Найти математическое ожидание значений случайной величины. Основы теории вероятностей. Математическое ожидание величины. Свойства математического ожидания случайной величины

Величин.

Основные числовые характеристики случайных

Закон распределения плотностью характеризует случайную величину. Но часто он неизвестен, и приходится ограничиваться меньшими сведениями. Иногда даже выгоднее пользоваться числами, которые описывают случайную величину суммарно. Такие числа называют числовыми характеристиками случайной величины. Рассмотрим основные из них.

Определение: Математическим ожиданием М(Х) дискретной случайной величины называют сумму произведений всех возможных значений этой величины на их вероятности:

Если дискретная случайная величина Х принимает счётное множество возможных значений, то

Причем математическое ожидание существует, если данный ряд абсолютно сходится.

Из определения следует, что M(X) дискретной случайной величины есть неслучайная (постоянная) величина.

Пример: Пусть Х – число появлений события А в одном испытании, P(A) = p . Требуется найти математическое ожидание Х .

Решение: Составим табличный закон распределения Х :

X	0	1
P	1 - p	p

Найдем математическое ожидание:

Таким образом, математическое ожидание числа появлений события в одном испытании равно вероятности этого события .

Происхождение термина математическое ожидание связано с начальным периодом возникновения теории вероятностей (XVI-XVIIвв.), когда область ее применения ограничивалась азартными играми. Игрока интересовало среднее значение ожидаемого выигрыша, т.е. математическое ожидание выигрыша.

Рассмотрим вероятностный смысл математического ожидания .

Пусть произведено n испытаний, в которых случайная величина Х приняла m 1 раз значение x 1 , m 2 раз значение x 2 , и так далее, и, наконец, она приняла m k раз значение x k , причём m 1 + m 2 +…+ + m k = n .

Тогда сумма всех значений, принятых случайной величиной Х , равна x 1 m 1 +x 2 m 2 +…+x k m k .

Среднее арифметическое всех значений, принятых случайной величиной Х ,равно:

так как – относительная частота значения для любого значения i = 1, …, k.

Как известно, если число испытаний n достаточно велико, то относительная частота приближённо равна вероятности появления события , следовательно,

Таким образом, .

Вывод: Математическое ожидание дискретной случайной величины приближённо равно (тем точнее, чем больше число испытаний) среднему арифметическому наблюдаемых значений случайной величины.

Рассмотрим основные свойства математического ожидания.

Свойство 1: Математическое ожидание постоянной величины равно самой постоянной величине:

М(С) = С.

Доказательство: Постоянную С можно рассматривать , которая имеет одно возможное значение С и принимает его с вероятностью р = 1. Следовательно, М(С) =С 1= С.

Определим произведение постоянной величины С на дискретную случайную величину Х как дискретную случайную величину СХ , возможные значения которой равны произведениям постоянной С на возможные значения Х СХ равны вероятностям соответствующих возможных значений Х :

СХ	C	C	…	C
Х			…
Р			…

Свойство 2: Постоянный множитель можно выносить за знак математического ожидания:

M(CX) = CM(X).

Доказательство: Пусть случайная величина X задана законом распределения вероятностей:

X			…
P			…

Напишем закон распределения вероятностей случайной величины CX :

СX	C	C	…	C
P			…

М(CX) = C + C = C + ) = C M(X).

Определение: Две случайные величины называются независимыми, если закон распределения одной из них не зависит от того, какие возможные значения приняла другая величина. В противном случае случайные величины зависимы.

Определение: Несколько случайных величин называются взаимно независимыми, если законы распределения любого числа из них не зависят от того, какие возможные значения приняли остальные величины.

Определим произведение независимых дискретных случайных величин X и Y как дискретную случайную величину XY , возможные значения которой равны произведениям каждого возможного значения X на каждое возможное значение Y . Вероятности возможных значений XY равны произведениям вероятностей возможных значений сомножителей.

Пусть даны распределения случайных величин X и Y:

X			…
P			…

Y			…
G			…

Тогда распределение случайной величины XY имеет вид:

XY			…
P			…

Некоторые произведения могут оказаться равными. В этом случае вероятность возможного значения произведения равна сумме соответствующих вероятностей. Например, если = , тогда вероятность значения равна

Свойство 3: Математическое ожидание произведения двух независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий:

M(XY) = M(X) M(Y).

