Для связи в whatsapp +905441085890

Нормальный закон распределения для системы случайных величин с примерами решения и образцами выполнения

Нормальный закон распределения для системы случайных величин:

Нормальный закон на плоскости

Из законов распределения системы двух случайных величин имеет смысл специально рассмотреть нормальный закон, как имеющий наибольшее распространение на практике. Так как система двух случайных величин изображается случайной точкой на плоскости, нормальный закон для системы двух величин часто называют «нормальным законом на плоскости».

В общем случае плотность нормального распределения двух случайных величин выражается формулой

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Этот закон зависит от пяти параметров: Нормальный закон распределения для системы случайных величин,Нормальный закон распределения для системы случайных величини r. Смысл этих параметров нетрудно установить. Докажем, что параметры Нормальный закон распределения для системы случайных величин представляют собой математические ожидания (центры рассеивания) величин X и Y; Нормальный закон распределения для системы случайных величин — их средние квадратические отклонения; r — коэффициент корреляции величин X и Y.

Для того чтобы убедиться в этом, найдём прежде всего плотность распределения для каждой из величин, входящих в систему. Согласно формуле (8.4.2)

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Вычислим интеграл

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Положим :

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.3)

тогда

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Из интегрального исчисления известно, что

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.3)

В нашем случае

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Подставляя эти значения в формулу (9.1.3), имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

откуда

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

или, учитывая (9.1.2), Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.4)

Таким образом, величина X подчинена нормальному закону с центром рассеивания Нормальный закон распределения для системы случайных величин и средним квадратическим отклонениемНормальный закон распределения для системы случайных величин

Аналогично покажем, что

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.5)

т. е. величина Y подчинена нормальному закону с центром рассеивания Нормальный закон распределения для системы случайных величин и средним квадратическим отклонением Нормальный закон распределения для системы случайных величин.

Нормальный закон распределения для системы случайных величин Для вычисления интеграла (9.1.3) достаточно дополнить показатель степени до полного квадрата и после замены переменной воспользоваться интегралом Эйлера—Пуассона (6.1.3).

Остаётся доказать, что параметр r в формуле (9.1.1) представляет собой коэффициент корреляции величин X и У. Для этого вычислим корреляционный момент:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где Нормальный закон распределения для системы случайных величин — математические ожидания величин X и У. Подставляя в эту формулу выражение f (х, у), получим: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Произведём в двойном интеграле (9.1.6) замену переменных, положив:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Якобиан преобразования равен

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

следовательно,

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Учитывая, что

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.8)

Таким образом, доказано, что параметр r в формуле (9.1.1) представляет собой коэффициент корреляции величин X и Y.

Предположим теперь, что случайные величины X и Y, подчинённые нормальному закону на плоскости, не коррелированы; положим в формуле (9.1.1) r = 0. Получим:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.9)

Легко убедиться, что случайные величины (X, Y), подчинённые закону распределения с плотностью (9.1.9), не только не коррелированы, но и независимы. Действительно,

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

т. е. плотность распределения системы равна произведению плотностей распределения отдельных величин, входящих в систему, а это значит, что случайные величины (Х,У) независимы.

Таким образом, для системы случайных величин, подчинённых нормальному закону, из некоррелированности величин вытекает также их независимость. Термины «некоррелированные» и «независимые» величины для случая нормального распределения эквивалентны. При Нормальный закон распределения для системы случайных величин случайные величины (X, Y) зависимы. Нетрудно убедиться, вычисляя условные законы распределения по формулам (8.4.6), что

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Проанализируем одно из этих условных законов распределения, например f(y\x). Для этого преобразуем выражение плотности f(y\x) к виду:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Очевидно, это есть плотность нормального закона с центром рассеивания

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.10)

и средним квадратическим отклонение

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.11)

Формулы (9.1.10) и (9.1.11) показывают, что в условном законе распределения величины У при фиксированном значении X = х от этого значения зависит только математическое ожидание, но не дисперсия.

