第9章概率论与数理统计的MATLAB实现讲稿(共75页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上第9章 概率论与数理统计的MATLAB实现 MATLAB总包提供了一些进行数据统计分析的函数,但不完整。利用MATLAB统计工具箱,可以进行概率和数理统计分析,以及进行比较复杂的多元统计分析。9.1随机变量及其分布 利用统计工具箱提供的函数,可以比较方便地计算随机变量的分布列(或密度函数)和分布函数。9.1.1 常见离散型随机变量的分布列的计算如果随机变量全部可能取到的不相同的值是有限个或可列无限多个,则称为离散型随机变量。MATLAB提供的计算常见离散型随机变量分布列的函数及调用格式:函数调用格式(对应的分布) 分布列y=binopdf(x,n,p)(二项分布) y
2、=geopdf(x,p)(几何分布) y=hygepdf(x,M,K,n)(超几何分布) y=poisspdf(x,lambda)(泊松分布) y=unidpdf(x,n)(离散均匀分布) 9.1.2 常见连续型随机变量的密度函数计算对于随机变量的分布函数,如果存在非负函数,使对于任意实数有则称为连续型随机变量,其中函数称为的密度函数。MATLAB提供的计算常见连续型随机变量分布密度函数的函数及调用格式:函数调用格式(对应的分布) 密度函数y=betapdf(x,a,b)(分布) y=chi2pdf(x,v)(卡方分布) y=exppdf(x,mu)(指数分布) y=fpdf(x,v1,v2)
3、(F分布) y=gampdf(x,a,b)(伽马分布) y=normpdf(x,mu,sigma)(正态分布) y=lognpdf(x,mu,sigma)(对数正态分布) y=raylpdf(x,b)(瑞利分布) y=tpdf(x,v)(学生氏t分布) y=unifpdf(x,a,b)(连续均匀分布) y=weibpdf(x,a,b)(威布尔分布) 比如,用normpdf函数计算正态概率密度函数值。该函数的调用格式为:Y=normpdf(X,MU,SIGMA)计算数据X中各值处参数为MU和SIGMA的正态概率密度函数的值。参数SIGMA必须为正。正态概率密度函数的计算公式为:9.1.3 用函数
4、pdf计算随机变量的分布列或概率密度除了用上述的函数计算服从相应分布的随机变量的分布列或概率密度外,还可以用函数pdf计算随机变量的分布列或概率密度。调用格式:Y = pdf(name,X,A1,A2,A3)返回服从参数为A1,A2,A3的name分布的随机变量在X处的分布列或密度函数值。Y与X同型,分布函数名name常见的取值如下:beta或Beta:Beta分布bino或Binomial:二项分布chi2或Chisquare:卡方分布exp或Exponential:指数分布f或F:F分布gam或Gamma:GAMMA分布geo或Geometric:几何分布hyge或Hypergeometr
5、ic:超几何分布logn或Lognormal:对数正态分布nbin或Negative Binomial:负二项分布ncf或Noncentral F:非中心F分布nct或Noncentral t:非中心t分布ncx2或Noncentral Chi-square:非中心卡方分布norm或Normal:正态分布poiss或Poisson:泊松分布rayl或Rayleigh:瑞利分布t或T:T分布unif或Uniform:均匀分布unid或Discrete Uniform:离散均匀分布weib或Weibull:Weibull分布比如,计算自由度为8的卡方分布,在点2.18处的密度函数值的命令为:pdf
6、(chi2,2.18,8)9.1.4分布函数对于离散型随机变量,设为任意实数,的分布函数为:对于连续型随机变量,假设其概率密度函数为,则其分布函数为:对常见分布的随机变量,MATLAB均提供了专门的函数来计算它们各自的分布函数,这些函数是具体如下:函数调用格式 对应的分布F=betacdf(x,a,b) 分布F=binocdf(x,n,p) 二项分布F=chi2cdf(x,v) 卡方分布F=expcdf(x,mu) 指数分布F=fcdf(x,v1,v2) F分布F=gamcdf(x,a,b) 伽马分布F=geocdf(x,p) 几何分布F=hygecdf(x,M,K,n) 超几何分布F=nor
7、mcdf(x,mu,sigma) 正态分布F=logncdf(x,mu,sigma) 对数正态分布F=poisscdf(x,lambda) 泊松分布F=raylcdf(x,b) 瑞利分布F=tcdf(x,v) 学生氏t分布F=unidcdf(x,n) 离散均匀分布F=unifcdf(x,a,b) 连续均匀分布F=weibcdf(x,a,b) 威布尔分布例如,用normcdf函数计算正态分布的分布函数。该函数的调用格式为:F=normcdf(X,MU,SIGMA)计算参数为MU和SIGMA的正态分布函数在数据X中每个值处的值。参数SIGMA必须为正。正态分布的分布函数为:结果为取自参数为和的正态
