   Variabili  Aleatorie     § Probabilità   Mattia  Natali   1 n 1 ⎡1 n ⎤ 1 n X = E X = ( k ) ∑ µ = nµ = µ .   ∑ ∑ k⎥ n k =1 n ⎣ n k =1 ⎦ n k =1 ( ) Dimostrazione:   E X n = E ⎢ ⎛1 n ⎞ 1 ⎛ n ⎞ 1 n 1 n nσ 2 σ 2 .   Var ( Xn ) = Var ⎜ ∑ X k ⎟ = 2 Var ⎜ ∑ X k ⎟ = 2 ∑ Var ( X k ) = 2 ∑ σ 2 = 2 = ⎝ n k =1 ⎠ n ⎝ k =1 ⎠ n k =1 n k =1 n n ⎛ ⎞ σ 2X σ 2 ε 1 ⎜ ⎟ P Xn − µ > ε = P ⎜ Xn − E ( Xn ) > σ ≤ = = → 0 .   σ X X ⎟ ⎛ ε ⎞ 2 ε 2 nε 2 n→∞ ⎜⎝  ⎟⎠ =k ⎜⎝ σ ⎟⎠ X ( ) Per il teorema di Chebyshev   µ Funzione  generatrice  dei  momenti:   Ø X  variabile  aleatoria,   t ∈ ,   e  è  una  variabile  aleatoria.   Ø La  funzione  generatrice  dei  momenti  di   X  è   tX ⎧ ⎪⎪ m X ( t ) := E ⎡⎣ etX ⎤⎦ = ⎨ ⎪ ⎪⎩ ∑e tx pX ( x ) se X è discreta x ∫ +∞ −∞ etx f X ( x ) dx se X è continua   Il  nome  adottato  deriva  dal  fatto  che  tutti  i  momenti  di  cui  è  dotata   X  possono  essere  ottenuti   derivando  più  volte  nell’origine  la  funzione   m X ( t ) .   ⎧∑ g ( x ) p X ( x ) con X discreta ⎪ x Ø E ( g ( X )) = ⎨   +∞ ⎪ ∫ g ( x ) f X ( x ) dx con X continua ⎩ −∞ 0x 0 Ø m X ( 0 ) = E ⎡⎣ e ⎤⎦ = E ⎡⎣ e ⎤⎦ = 1 .   Ø ( ) X  variabile  aleatoria,  il  momento  k-­‐esimo  di   X  è   E X k .   Ø Proprietà:   § m (Xk ) ( 0 ) = E ⎡⎣ X k ⎤⎦ .   • § § Teorema:   X  variabile  aleatoria,   m X ( t )  è  derivabile   n  volte  in   t = 0   ⇔  se   ∃   ( ) ( ) E ( X ) , E X 2 ,..., E X n .   X,Y  hanno  la  stessa  funzione  generatrice  dei  momenti   ⇔   FX = FY  à   m X = mY ⇔ FX = FY   Se   X,Y  variabili  aleatorie  indipendenti   ⇒   m X +Y = m X mY .  In  altre  parole,  la  funzione   generatrice  dei  momenti  della  somma  di  variabili  aleatorie  indipendenti  è  il  prodotto  delle   funzioni  generatrici  delle  singole  variabili  aleatorie.   • Dimostrazione:   X,Y  indipendenti   ⇒   e & e  sono  indipendenti   ∀t .   ♦ FetX etY = FetX FetY .   tX tY 1 1 ⎛ ⎞ FetX ,etY = P etX ≤ a, etY ≤ b = P ( tX ≤ ln a,tY ≤ ln b ) = P ⎜ X ≤ ln a,Y ≤ ln b ⎟ = ⎝ ⎠ t t 1 1 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = P ⎜ X ≤ ln a ⎟ P ⎜ Y ≤ ln b ⎟ = P ( tX ≤ ln a ) P ( tY ≤ ln b ) = P etX ≤ a P etY ≤ b   ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ t t = F tX = F tY ( ) ( ) ( e ♦ ) e m X +Y ( t ) = E ⎡⎣ et ( X +Y ) ⎤⎦ = E ⎡⎣ etX etY ⎤⎦ = E ⎡⎣ etX ⎤⎦ E ⎡⎣ etY ⎤⎦ = m X ( t ) mY ( t ) .       8  