Величина Нормальный закон распределения для системы случайных величин называется условным математическим ожиданием величины Y при данном х. Зависимость (9.1.10) можно изобразить на плоскости хОу, откладывая условное математическое ожидание Нормальный закон распределения для системы случайных величин по оси ординат. Получится прямая, которая называется линией регрессии Y на X. Аналогично прямая Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.1.12)

есть линия регрессии X и Y. Линии регрессии совпадают только при наличии линейной функциональной зависимости Y от X. При независимых X и Y линии регрессии параллельны координатным осям.

Рассматривая выражение (9.1.1) для плотности нормального распределения на плоскости, мы видим, что нормальный закон на плоскости полностью определяется заданием пяти параметров: двух координат центра рассеивания Нормальный закон распределения для системы случайных величин, двух средних квадратических отклонений Нормальный закон распределения для системы случайных величин и одного коэффициента корреляции r. В свою очередь последние три параметра Нормальный закон распределения для системы случайных величин и r полностью определяются элементами корреляционной матрицы: дисперсиями Нормальный закон распределения для системы случайных величин и корреляционным моментом Нормальный закон распределения для системы случайных величин Таким образом, минимальное количество числовых характеристик системы — математические ожидания, дисперсии и корреляционный момент — в случае, когда система подчинена нормальному закону, определяет собой полностью закон распределения, т. е. образует исчерпывающую систему характеристик.

Так как на практике нормальный закон весьма распространён, то очень часто для полной характеристики закона распределения системы оказывается достаточно задать минимальное число — всего пять — числовых характеристик.

Эллипсы рассеивания. Приведение нормального закона к каноническому виду

Рассмотрим поверхность распределения, изображающую функцию (9.1.1). Она имеет вид холма, вершина которого находится над точкой (Нормальный закон распределения для системы случайных величин) (рис. 9.2.1).

В сечении поверхности распределения плоскостями, параллельными оси f (х, у), получаются кривые, подобные нормальным кривым распределения. В сечении поверхности распределения плоскостями, параллельными плоскости хОу, получаются эллипсы. Напишем уравнение проекции такого эллипса на плоскость хОу. Нормальный закон распределения для системы случайных величин

или, обозначая константу Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.2.1)

Уравнение эллипса (9.2.1) можно проанализировать обычными методами аналитической геометрии. Применяя их, убеждаемся, что центр эллипса (9.2.1) находится в точке с координатами (Нормальный закон распределения для системы случайных величин); что касается направления осей симметрии эллипса, то они со- составляют с осью Ох углы, определяемые уравнением Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Это уравнение даёт два значения углов: а и Нормальный закон распределения для системы случайных величин различающиеся на Нормальный закон распределения для системы случайных величин .

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Таким образом, ориентация эллипса (9.2.1) относительно координатных осей находится в прямой зависимости от коэффициента корреляции г системы (X. Y): если величины не коррелированы (т. е. в данном случае и независимы), то оси Симметрия эллипса параллельны координатным осям; в противном случае они составляют с координатными осями некоторый угол.

Нормальный закон распределения для системы случайных величин Обоснование формулы (9.2.2) другим способом см. в п° 14.7.

Пересекая поверхность распределения плоскостями, параллельными плоскости хОу, и проектируя сечения на плоскость хОу, мы получим целое семейство подобных и одинаково расположенных эллипсов с общим центром (Нормальный закон распределения для системы случайных величин). Во всех точках каждого из таких эллипсов плотность распределения f (х, у) постоянна. Поэтому такие эллипсы называются эллипсами равной плотности или, короче, эллипсами рассеивания. Общие оси всех эллипсов рассеивания называются главными осями рассеивания.

Известно, что уравнение эллипса принимает наиболее простой, так называемый «канонический» вид, если координатные оси совпадают с осями симметрии эллипса. Для того чтобы привести уравнение эллипса рассеивания к каноническому виду, достаточно перенести начало координат в точку (Нормальный закон распределения для системы случайных величин) и повернуть координатные оси на угол а, определяемый уравнением (9.2.2). При этом координатные оси совпадут с главными осями рассеивания, и нормальный закон на плоскости преобразуется к так называемому «каноническому» виду.