8、分布总体的单个观测量落在区间中的概率。另外,还可以用函数cdf计算随机变量的分布函数。调用格式:F= cdf(name,X,A1,A2,A3)返回服从参数为A1,A2,A3的name分布的随机变量在X处的分布函数值。分布函数名name常见的取值同函数pdf中的name。例91某仪器需安装一个电子元件,需要电子元件的使用寿命不低于1000小时即可。现有甲乙两厂的电子元件可供选择,甲厂生产的电子元件的寿命服从正态分布,乙厂生产的电子元件的寿命服从正态分布。问应选哪个工厂的产品呢?解:设,。则有:0.97720.9696因此,应选甲厂生产的产品。注:计算的命令为:1-normcdf(1000,110
9、0,50) 或1-cdf(norm,1000,1100,50) 计算的命令为:1-normcdf(1000,1150,80) 或1-cdf(norm,1000,1150,80)9.1.5 分布函数的逆函数MATLAB中,常见分布的分布函数的逆函数及其调用格式:函数调用格式 对应的分布x=betainv(P,a,b) 分布x=binoinv(P,n,p) 二项分布x=chi2inv(P,v) 卡方分布x=expinv(P,mu) 指数分布x=finv(P,v1,v2) F分布x=gaminv(P,a,b) 伽马分布x=geoinv(P,p) 几何分布x=hygeinv(P,M,K,n) 超几何分
10、布x=norminv(P,mu,sigma) 正态分布x=logninv(P,mu,sigma) 对数正态分布x=poissinv(P,lambda) 泊松分布x=raylinv(P,b) 瑞利分布x=tcdfinv(P,v) 学生氏t分布x=unidinv(P,n) 离散均匀分布x=unifinv(P,a,b) 连续均匀分布x=weibinv(P,a,b) 威布尔分布在MATLAB中,还可以用函数icdf计算随机变量的分布函数的逆函数。调用格式:X=icdf(name,P,A1,A2,A3)服从参数为A1,A2,A3的name分布的随机变量的分布函数在X处值为P。分布函数名name常见的取值
11、同函数pdf中的name。例92有同类设备300台,各台工作状态相互独立。已知每台设备发生故障的概率为0.01,若一台设备发生故障需要1人去处理,问至少需要多少工人,才能保证设备发生故障而不能及时维修的概率小于0.01?解:设表示同一时刻发生故障的设备台数,则有。再设配备位维修人员,则有:即键入命令:x=binoinv(0.99,300,0.01) 或 x=icdf(bino,0.99,300,0.01)运行结果:x =8键入命令:F1=binocdf(8,300,0.01),F2=binocdf(7,300,0.01)运行结果:F1=0.9964,F2=0.9885。因此,至少需要8个工人,
12、才能保证设备发生故障而不能及时维修的概率小于0.01。例93服从卡方分布的随机变量的分布函数的逆函数的应用程序代码:n=5; a=0.05;%n为自由度x_a=chi2inv(1-a,n);%x_a 为临界值x=linspace(0,20,1000);y_pdf=chi2pdf(x,n);%计算的概率密度函数值,供绘图用.plot(x,y_pdf,b)%绘密度函数图形hold onxx=linspace(0,x_a,800);yy_pdf=chi2pdf(xx,n); %计算0,x_a上的密度函数值,供填色用fill(xx,x_a, yy_pdf,0, g) %填色,其中:点(x_a, 0)使
13、得填色区域封闭.text(x_a+0.01,0.005, num2str(x_a) %标注临界值点text(10,0.10, fontsize16Xchi2(5)%图中标注text(1.5,0.03,fontsize161-alpha=0.95 )%图中标注运行结果见图91。图919.2多维随机变量及其分布9.2.1 二维随机变量用mvnpdf和mvncdf函数可以计算二维正态分布随机变量在指定位置处的密度函数值和分布函数值。例94计算服从二维正态分布的随机变量在指定范围内的概率密度值并绘图。程序代码:%二维正态分布的随机变量在指定范围内的概率密度函数图形mu=0 0;sigma=0.25 0
14、.3;0.3 1;%协方差阵x=-3:0.1:3;y=-3:0.15:3;x1,y1=meshgrid(x,y);%将平面区域网格化取值f=mvnpdf(x1(:) y1(:),mu,sigma);%计算二维正态分布概率密度函数值F=reshape(f,numel(y),numel(x);%矩阵重塑surf(x,y,F);%绘刻面图caxis(min(F(:)-0.5*range(F(:),max(F(:);%设置颜色的范围%range(x)表示最大值与最小值的差,即极差。axis(-4 4 -4 4 0 max(F(:)+0.1);%设置坐标轴范围xlabel(x)ylabel(y)zlab
