3第三章 概率基础2.ppt
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1、张宝林张宝林 内蒙古师范大学化学与环境科学学院内蒙古师范大学化学与环境科学学院环境统计环境统计课程主要内容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 环境统计调查和数据整理环境统计调查和数据整理第三章第三章 环境统计的概率论基础环境统计的概率论基础第四章第四章 环境统计的描述性统计学环境统计的描述性统计学第五章第五章 环境统计的推断性统计学环境统计的推断性统计学第六章第六章 常用多元统计分析及其软件实现常用多元统计分析及其软件实现第七章第七章 地统计学简介地统计学简介主要参考书吴聿明(1991).环境统计学,中国环境科学出版社.李鸿杰,高见,环境统计学,西北农林科技大学出版社,2004程子峰,徐富春编
2、著,2006,环境数据统计分析基础,化学工业出版社主要参考书第三章第三章 环境统计的概率论基础环境统计的概率论基础街头的摸球中奖在黑布袋中有六个白乒乓球与六个黄乒乓球,玩家随便从黑布袋中摸出6 个球,摸出6 黄或6 白可得100 元钱;摸出5 黄1 白或5 白1 黄,可得10 元;摸出4 黄2 白或者4 白2 黄,可得1 元钱;摸出3 黄3 白则要花20 元钱买一瓶洗发水共有7 种情况,竟有6 种情况可获奖,而只有1 种情况要花钱买东西。按照概率,当玩家摸10 次球时,最大的可能为4 次3 黄3 白,共赔48 元;5 次为4 黄2 白或4 白2 黄,获得5 元;1 次为5 黄1 白或5 白1
3、黄,获得10 元.这样玩家一般都会损失30 元钱左右,平均一次损失3 元.当玩的次数不断增加时,玩家平均损失的钱数几乎总保持在此数额.第三章第三章 环境统计的概率论基础环境统计的概率论基础博弈成科学博弈成科学甲乙甲乙2人赌技相同,各出赌注人赌技相同,各出赌注500元。约定:谁先赢元。约定:谁先赢3局,则谁拿走全局,则谁拿走全部部1000元。现已经赌了元。现已经赌了3局,甲局,甲2胜胜1负,而因故要停止赌博,这负,而因故要停止赌博,这1000元如何分,才算公平?元如何分,才算公平?平均:对甲欠公平平均:对甲欠公平全归甲:对乙欠公平全归甲:对乙欠公平甲拿大头:甲拿大头:2/3:1/3?继续赌继续赌
4、2局,可能结果:局,可能结果:甲甲,甲乙,乙甲,乙乙甲甲,甲乙,乙甲,乙乙第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率主要内容3.1.1事件(一)必然现象与随机现象(二)随机试验与随机事件(三)样本空间(四)事件的图示3.1.2概率(一)概率的定义(二)概率的性质(三)小概率事件(四)主观概率(五)条件概率(六)贝叶斯公式(七)全概率公式第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率全概率公式全概率公式全概率公式的陈述如下全概率公式的陈述如下:设随机试验设随机试验E的样本空间为的样本空间为S。A 为为E 的事件的事件,B1,B2,Bn 为为S 的一个划分的一个划分,且且P(Bi)O(I=1,
5、2,n),则则P(A)=P(B1)P(A/B1)+P(B2)P(A/B2)+P(Bn)P(A/Bn)全概率公式的意义在于全概率公式的意义在于:对于一个复杂的事件对于一个复杂的事件A,若无法直接求出它的概率若无法直接求出它的概率P(A),则可将则可将A分解成分解成若干个简单的事件来求其概率。由此可见全概率若干个简单的事件来求其概率。由此可见全概率公式可起到化整为零公式可起到化整为零,化难为易的作用。化难为易的作用。第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率全概率公式全概率公式P(A)=P(B1)P(A/B1)+P(B2)P(A/B2)+P(Bn)P(A/Bn)例1 某商店有彩电10 台(其中
6、次品有3 台),现已出售2 台,求从剩下的彩电中任取一台是正品的概率。第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率全概率公式第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率贝叶斯公式由全概率公式可导出另一个重要公式贝叶斯公式,它是由英国数学家贝叶斯(Bayes Thomas)在1763 年发表的,其陈述如下:设随机试验E 的样本空间为S。A为E 的事件,B1,B2,Bn为S 的一个划分,且P(BI)0(i=1,2,n),则第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率贝叶斯公式贝叶斯公式的意义在于:设事件A已发生,我们需要判断引起A发生的“原因”。如果已知A发生的可能“原因”共有n个:B1,B