Каноническая форма нормального закона на плоскости имеет вид: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где Нормальный закон распределения для системы случайных величин —так называемые главные средние квадратические отклонения, т. е. средние квадратические отклонения случайных величин Нормальный закон распределения для системы случайных величин, представляющих собой координаты случайной точки в системе координат, определяемой главными осями рассеивания Нормальный закон распределения для системы случайных величин. Главные средние квадратические отклонения Нормальный закон распределения для системы случайных величин и Нормальный закон распределения для системы случайных величин выражаются через средние квадратические отклонения в прежней системе координат формулами: Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.2.4)

Обычно, рассматривая нормальный закон на плоскости, стараются заранее выбрать координатные оси Ох, Оу так, чтобы они совпали с гласными осями рассеивания. При этом средние квадратические отклонения по осям Нормальный закон распределения для системы случайных величин и будут главными средними квадратическими отклонениями, и нормальный закон будет иметь вид:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Нормальный закон распределения для системы случайных величин Вывод этих формул см. в главе 14, п° 14.7.

В некоторых случаях координатные оси выбирают параллельно главным осям рассеивания, но начало координат с центром рассеивания не совмещают. При этом случайные величины (X, Y) также оказываются независимыми, но выражение нормального закона имеет вид:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где Нормальный закон распределения для системы случайных величин — координаты центра рассеивания.

Перейдём в канонической форме нормального закона (9.2.5) от средних квадратических отклонений к вероятным отклонениям: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Величины Ех, Еу называются главными вероятными отклонениями. Подставляя выражения Нормальный закон распределения для системы случайных величин через Ех, Еу в уравнение (9.2.5), по- получим другую каноническую форму нормального закона: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

В такой форме нормальный закон часто применяется в теории стрельбы.

Напишем уравнение эллипса рассеивания в каноническом виде: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где k — постоянное число. Из уравнения видно, что полуоси эллипса рассеивания пропорциональны главным средним квадратическим отклонениям (а значит, и главным вероятным отклонениям).

Назовём «единичным» эллипсом рассеивания тот из эллипсов равной плотности вероятности, полуоси которого равны главным средним квадратическим отклонениям Нормальный закон распределения для системы случайных величин. (Если пользоваться и качестве характеристик рассеивания не главными средними квадратическими, а главными вероятными отклонениями, то естественно будет назвать «единичным» тот эллипс, полуоси которого равны Ех, Еу.)

Кроме единичного эллипса рассеивания иногда рассматривают ещё «полный» эллипс рассеивания, под которым понимают тот из эллипсов равной плотности вероятности, в который с практической достоверностью укладывается все рассеивание. Размеры этого эллипса, разумеется, зависят от того, что понимать под «практической достоверностью». В частности, если принять за «практическую достоверность» вероятность порядка 0,99, то «полным эллипсом рассеивания» можно считать эллипс с полуосями Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Рассмотрим специально один частный случай, когда главные средние квадратические отклонения равны друг другу: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Тогда все эллипсы рассеивания обращаются в круги, и рассеивание называется круговым. При круговом рассеивании каждая из осей, проходящих через центр рассеивания, может быть принята за главную ось рассеивания, или, другими словами, направление главных осей рассеивания неопределённо. При некруговом рассеивании случайные величины X, Y, подчинённые нормальному закону на плоскости, независимы тогда и только тогда, когда координатные оси параллельны главным осям рассеивания; при круговом рассеивании случайные величины ( X, Y ) независимы при любом выборе прямоугольной системы координат. Эта особенность кругового рассеивания приводит к тому, что оперировать с круговым рассеиванием гораздо удобнее, чем с эллиптическим. Поэтому на практике, где только возможно, стремятся приближённо заменять некруговое рассеивание круговым.

Вероятность попадания в прямоугольник со сторонами, параллельными главным осям рассеивания

Пусть случайная точка (Х , Y ) на плоскости подчинена нормаль- нормальному закону

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

При этом главные оси рассеивания параллельны координатным осям и величины X и У независимы.

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Требуется вычислить вероятность попадания случайной точки (X, Y) в прямоугольник R, стороны которого параллельны координатным осям хОу, а следовательно и главным осям рассеивания (рис. 9.3.1). Согласно обшей формуле (8.3.4) имеем

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

откуда, применяя формулу (6.3.3) для вероятности попадания на уча- участок, находим:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где Ф*(х) — нормальная функция распределения. Если нормальный закон на плоскости дан в канонической форме, то Нормальный закон распределения для системы случайных величин, и формула (9.3.2) принимает вид Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Если стороны прямоугольника не параллельны координатным осям, то формулы (9.3.2) и (9.3.3) уже неприменимы. Только при круговом рассеивании вероятность попадания в прямоугольник любой ориентации вычисляется по формулам (9.3.2) или (9.3.3).

