5.3: Рівномірний розподіл
Рівномірний розподіл є безперервним розподілом ймовірностей і стосується подій, які однаково ймовірні. При розробці проблем, які мають рівномірний розподіл, будьте уважні, чи є дані інклюзивними або виключними.
Приклад 5.3.1
Дані в таблиці5.3.1 - це 55 усміхнених разів, у секундах, восьмитижневої дитини.
10.4 | 19.6 | 18.8 | 13,9 | 17.8 | 16.8 | 21.6 | 17,9 | 12.5 | 11.1 | 4.9 |
12.8 | 14.8 | 22.8 | 20.0 | 15,9 | 16.3 | 13,4 | 17.1 | 14.5 | 19,0 | 22.8 |
1.3 | 0.7 | 8.9 | 11.9 | 10.9 | 7.3 | 5.9 | 3.7 | 17,9 | 19.2 | 9.8 |
5.8 | 6.9 | 2.6 | 5.8 | 21.7 | 11.8 | 3.4 | 2.1 | 4.5 | 6.3 | 10.7 |
8.9 | 9.4 | 9.4 | 7.6 | 10.0 | 3.3 | 6.7 | 7.8 | 11.6 | 13,8 | 18.6 |
Середнє значення зразка = 11,49 і стандартне відхилення зразка = 6,23.
Будемо вважати, що усміхнені часи, в секундах, слідують рівномірному розподілу між нулем і 23 секундами включно. Це означає, що будь-який час посмішки від нуля до 23 секунд включно однаково вірогідний. Гістограма, яка може бути побудована з зразка, є емпіричним розподілом, який тісно відповідає теоретичному рівномірному розподілу.
НехайX= довжина, в секундах, восьмитижневої посмішки дитини.
Позначення для рівномірного розподілу
X∼U(a,b)деa= найнижче значенняxb= і найбільше значенняx.
Функція щільності ймовірності призначенаf(x)=1b−a дляa≤x≤b.
Для цього прикладуX∼U(0,23) іf(x)=123−0 для0≤X≤23.
Формули теоретичного середнього і стандартного відхилення
μ=a+b2
і
σ=√(b−a)212
Для цієї задачі теоретичне середнє і стандартне відхилення
μ=0+232=11.50seconds
і
σ=(23−0)212=6.64seconds.
Зверніть увагу, що теоретичне середнє і стандартне відхилення близькі до вибіркового середнього та стандартного відхилення в цьому прикладі.
Вправа5.3.1
Дані, які слідують, є кількість пасажирів на 35 різних чартерних рибальських човнів. Середнє значення зразка = 7,9, а стандартне відхилення вибірки = 4,33. Дані слідують за рівномірним розподілом, де всі значення між нулем і 14 включно однаково вірогідні. Створіть значення a іb. Запишіть розподіл в належних позначеннях, і обчисліть теоретичне середнє і стандартне відхилення.
1 | 12 | 4 | 10 | 4 | 14 | 11 |
7 | 11 | 4 | 13 | 2 | 4 | 6 |
3 | 10 | 0 | 12 | 6 | 9 | 10 |
5 | 13 | 4 | 10 | 14 | 12 | 11 |
6 | 10 | 11 | 0 | 11 | 13 | 2 |
Відповідь
aнуль;b є;14;μ=7 пасажириX∼U(0,14);σ=4.04 пасажири
Приклад 5.3.2A
a Див. приклад 5.3.1. Яка ймовірність того, що випадково обрана восьмитижнева дитина посміхається від двох до 18 секунд?
Відповідь
а. знайтиP(2<x<18).
P(2<x<18)=(base)(height)=(18–2)(123)=(1623).