15、el(Probability Density)运行结果见图92。图92二维正态分布的随机变量的密度函数图形9.2.2 边缘分布若连续型随机变量的密度函数为,则关于和的边缘概率密度和分别为:例95设具有概率密度确定常数;求边缘概率密度和。解:由可得;计算程序代码:clear;clc;syms x y Cfxy=C*x2*y;g=int(int(fxy,y,x*x,1),x,-1,1);C=double(solve(g-1)程序代码:clear;clc;syms x yfxy=5.25*x*x*y;fx=int(fxy,y,x*x,1)fy=int(fxy,x,-sqrt(y),sqrt(y)运行
16、结果:fx =21/8*x2*(1-x4)fy =7/2*y(5/2)因此,9.3随机变量的数字特征在解决实际问题过程中,往往并不需要全面了解随机变量的分布情况,而只需要知道它们的某些特征,这些特征通常称为随机变量的数字特征。常见的有数学期望、方差、相关系数和矩等。9.3.1 数学期望 离散型随机变量的数学期望设离散型随机变量的分布律为:,如果绝对收敛,则称的和为随机变量的数学期望。例96设表示一张彩票的奖金额,的分布列如下:500005000500501000.0.0.000090.00090.0090.090.9试求。求解程序代码:%离散型随机变量的数学期望clear;clc;x= 500
17、00 5000 500 50 10 0;p=0. 0. 0.00009 0.0009 0.009 0.09 0.9;Ex=x*p运行结果:Ex=3.2000例97设,求。求解程序:%离散型随机变量的数学期望clear;clc;syms p kEx=symsum(k*p*(1-p)(k-1),k,1,inf)运行结果:Ex=1/p 连续型随机变量的数学期望设连续型随机变量的概率密度为,若积分绝对收敛,则称该积分的值为随机变量的数学期望。例98设的概率密度为:,求。求解程序代码:%连续型随机变量的数学期望clear;clc;syms xf1=x/15002;f2=(3000-x)/15002;Ex
18、=double(int(x*f1,0,1500)+int(x*f2,1500,3000)运行结果:Ex =1500随机变量的函数的数学期望计算公式:例99设圆的直径,求圆的面积的数学期望。求解程序代码:%连续型随机变量的函数的数学期望clear;clc;syms x a bf=1/(b-a);g=pi*x2/4;Ey=simplify(int(f*g,x,a,b)运行结果:Ey =1/12*(a2+b*a+b2)*pi 所以,圆的面积的数学期望为。 二维随机变量的函数的数学期望计算公式:例910设二维随机变量的概率密度为,求。求解程序代码:%二维连续型随机变量的函数的数学期望clear;clc
19、;syms x yf=x+y;Ex=double(int(int(x*y*f,y,0,1),0,1)运行结果:Ex =0.33339.3.2 方差设是一个随机变量,若存在,则称为的方差,记为。即 因此,随机变量的方差实际上是随机变量的函数的数学期望。这里不再举例说明。9.3.3 常见分布的数学期望和方差MATLAB提供了常见分布的均值和方差的计算函数,其调用格式如下:函数调用格式 对应的分布M,V=betastat(a,b) 分布M,V=binostat (n,p) 二项分布M,V=chi2stat(v) 卡方分布M,V=expstat(mu) 指数分布M,V=fstat(v1,v2) F分布
20、M,V=gamstat(a,b) 伽马分布M,V=geostat(p) 几何分布M,V=hygestat(M,K,n) 超几何分布M,V=normstat(mu,sigma) 正态分布M,V=lognstat(mu,sigma) 对数正态分布M,V=poisstat(lambda) 泊松分布M,V=raylstat(b) 瑞利分布M,V=tstat(v) 学生氏t分布M,V=unidstat(n) 离散均匀分布M,V=unifstat(a,b) 连续均匀分布M,V=weibstat(a,b) 威布尔分布9.3.4 协方差矩阵及相关系数矩阵随机变量与的协方差:。随机变量与的相关系数:。设与是容量
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- 概率论 数理统计 MATLAB 实现 讲稿 75
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