7、2,Bn且两两互不相容。那么我们希望知道其中某个“Bi”的概率,也就是条件概率P(Bi/A)。在实际应用中,我们往往要求出每一个P(Bi/A)(I=1,2,n),然后找出其中最大的一个P(Bi/A),则Bi就是引起事件A 发生的最可能的“原因”。贝叶斯公式在“风险决策”、“模式识别”等中有着广泛的应用。第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率贝叶斯公式贝叶斯公式的意义在于:设事件A已发生,我们需要判断引起A发生的“原因”。如果已知A发生的可能“原因”共有n个:B1,B2,Bn且两两互不相容。那么我们希望知道其中某个“Bi”的概率,也就是条件概率P(Bi/A)。在实际应用中,我们往往要求出
8、每一个P(Bi/A)(I=1,2,n),然后找出其中最大的一个P(Bi/A),则Bi就是引起事件A 发生的最可能的“原因”。第三章第三章 环境统计的概率论基础环境统计的概率论基础主要内容第一节第一节 随机事件及其概率随机事件及其概率第二节 概率分布第二节第二节 概率分布概率分布主要内容2.1随机变量2.2离散型随机变量的概率分布二项分布波松分布2.3连续型随机变量的概率分布正态分布第二节第二节 概率分布概率分布事件的概率表示了一次试验某一个结果发生的可能性大小。若要全面了解试验,则必须知道试验的全部可能结果及各种可能结果发生的概率,即必须知道随机试验的概率分布概率分布(probability
9、distribution)。为了深入研究随机试验,我们先引入随机变量随机变量(random variable)的概念。第二节第二节 概率分布概率分布2.1随机变量作一次试验,其结果有多种可能。每一种可能结果都可用一个数来表示,把这些数作为变量x的取值范围,则试验结果可用变量x来表示。例 对100头病畜用某种药物进行治疗,其可能结果是“0头治愈”、“1头治愈”、“2头治愈”、“”、“100头治愈”。若用x表示治愈头数,则x的取值为0、1、2、100。例 孵化一枚种蛋可能结果只有两种,即“孵出小鸡”与“未孵出小鸡”。若用变量x表示试验的两种结果,则可令x=0表示“未孵出小鸡”,x=1表示“孵出小鸡
10、”。例 测定某品种猪初生重,表示测定结果的变量x所取的值为一个特定范围(a,b),如0.51.5kg,x值可以是这个范围内的任何实数。2.1随机变量随机变量如果表示试验结果的变量x,其可能取值至多为可列个,且以各种确定的概率取这些不同的值,则称x为离散型离散型随机变量随机变量(discrete random variable);如果表示试验结果的变量x,其可能取值为某范围内的任何数值,且x在其取值范围内的任一区间中取值时,其概率是确定的,则称x为连续型随机变量连续型随机变量(continuous random variable)。引入随机变量的概念后,对随机试验的概率分布的研究就转为对随机变量
11、概率分布的研究了。第二节第二节 概率分布概率分布2.2离散型随机变量的概率分布要了解离散型随机变量x的统计规律,就必须知道它的一切可能值xi及取每种可能值的概率pi。如果我们将离散型随机变量x的一切可能取值xi(i=1,2,),及其对应的概率pi,记作P(x=xi)=pi i=1,2,则称上式为离散型随机变量x的概率分布或分布。常用分布列(distribution series)来表示离散型随机变量显然离散型随机变量的概率分布具有pi0和pi=1这两个基本性质。2.2离散型随机变量的概率分布二项分布一、贝努利试验及其概率公式二、二项分布的意义及性质三、二项分布的概率计算及应用条件二项分布二项分
12、布一、贝努利试验及其概率公式将某随机试验重复进行n次,若各次试验结果互不影响,即每次试验结果出现的概率都不依赖于其它各次试验的结果,则称这n次试验是独立的。在生物学研究中,我们经常碰到的一类离散型随机变量,如入孵n枚种蛋的出雏数、n头病畜治疗后的治愈数、n 尾鱼苗的成活数等,可用贝努利试验来概括。二项分布二项分布一、贝努利试验及其概率公式在n重贝努利试验中,事件A可能发生0,1,2,n次,现在我们来求事件A 恰好发生k(0kn)次的概率Pn(k)。先取n=4,k=2来讨论。在4次试验中,事件A发生2次的方式二项分布二项分布一、贝努利试验及其概率公式在n重贝努利试验中,事件A可能发生0,1,2,