Вправа5.3.2B
b. знайти 90-й процентиль для восьмитижневого часу посмішки дитини.
Відповідь
б Дев'яносто відсотків усміхнених часів падають нижче 90-го процентиляk, такP(x<k)=0.90
P(x<k)=0.90
(base)(height)=0.90
(k−0)(123)=0.90
k=(23)(0.90)=20.7

Вправа5.3.3C
c Знайдіть ймовірність того, що випадкова восьмитижнева дитина посміхається більше 12 секунд ЗНАЮЧИ, що дитина посміхається БІЛЬШЕ ВОСЬМИ СЕКУНД.
Відповідь
c. це питання ймовірності є умовним. Вас просять знайти ймовірність того, що восьмитижнева дитина посміхається більше 12 секунд, коли ви вже знаєте, що дитина посміхається більше восьми секунд.
ЗнайтиP(x>12|x>8) Існує два способи вирішити проблему. Для першого способу використовуйте той факт, що це умовний і змінює простір вибірки. Графік ілюструє новий простір вибірки. Ви вже знаєте, що малюк посміхнувся більше восьми секунд.
Напишіть новийf(x):f(x)=123−8=115
для8<x<23
P(x>12|x>8)=(23−12)(115)=(1115)

Для другого способу використовуйте умовну формулу з ймовірності теми з вихідним розподіломX∼U(0,23):
P(A|B)=P(A AND B)P(B)
Для цієї проблемиA є (x>12) іB is (x>8).
Отже,P(x>12|x>8)=(x>12 AND x>8)P(x>8)=P(x>12)P(x>8)=11231523=1115

Вправа5.3.2
Розподіл дається якX∼U(0,20). Що такеP(2<x<18)? Знайдіть 90-й процентиль.
Відповідь
P(2<x<18)=0.8; 90-й процентиль=18
Приклад 5.3.3
Кількість часу, в хвилинах, яке людина повинна чекати автобуса, рівномірно розподіляється між нулем і 15 хвилинами включно.
Вправа5.3.3.1
а. яка ймовірність того, що людина чекає менше 12,5 хвилин?
Відповідь
а. нехайX= кількість хвилин людина повинна чекати автобуса. a=0іb=15. X∼U(0,15). Запишіть функцію щільності ймовірності. f(x)=115−0=115для0≤x≤15.
ЗнайтиP(x<12.5). Намалюйте графік.
P(x<k)=(base)(height)=(12.5−0)(115)=0.8333
Імовірність того, що людина чекає менше 12,5 хвилин, становить 0,8333.

Вправа5.3.3.2
б. в середньому, скільки часу повинен чекати людина? Знайти середнєμ, і стандартне відхилення,σ.
Відповідь
бμ=a+b2=15+02=7.5. В середньому людина повинна почекати 7,5 хвилин.
σ=√(b−a)212=√(12−0)212=4.3. Стандартне відхилення становить 4,3 хвилини.
Вправа5.3.3.3
c Дев'яносто відсотків часу, час, який людина повинна чекати, падає нижче якого значення?
Примітка 5.3.3.3.1
Це просить 90-й процентиль.
Відповідь
c. знайти 90-й процентиль. Намалюйте графік. Нехайk= 90-й процентиль.
P(x<k)=(base)(height)=(k−0)(115)
0.90=(k)(115)
k=(0.90)(15)=13.5
kіноді називають критичним значенням.
90-й процентиль становить 13,5 хвилин. Дев'яносто відсотків часу людина повинна чекати не більше 13,5 хвилин.