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Variabili Aleatorie

Corso: Statistica e calcolo della probabilità (085847)

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Variabili'Aleatorie'Probabilità'Mattia'Natali'
'
'
1'
Variabili'Aleatorie'
µ Definizioni:)
Ø Una'variabile)aleatoria)
X
'è'una'regola'(funzione)'che'associa'un'numero'ad'un'esito'casuale.'
Ø Per'le'variabili'aleatorie'siamo'interessati'a'calcolare'probabilità'del'tipo:'
§
P a Xb
( )
=Pesiti tali che aXb
( )
.'Esempio'per'quanto'riguarda'i'dadi:'
P2X3.7
( )
=P i,j
( )
Ω : 2 i+j3.7
( )
=P1,1
( )
, 1, 2
( )
, 2,1
( )
{ }
( )
'à'
P2X3.7
( )
=P1,1
( )
{ }
( )
+P1, 2
( )
{ }
( )
+P2,1
( )
{ }
( )
=1
36 +1
36 +1
36 =3
36 =1
12
.'
Ø Sia'
X
'una'variabile'aleatoria'(V.A.),'la'funzione)di)ripartizione'(F.D.R.)'di'
X
'è'
FXx
( )
:=P X x
( )
.'Quindi'
'esprime'la'probabilità'che'la'variabile'aleatoria'
X
'assuma'un'valore'minore'o'
uguale'a'
x
.'
§ Proprietà:))
1.
0FXx
( )
1
,'la'dimostrazione'è'ovvia'
FXx
( )
=P X x
( )
0,1
[ ]
.'
2.
P a <Xb
( )
=FXb
( )
FXa
( )
.'
Dimostrazione:'
P X b
( )
=P X a
( )
a<Xb
( )
( )
=P X a
( )
+P a <Xb
( )
'
à'
P a <Xb
( )
=P X b
( )
P X a
( )
.'(N.B.:'
'significa'unione'di'due'eventi'
disgiunti).'
3.
'è'non'decrescente.'
Dimostrazione:'segue'da'2.'Se'
x<y
'à'
F y
( )
F x
( )
=P x <Xy
( )
'à'
F y
( )
=F x
( )
+P x <Xy
( )
'ma'visto'che'sono'tutti'maggiori'di'
0
'à'
F y
( )
F x
( )
.'
4.
lim
x+
FXx
( )
=lim
x+
P X x
( )
=P X
( )
=1
,'ossia'
FX+
( )
=1
.'
FX−∞
( )
=P X −∞
( )
=0
.'
5.
P X >x
( )
=1P X x
( )
=1FXx
( )
.'
'
µ Variabili)aleatorie)discrete:)
Ø
X
'è'una)variabile)aleatoria)discreta'se'l’insieme'dei'suoi'possibili'valori'è'finito'o'numerabile.'
Ø Sia'
X
'una'variabile'discreta,'la'funzione)di)massa)(densità)'è'
pXa
( )
:=P X =a
( )
.'
Proprietà:)
1.
P X A
( )
=pXa
( )
aA
.'
Dimostrazione:'
P X A
( )
'con'
A=x1,x2,..., xn
{ }
.'
P X A
( )
=P X x1,x2,..., xn
{ }
( )
=P X =x1,...
O
,X=xn
=P X =x1
( )
+... +P X =xn
( )
=
'
=p x1
( )
+p x2
( )
+... +p xn
( )
=pXa
( )
aA
.'
2.
pXa
( )
0,1
[ ]
.'

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