Формулы (9.3.2) и (9.3.3) широко применяются при вычислении вероятностей попадания в цели: прямоугольные, близкие к прямоугольным, составленные из прямоугольников или приближённо заменяемые таковыми.

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Пример:

Производится стрельба с самолёта по прямоугольному щиту размером 9 м X12 м, лежащему на земле горизонтально. Главные вероятные отклонения: в продольном направлении Нормальный закон распределения для системы случайных величин, в боковом направлении Нормальный закон распределения для системы случайных величин Прицеливание— по центру мишени, заход — вдоль мишени. Вследствие несовпадения дальности пристрелки и дальности фактической стрельбы средняя точка попадания смещается в сторону недолёта на 4 м. Найти вероятность попадания в мишень при одном выстреле.

Решение:

На чертеже (рис. 9.3.2) наносим мишень, точку прицеливания (т. п.) и центр рассеивания (ц. р.). Через ц. р. проводим главные рассеивания: по направлению полёта и перпендикулярно к нему.

Перейдём от главных вероятных отклонений Нормальный закон распределения для системы случайных величин и Нормальный закон распределения для системы случайных величин к главным средним квадратическим:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

По формуле (9.3.3) имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Вероятность попадания в эллипс рассеивания

К числу немногих плоских фигур, вероятность попадания в которые может быть вычислена в конечном виде, принадлежит эллипс рассеивания (эллипс равной плотности).

Пусть нормальный закон на плоскости задан в канонической форме:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.4.1)

Рассмотрим эллипс рассеивания Нормальный закон распределения для системы случайных величин уравнение которого Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где параметр k представляет собой отношение полуосей эллипса рассеивания к главным средним квадратическим отклонениям. По общей формуле (8.3.3) имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Сделаем в интеграле (9.4.2) замену переменных

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Этой подстановкой эллипс Нормальный закон распределения для системы случайных величин преобразуется в круг Нормальный закон распределения для системы случайных величин радиуса k. Следовательно,

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Перейдём в интеграле (9.4.3) от декартовой системы координат к полярной, положив

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Якобиан преобразования (9.4.4) равен r. Производя замену переменных, получим:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Таким образом, вероятность попадания случайной точки в эллипс рассеивания, полуоси которого равны k средним квадратическим отклонениям, равна:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

В качестве примера найдём вероятность попадания случайной точки, распределённой по нормальному закону на плоскости хОу, в единичный эллипс рассеивания, полуоси которого равны средним квадратическим отклонениям:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Для такого эллипса k=l. Имеем:

Пользуясь таблицей 2 приложения, находим:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Формула (9.4.5) чаще всего применяется для вычисления вероятности попадания в круг при круговом рассеивании.

Пример:

На пути быстро движущейся малоразмерной цели площади 1,2 м ставится осколочное поле в форме плоского диска радиуса R =30 м. Внутри диска плотность осколков постоянна и равна 2 оск./м2. Если цель накрыта диском, то число осколков, попадающих в неё, можно считать распределённым по закону Пуассона. В силу малости цели можно рассматривать её как точечную и считать, что она или полностью накрывается осколочным полем (если её центр попадает в круг), или совсем не накрывается (если её центр не попадает в круг). Попадание осколка гарантирует поражение цели. При прицеливании центр круга Нормальный закон распределения для системы случайных величин стремятся совместить в плоскости хОу с началом координат О (центром цели), но вследствие_ ошибок точка Нормальный закон распределения для системы случайных величин рассеивается около О (рис. 9.4.1). Закон рассеивания нормальный, рассеивание круговое, а = 20 м. Определить вероятность поражения цели Р(А).

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Решение:

Чтобы цель была поражена осколками, необходимо совмещение двух событий: 1) попадание цели (точки О) в осколочное поле (круг радиуса R) и 2) поражение цели при условии, что попадание произошло.