Вправа5.3.4
Загальна тривалість бейсбольних ігор у вищій лізі в сезоні 2011 рівномірно розподілена між 447 годин і 521 годин включно.
- Знайдітьab і опишіть, що вони собою представляють.
- Напишіть дистрибутив.
- Знайдіть середнє і стандартне відхилення.
- Яка ймовірність того, що тривалість ігор для команди в сезоні 2011 року становить від 480 до 500 годин?
- Який 65-й процентиль за тривалістю ігор за команду за сезон 2011 року?
Відповідь
- aє447, іb є521. a - мінімальна тривалість ігор для команди в сезоні 2011, іb максимальна тривалість ігор для команди в сезоні 2011 року.
- X∼U(447,521).
- μ=484, іσ=21.36
Малюнок5.3.1.
- P(480<x<500)=0.2703
- 65-й процентиль становить 495,1 години.
Приклад 5.3.4
Припустимо, час, який потрібен дев'ятирічному віку, щоб з'їсти пончик, становить від 0,5 до 4 хвилин включно. НехайX= час, в хвилинах, потрібно дев'ятирічній дитині з'їсти пончик. ПотімX∼U(0.5,4).
а. ймовірність того, що випадково обраний дев'ятирічна дитина з'їсть пончик не менше ніж за дві хвилини, становить _______.
Рішення
а. 0,5714
Вправа5.3.4.1
б. знайти ймовірність того, що інший дев'ятирічна дитина з'їсть пончик більше ніж за дві хвилини з огляду на те, що дитина вже їсть пончик більше 1,5 хвилин.
Друге питання має умовну ймовірність. Вас просять знайти ймовірність того, що дев'ятирічна дитина з'їсть пончик більше ніж за дві хвилини з огляду на те, що дитина вже їсть пончик більше 1,5 хвилин. Вирішити проблему можна двома різними способами (див. Приклад). Необхідно зменшити простір зразка. Перший спосіб: Оскільки ви знаєте, що дитина вже їсть пончик більше 1,5 хвилин, ви вже не починаєте з = 0,5 хвилини. Ваша відправна точка - 1,5 хвилини.
Напишіть новеf(x):
f(x)=14−1.5=25для1.5≤x≤4.
ЗнайтиP(x>2|x>1.5). Намалюйте графік.

P(x>2|x>1.5)=(base)(new height)=(4−2)(25)(25)=?
Відповідь
б.45
Імовірність того, що дев'ятирічна дитина з'їсть пончик більше ніж за дві хвилини з урахуванням того, що дитина вже їсть пончик більше 1,5 хвилин, є45.
Другий спосіб: Намалюйте початковий графік дляX∼U(0.5,4). Використовуйте умовну формулу
P(x>2|x>1.5)=P(x>2ANDx>1.5)P(x>1.5)=P(x>2)P(x>1.5)=23.52.53.5=0.8=45
Вправа5.3.5
Припустимо, час, необхідний студенту, щоб закінчити вікторину, рівномірно розподіляється між шістьма і 15 хвилинами включно. НехайX= час, у хвилинах, це займе студент, щоб закінчити вікторину. ПотімX∼U(6,15).
Знайдіть ймовірність того, що випадково обраному студенту потрібно щонайменше вісім хвилин, щоб пройти тест. Потім знайдіть ймовірність того, що іншому студенту потрібно щонайменше вісім хвилин, щоб закінчити вікторину, враховуючи, що вона вже зайняла більше семи хвилин.
Відповідь
P(x>8)=0.7778
P(x>8|x>7)=0.875
Приклад 5.3.5
Служба опалення та кондиціонування повітря Ace виявляє, що кількість часу, необхідного ремонтнику для фіксації печі, рівномірно розподіляється між 1,5 та чотирма годинами. Нехайx= час, необхідний для фіксації печі. Потімx∼U(1.5,4).
- Знайдіть ймовірність того, що випадково обраний ремонт печі вимагає більше двох годин.
- Знайдіть ймовірність того, що випадково обраний ремонт печі вимагає менше трьох годин.
- Знайдіть 30-й процентиль часу ремонту печі.
- Найдовші 25% часу ремонту печі займають принаймні скільки часу? (Іншими словами: знайти мінімальний час для найдовших 25% часу ремонту.) Що це за процентиль?
- Знайти середнє і стандартне відхилення
Рішення
а. знайтиf(x):f(x)=14−1.5=12.5 такf(x)=0.4
P(x>2)=(base)(height)=(4–2)(0.4)=0.8

б.P(x<3)=(base)(height)=(3–1.5)(0.4)=0.6
Графік прямокутника, що показує весь розподіл, залишиться колишнім. Однак графік повинен бути затінений міжx=1.5 іx=3. Зверніть увагу, що затінена область починається з,x=1.5 а не наx=0; оскількиX∼U(1.5,4), неx може бути менше 1,5.

c.

P(x<k)=0.30
P(x<k)=(base)(height)=(k–1.5)(0.4)
0.3=(k–1.5)(0.4); Вирішити знайтиk:
0.75=k–1.5, отримані діленням обох сторін на 0,4
k=2.25, отриманого додаванням 1,5 до обох сторін
30-й процентиль часу ремонту становить 2,25 години. 30% часу ремонту становить 2,25 години або менше.
д.