13、n次,现在我们来求事件A 恰好发生k(0kn)次的概率Pn(k)。二项分布二项分布一、贝努利试验及其概率公式在n重贝努利试验中,事件A可能发生0,1,2,n次,现在我们来求事件A 恰好发生k(0kn)次的概率Pn(k)。二项分布二项分布一、贝努利试验及其概率公式在n重贝努利试验中,事件A可能发生0,1,2,n次,现在我们来求事件A 恰好发生k(0kn)次的概率Pn(k)。二项分布二项分布一、贝努利试验及其概率公式二二项分布二项分布二、二项分布的意义及性质一、二项分布二项分布二、二项分布的意义及性质一、二项分布二项分布二、二项分布的意义及性质二项分布由n和p两个参数决定:1、当p值较小且n不大时
14、,分布是偏倚的。但随着n的增大,分布逐渐趋于对称;2、当p值趋于0.5时,分布趋于对称;3、对于固定的n及p,当k增加时,Pn(k)先随之增加并达到其极大值,以后又下降。n值不同的二项分布比较p值不同的二项分布比较二项分布二项分布二、二项分布的意义及性质二项分布由n和p两个参数决定:此外,在n较大,np、nq较接近时,二项分布接近于正态分布;当n时,二项分布的极限分布是正态分布。n值不同的二项分布比较p值不同的二项分布比较二项分布二项分布三、二项分布的概率计算及应用条件【例】纯种白猪与纯种黑猪杂交,根据孟德尔遗传理论,子二代中白猪与黑猪的比率为31。求窝产仔10头,有7头白猪的概率。二项分布二
15、项分布三、二项分布的概率计算及应用条件【例】纯种白猪与纯种黑猪杂交,根据孟德尔遗传理论,子二代中白猪与黑猪的比率为31。求窝产仔10头,有7头白猪的概率。二项分布二项分布三、二项分布的概率计算及应用条件【例】仔猪黄痢病在常规治疗下死亡率为20,求5 头病猪治疗后死亡头数各可能值相应的概率。二项分布二项分布三、二项分布的概率计算及应用条件【例】仔猪黄痢病在常规治疗下死亡率为20,求5 头病猪治疗后死亡头数各可能值相应的概率。二项分布二项分布三、二项分布的概率计算及应用条件二项分布的应用条件有三二项分布的应用条件有三:(1)各观察单位只具有互相对立的一种结果,如阳性或阴性,生存或死亡等,属于二项分
16、类资料;(2)已知发生某一结果(如死亡)的概率为p,其对立结果的概率则为1-P=q,实际中要求p 是从大量观察中获得的比较稳定的数值;(3)n个观察单位的观察结果互相独立,即每个观察单位的观察结果不会影响到其它观察单位的观察结果。作业:作业:设在家畜中感染某种疾病的概率为20,现有两种疫苗,用疫苗A 注射了15头家畜后无一感染,用疫苗B注射15头家畜后有1头感染。设各头家畜没有相互传染疾病的可能,问:应该如何评价这两种疫苗?提示:假设疫苗AB完全无效,泊松分布泊松分布波松分布是一种可以用来描述和分析随机地发生在单位空间或时间里的稀有事件的概率分布。要观察到这类事件,样本含量n必须很大。在生物、
17、医学研究中,服从波松分布的随机变量是常见的。如,一定畜群中某种患病率很低的非传染性疾病患病数或死亡数,畜群中遗传的畸形怪胎数,每升饮水中大肠杆菌数,计数器小方格中血球数,单位空间中某些野生动物或昆虫数,医院门诊单位时间内就诊患者数等,都是服从波松分布的。泊松分布泊松分布Simeon Denis Poisson特别着迷于小概率事件,特别是许多情况下可能出现的事件。1837年发表,研究了在那个骑兵仍旧是骑马而不是用坦克的时代里普鲁士士兵被马蹄死的人数的数据。泊松分布泊松分布主要内容一、波松分布的意义二、波松分布的概率计算泊松分布泊松分布一、波松分布的意义若随机变量x(x=k)只取零和正整数值0,1
18、,2,且其概率分布为k=0,1,其中0;e=2.7182是自然对数的底数,则称x服从参数为的波松分布波松分布(Poissons distribution),记为xP()。波松分布作为一种离散型随机变量的概率分布有一个重要的特征,这就是它的平均数和方差相等,都等于常数它的平均数和方差相等,都等于常数,即,即=2=。利用这一特征,可以初步判断一个离散型随机变量是否服从波松分布。泊松分布泊松分布一、波松分布的意义【例】调查某种猪场闭锁育种群仔猪畸形数,共记录200窝,畸形仔猪数的分布情况如表所示。试判断畸形仔猪数是否服从波松分布。泊松分布泊松分布一、波松分布的意义【例】调查某种猪场闭锁育种群仔猪畸形
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