Вероятность попадания цели в круг, очевидно, равна вероятности того, что центр круга (случайная точкаНормальный закон распределения для системы случайных величин ) попадёт в круг радиуса R, описанный вокруг начала координат.

Применим формулу (9.4.5). Имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Вероятность попадания цели в осколочное поле равна: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Далее найдём вероятность поражения цели р* при условии, что она накрыта осколочным диском. Среднее число осколков а, попадающих в накрытую полем цель, равно произведению площади цели на плотность поля осколков:

1,2*2 = 2,4.

Условная вероятность поражения цели р* есть не что иное, как вероятность попадания в неё хотя бы одного осколка. Пользуясь формулой (5.9.5) главы 5, имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Вероятность поражения цели равна:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Воспользуемся формулой (9.4.5) для вероятности попадания в круг, чтобы вывести одно важное для практики распределение: так называемое распределение Релея.

Рассмотрим на плоскости хОу (рис. 9.4.2) случайную точку (X, Y), рассеивающуюся вокруг начала координат О по круговому нормальному закону со средним квадратическим отклонением с. Найдём закон распределения случайной величины R — расстояния от точки (X, Y) до начала координат, т. е. длины случайного вектора с составляющими X, Y.

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Найдём сначала функцию распределения F(r) величины R. По определению

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Это есть не что иное, как вероятность попадания случайной точки (X, Y) внутрь круга радиуса r (рис. 9.4.2). По формуле (9.4.5) эта вероятность равна:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Нормальный закон распределения для системы случайных величин(9.4.6)

Данное выражение функции распределения имеет смысл только при положительных значениях r; при отрицательных г нужно положить F(r)=0.

Дифференцируя функцию распределения F(r) по r , найдём плотность распределения

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Закон Релея (9.4.7) встречается в разных областях практики: в стрельбе, радиотехнике, электротехнике и др.

График функции f( r ) (плотности закона Релея) приведён на рис. 9.4.3.

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Найдём числовые характеристики величины R, распределённой по закону Релея, а именно: её моду Нормальный закон распределения для системы случайных величин и математическое ожидание Нормальный закон распределения для системы случайных величин Для того чтобы найти моду — абсциссу точки, в которой плотность вероятности максимальна, продифференцируем f( r ) и приравняем производную нулю:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Корень этого уравнения и есть искомая мода

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Таким образом, наивероятнейшее значение расстояния R случайной точки (X, У) от начала координат равно среднему квадратическому отклонению рассеивания.

Математическое ожидание Нормальный закон распределения для системы случайных величин найдём по формуле Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Производя замену переменной

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

получим:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Интегрируя по частям, найдём математическое ожидание расстояния R:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Вероятность попадания в область произвольной формы

При стрельбе ударными снарядами вычисление вероятности попадания в цель сводится к вычислению вероятности попадания случайной точки (X, Y) в некоторую область D. Пусть случайная точка (X, Y) подчинена нормальному закону в каноническом виде. Вероятность попадания точки (X, Y) в область D выражается интегралом

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

В отдельных частных случаях (например, когда область D есть прямоугольник со сторонами, параллельными главным осям рассеивания, или эллипс рассеивания, а также в некоторых других, имеющих меньшее практическое значение) интеграл (9.5.1) может быть выражен через известные функции; в общем же случае этот интеграл через известные функции не выражается. На практике для вычисления вероятности попадания в область произвольной формы применяются следующие приближенные способы.

1.Область D приближённо заменяется областью, составленной из х прямоугольников, стороны которых параллельны главным осям рассеивания (рис. 9.5.1). Вероятность попадания в каждый из таких п прямоугольников вычисляется по формуле (9.3.3). Этот способ можно рекомендовать тогда, когда число прямоугольников, на которые приближённо разбивается цель D, не слишком велико. Нормальный закон распределения для системы случайных величин

2.Вся плоскость хОу с помощью некоторой системы линий (прямых или кривых) заранее разбивается на ряд ячеек, вероятности попадания в которые могут быть выражены точно через известные функции, и вычисляется вероятность попадания в каждую ячейку. Такая система линий с соответствующими ей вероятностями попадания в ячейки называется сеткой рассеивания. Работа с сеткой заключается в том, что изображение сетки накладывается на изображение цели, после чего производится суммирование вероятностей попадания в ячейки, накрытые целью; если цель накрывает часть ячейки, то берётся часть вероятности попадания в ячейку, пропорциональная накрытой площади.