P(x>k)=0.25
P(x>k)=(base)(height)=(4–k)(0.4)
0.25=(4–k)(0.4); Вирішити дляk:
0.625=4−k,
отриманого діленням обох сторін на 0,4
−3.375=−k,
отриманого відніманням чотирьох з обох сторін: k=3.375
Найдовші 25% ремонту печі займають не менше 3,375 годин (3,375 годин або довше).
Примітка: Оскільки 25% часу ремонту становить 3.375 годин або більше, це означає, що 75% часу ремонту становить 3.375 годин або менше. 3.375 годин - це 75-й процентиль часу ремонту печі.
е.μ=a+b2 іσ=√(b−a)212
μ=1.5+42=2.75годин іσ=√(4−1.5)212=0.7217 годин
Вправа5.3.6
Кількість часу, необхідного сервісному майстру для заміни масла в автомобілі, рівномірно розподіляється між 11 і 21 хвилиною. НехайX= час, необхідний для заміни масла на автомобілі.
- Запишіть випадкову величинуX в словах. X=__________________.
- Напишіть дистрибутив.
- Графік розподілу.
- ЗнайтиP(x>19).
- Знайдіть 50-й процентиль.
Відповідь
- НехайX= час, необхідний для заміни масла в автомобілі.
- X∼U(11,21).
-
Малюнок5.3.7.
- P(x>19)=0.2
- 50-й процентиль становить 16 хвилин.
Рецензія
ЯкщоX має рівномірний розподіл деa<x<b абоa≤x≤b, тоX приймає значення міжa іb (може включатиa іb). Всі значенняx однаково вірогідні. ПишемоX∼U(a,b). Середнє значенняX єμ=a+b2. Стандартне відхиленняX єσ=√(b−a)212. Функція щільності ймовірностіX isf(x)=1b−a fora≤x≤b. Сукупна функція розподілуX isP(X≤x)=x−ab−a. Xє безперервним.

ІмовірністьP(c<X<d) може бути знайдена шляхом обчислення площі підf(x), міжc іd. Оскільки відповідна область є прямокутником, площа може бути знайдена простим множенням ширини і висоти.
Огляд формули
X=дійсне число міжa іb (в деяких випадкахX може приймати значенняa іb). a=найменшийX;b= найбільшийX
X∼U(a,b)
Середнє значення єμ=a+b2
Стандартне відхилення становитьσ=√(b−a)212
Функція щільності ймовірності:f(x)=1b−afora≤X≤b
Зона ліворуч відx:P(X<x)=(x–a)(1b−a)
Площа праворуч відx: P (X>x) = (b — x)(1b−a)
Площа міжc іd:P(c<x<d)=(base)(height)=(d–c)(1b−a)
Уніформа:X∼U(a,b) деa<x<b
- pdf:f(x)=1b−a дляa≤x≤b
- CDF:P(X≤x)=x−ab−a
- означаєμ=a+b2
- стандартне відхиленняσ=√(b−a)212
- P(c<X<d)=(d–c)(1b−a)
Посилання
Макдугалл, Джон А. Програма Макдугалла для максимальної втрати ваги. Шлейф, 1995.
Використовуйте наступну інформацію, щоб відповісти на наступні десять питань. Дані, які слідують, - це квадратні метри (у квадраті 1000 футів) 28 будинків.
1.5 | 2.4 | 3.6 | 2.6 | 1.6 | 2.4 | 2.0 |
3.5 | 2.5 | 1.8 | 2.4 | 2.5 | 3.5 | 4.0 |
2.6 | 1.6 | 2.2 | 1.8 | 3.8 | 2.5 | 1.5 |
2.8 | 1.8 | 4.5 | 1.9 | 1.9 | 3.1 | 1.6 |
Середнє значення зразка = 2,50 і стандартне відхилення зразка = 0,8302.
Дистрибутив можна записати якX∼U(1.5,4.5).
Вправа5.3.7
Що це за тип дистрибуції?
Вправа5.3.8
У цьому розподілі результати однаково вірогідні. Що це означає?
Відповідь
Це означає, що значення х так само, як імовірно, буде будь-яке число між 1.5 і 4.5.
Вправа5.3.9
Яка висотаf(x) для безперервного розподілу ймовірностей?
Вправа5.3.10
Які обмеження для значеньx?
Відповідь
1.5≤x≤4.5
Вправа5.3.11
ГрафікP(2<x<3).
Вправа5.3.12
Що такеP(2<x<3)?
Відповідь
0,333
Вправа5.3.13
Що такеP(x<3.5|x<4)?
Вправа5.3.14
Що такеP(x=1.5)?
Відповідь
нуль
Вправа5.3.15
Що таке 90-й процентиль квадратних метрів для будинків?
Вправа5.3.16
Знайдіть ймовірність того, що випадково обраний будинок має більше 3,000 квадратних футів, враховуючи, що ви вже знаєте, що будинок має більше 2,000 квадратних футів.
Відповідь
0.6
Вправа5.3.17
Що такеa? Що вона собою являє?
Вправа5.3.18
Що такеb? Що вона собою являє?
Відповідь
bє12, і вона являє собою найвищу цінністьx.
Вправа5.3.19
Що таке функція щільності ймовірності?
Вправа5.3.20
Що таке теоретичне означає?
Відповідь
шість
Вправа5.3.21
Що таке теоретичне стандартне відхилення?
Вправа5.3.22
Намалюйте графік розподілу дляP(x>9).
Відповідь