Сетку рассеивания можно применять двояким образом: а) строить цель в масштабе сетки, б) строить сетку в масштабе цели.

Если цель имеет сложные очертания и, особенно, если она сравнительно невелика, бывает обычно удобнее построить на изображении цели в том же масштабе ту часть сетки, которая занята целью. Если же цель имеет сравнительно простые очертания и довольно велика (занимает значительную часть полного эллипса рассеивания),

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

обычно удобнее построить цель в масштабе сетки. Так как стандартная сетка строится для кругового рассеивания, а на практике рассеивание в общем случае круговым не является, при построении Цели в масштабе сетки приходится в общем случае пользоваться Двумя разными масштабами по осям Ох и Оу. При этом способе удобно иметь в распоряжении сетку рассеивания, выполненную на прозрачной бумаге, и накладывать её на перестроенное изображение цели. Прямолинейная сетка рассеивания для одного координатного угла дана на рис. 9.5.2. Сторона ячейки равна Нормальный закон распределения для системы случайных величин

В ячейках проставлены вероятности попадания в них, выраженные в сороковых долях процента.

3.В случае, когда размеры области D невелики по сравнению со средними квадратическими отклонениями (не превышают 0,5—1 с. к. о. в направлении соответствующих осей), вероятность попадания в эту область может быть приближённо вычислена по формуле, не содержащей операции интегрирования. Рассмотрим на плоскости хОу малую цель D произвольной формы (рис. 9.5.3).

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Допустим, что размеры этой цели невелики по сравнению х с вероятными отклонениями Ех, Еу, По общей формуле (8.3.3) имеем: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где f(x, у) — плотность распределения системы (X, Y). Применим к интегралу (9.5.2) теорему о среднем значении:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где Нормальный закон распределения для системы случайных величин — некоторая точка внутри области D; Нормальный закон распределения для системы случайных величин— площадь области D. В случае, когда система (X, Y) подчинена нормальному закону в каноническом виде, имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

При сравнительно малых размерах области D плотность распределения f(x, у) в пределах этой области изменяется мало и практически может быть принята постоянной. Тогда в качестве точки Нормальный закон распределения для системы случайных величин можно выбрать любую точку в пределах области D (например, приблизительный центр цели).

Формулы типа (9.5.3) широко применяются на практике. Для областей, наибольшие размеры которых не превышают 0,5 среднего квадратического отклонения в соответствующем направлении, они дают вполне приемлемые по точности результаты. В отдельных случаях их применяют и для более крупных областей (порядка одного с. к. о.). При условии внесения некоторых поправок (а именно, замены величин Нормальный закон распределения для системы случайных величин несколько увеличенными значениями) область применимости этой формулы может быть расширена на области размером порядка двух с. к, о.

Нормальный закон в пространстве трёх измерений. Общая запись нормального закона для системы произвольного числа случайных величин

При исследовании вопросов, связанных со стрельбой дистанционными снарядами, приходится иметь дело с законом распределения точек разрыва дистанционного снаряда в пространстве. При условии применения обычных дистанционных взрывателей этот закон распределения может считаться нормальным.

В данном п° мы рассмотрим лишь каноническую форму нормального закона в пространстве:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где Нормальный закон распределения для системы случайных величин— главные средние квадратические отклонения. Переходя от средних квадратических отклонений к вероятным, имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

При решении задач, связанных со стрельбой дистанционными снарядами, иногда приходится вычислять вероятность разрыва дистанционного снаряда в пределах заданной области D. В общем случае эта вероятность выражается тройным интегралом: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Интеграл (9.6.3) обычно не выражается через элементарные функции. Однако существует ряд областей, вероятность попадания в которые вычисляется сравнительно просто.

  1. Вероятность попадания в прямоугольный параллелепипед со сторонами, параллельными главным осям рассеивания

Пусть область R представляет собой прямоугольный параллелепипед, ограниченный абсциссами Нормальный закон распределения для системы случайных величин ординатами Нормальный закон распределения для системы случайных величин и аппликатамиНормальный закон распределения для системы случайных величин(рис. 9.6.1). Вероятность попадания в область R, очевидно, равна: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

2. Вероятность попадания в эллипсоид равной плотности

Рассмотрим эллипсоид равной плотности Нормальный закон распределения для системы случайных величин уравнение которого Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Полуоси этого эллипсоида пропорциональны главным средним квадратическим отклонениям:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Пользуясь формулой (9.6.1) для f(x, у,z ), выразим вероятность Нормальный закон распределения для системы случайных величин

попадания в эллипсоид Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Перейдём от декартовых координат к полярным (сферическим) заменой переменных

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Якобиан преобразования (9.6.5) равен:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Переходя к новым переменным, имеем:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Интегрируя по частям, получим:

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

3. Вероятность попадания в цилиндрическую область с образующей, параллельной одной из главных осей рассеивания

Рассмотрим цилиндрическую область С, образующая которой параллельна одной из главных осей рассеивания (например, оси Oz), а направляющая есть контур произвольной области D на плоскости хОу (рис. 9.6.2).

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Пусть область С ограничена двумя плоскостями Нормальный закон распределения для системы случайных величин. Вычислим вероятность попадания в область С; это есть вероятность произведения двух событий, первое из которых состоит в попадании точки (X, Y) в область D, а второе — в попадании величины Z на участок Нормальный закон распределения для системы случайных величин Так как величины (X, Y, Z), подчинённые нормальному закону в канонической форме, независимы, то независимы и эти два события. Поэтому

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Вероятность Нормальный закон распределения для системы случайных величин в формуле (9.6.7) может быть вычислена любым из способов вычисления вероятности попадания любым из в плоскую область.

На формуле (9.6.7) основан следующий способ вычисления вероятности попадания в пространственную областьG произвольной формы: область G приближённо разбивается на ряд цилиндрических областей Нормальный закон распределения для системы случайных величин (рис. 9.6.3), и вероятность попадания в каждую из них вычисляется по формуле (9.6.7). Для применения этого способа достаточно начертить ряд фигур, представляющих собой сечения области G плоскостями, параллельными одной из координатных плоскостей. Вероятность попадания в каждую из них вычисляется по сетке рассеивания.

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

В заключение данной главы напишем общее выражение для нормального закона в пространстве любого числа измерений n. Плотность распределения такого закона имеет вид: Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где \С\ — определитель матрицы Нормальный закон распределения для системы случайных величин—матрица, обратная корреляционной матрице К, т. е. если корреляционная матрица

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где |К|—определитель корреляционной матрицы, a Нормальный закон распределения для системы случайных величин — минор этого определителя, получаемый из него вычёркиванием і-й строки и j-го столбца. Заметим, что

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Из общего выражения (9.6.8) вытекают все формы нормального закона для любого числа измерений ц для любых видов зависимости между случайными величинами. В частности, при n = 2 (рассеивание на плоскости) корреляционная матрица есть

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

где r — коэффициент корреляции. Отсюда

Нормальный закон распределения для системы случайных величин

Подставляя определитель матрицы \С\ и её члены в (9.6.8), получим формулу (9.1.1) для нормального закона на плоскости, с которой мы начали п°9.1.

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по теории вероятностей:

  1. Случайные события и их вероятности
  2. Случайные величины
  3. Функции случайных величин
  4. Числовые характеристики случайных величин
  5. Законы больших чисел
  6. Статистические оценки
  7. Статистическая проверка гипотез
  8. Статистическое исследование зависимостей
  9. Теории игр
  10. Вероятность события
  11. Теорема умножения вероятностей
  12. Формула полной вероятности
  13. Теорема о повторении опытов
  14. Нормальный закон распределения
  15. Определение законов распределения случайных величин на основе опытных данных
  16. Системы случайных величин
  17. Вероятностное пространство
  18. Классическое определение вероятности
  19. Геометрическая вероятность
  20. Условная вероятность
  21. Схема Бернулли
  22. Многомерные случайные величины
  23. Предельные теоремы теории вероятностей
  24. Оценки неизвестных параметров
  25. Генеральная совокупность