Вправа5.3.23
ЗнайтиP(x>9).
Вправа5.3.24
Знайдіть 40-й процентиль.
Відповідь
4.8
Використовуйте наступну інформацію, щоб відповісти на наступні одинадцять вправ. Вік автомобілів на стоянці персоналу заміського коледжу рівномірно розподіляється від півроку (0,5 року) до 9,5 років.
Вправа5.3.25
Що тут вимірюється?
Вправа5.3.26
У словах визначаємо випадкову величинуX.
Відповідь
X= Вік (в роках) автомобілів на стоянці персоналу
Вправа5.3.27
Дані дискретні або безперервні?
Вправа5.3.28
Інтервал значень дляx - ______.
Відповідь
Від 0,5 до 9,5
Вправа5.3.29
РозподілX для ______.
Вправа5.3.30
Запишіть функцію щільності ймовірності.
Відповідь
f(x)=19деx знаходиться від 0,5 до 9,5 включно.
Вправа5.3.31
Графік розподілу ймовірностей.
- Намалюйте графік розподілу ймовірностей.
Малюнок5.3.10.
- Визначте наступні значення:
- Найнижче значення дляˉx: _______
- Найвище значення дляˉx: _______
- Висота прямокутника: _______
- Мітка для осі x (слова): _______
- Мітка для осі y (слова): _______
Вправа5.3.32
Знайдіть середній вік автомобілів в партії.
Відповідь
μ= 5
Вправа5.3.33
Знайдіть ймовірність того, що випадково обраному автомобілю в партії було менше чотирьох років.
- Намалюйте графік і затіньте цікаву область.
Малюнок5.3.11.
- Знайдіть ймовірність. P(x<4)=_______
Вправа5.3.34
Розглядаючи тільки автомобілі менше 7,5 років, знайдіть ймовірність того, що випадково обраному автомобілю в партії було менше чотирьох років.
- Намалюйте графік, затіньте цікаву область.
Малюнок5.3.12.
- Знайдіть ймовірність. P(x<4|x<7.5)=_______
Відповідь
- Перевірте рішення студента.
- 3.57
Вправа5.3.35
Що змінилося в попередніх двох проблемах, що зробило рішення різними
Вправа5.3.36
Знайдіть третій квартиль вікових автомобілів в партії. Це означає, що вам доведеться знайти значення таке34, що або 75% автомобілів є максимум (менше або дорівнює) цього віку.
- Намалюйте графік і затіньте цікаву область.
Малюнок5.3.13.
- Знайдіть значенняk таке, щоP(x<k)=0.75.
- Третій квартиль - _______
Відповідь
- Перевірте рішення студента.
- k=7.25
- 7.25
Глосарій
- Умовна ймовірність
- ймовірність того, що подія відбудеться з огляду на те, що інша подія вже сталася