Доказательство: Пусть независимые случайные величины X и Y заданы своими законами распределения вероятностей:

X
P

Y
G

Для упрощения выкладок ограничимся малым числом возможных значений. В общем случае доказательство аналогичное.

Составим закон распределения случайной величины XY :

XY
P

M(XY) =

M(X) M(Y).

Следствие: Математическое ожидание произведения нескольких взаимно независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий.

Доказательство: Докажем для трех взаимно независимых случайных величин X , Y , Z . Случайные величины XY и Z независимы, тогда получаем:

M(XYZ) = M(XY Z) = M(XY) M(Z) = M(X) M(Y) M(Z).

Для произвольного числа взаимно независимых случайных величин доказательство проводится методом математической индукции.

Пример: Независимые случайные величины X и Y

X	5	2
P	0,6	0,1	0,3

Y	7	9
G	0,8	0,2

Требуется найти M(XY) .

Решение: Так как случайные величины X и Y независимы, то M(XY)=M(X) M(Y)=(5 0,6+2 0,1+4 0,3) (7 0,8+9 0,2)= 4,4 7,4 = =32,56.

Определим сумму дискретных случайных величин X и Y как дискретную случайную величину X+Y , возможные значения которой равны суммам каждого возможного значения X с каждым возможным значением Y . Вероятности возможных значений X+Y для независимых случайных величин X и Y равны произведениям вероятностей слагаемых, а для зависимых случайных величин – произведениям вероятности одного слагаемого на условную вероятность второго.

Если = и вероятности этих значений соответственно равны , то вероятность (то же, что и ) равна .

Свойство 4: Математическое ожидание суммы двух случайных величин (зависимых или независимых) равно сумме математических ожиданий слагаемых:

M(X+Y) = M(X) + M(Y).

Доказательство: Пусть две случайные величины X и Y заданы следующими законами распределения:

X
P

Y
G

Для упрощения вывода ограничимся двумя возможными значениями каждой из величин. В общем случае доказательство аналогичное.

Составим все возможные значения случайной величины X+Y (предположим, для простоты, что эти значения различны; если – нет, то доказательство проводится аналогично):

X+Y
P

Найдем математическое ожидание этой величины.

M (X+Y ) = + + + +

Докажем, что + = .

Событие X = (его вероятность P(X = ) влечет за собой событие, состоящее в том, что случайная величина X + Y примет значение или (вероятность этого события, по теореме сложения, равна ) и обратно. Тогда = .

Аналогично доказываются равенства = = =

Подставляя правые части этих равенств в полученную формулу для математического ожидания, получим:

M(X + Y) = + ) = M(X) + M(Y).

Следствие: Математическое ожидание суммы нескольких случайных величин равно сумме математических ожиданий слагаемых.

Доказательство: Докажем для трех случайных величин X , Y , Z . Найдем математическое ожидание случайных величин X +Y и Z :

M(X+Y+Z)=M((X+Y Z)=M(X+Y) M(Z)=M(X)+M(Y)+M(Z)

Для произвольного числа случайных величин доказательство проводится методом математической индукции.

Пример: Найти среднее значение суммы числа очков, которые могут выпасть при бросании двух игральных костей.

Решение: Пусть X – число очков, которое может выпасть на первой кости, Y – на второй. Очевидно, что случайные величины X и Y имеют одинаковые распределения. Запишем данные распределений X и Y в одну таблицу:

X	1	2	3	4	5	6
Y	1	2	3	4	5	6
P	1/6	1/6	1/6	1/6	1/6	1/6

M(X) = M(Y) (1+2+3+4+5+6) = =

M(X + Y) = 7.

Итак, среднее значение суммы числа очков, которые могут выпасть при бросании двух игральных костей равно 7 .

Теорема: Математическое ожидание M(X) числа появлений события А в n независимых испытаниях равно произведению числа испытаний на вероятность появления события в каждом испытании: M(X) = np.

Доказательство: Пусть X – число наступлений события A в n независимых испытаниях. Очевидно, общее число X появлений события A в этих испытаниях складывается из чисел появлений события в отдельных испытаниях. Тогда, если число появлений события в первом испытании, во втором, и так далее, наконец, – число появлений события в n -ом исытании, то общее число появлений события вычисляется по формуле:

По свойству 4 математического ожидания имеем:

M(X) = M( ) + … + M( ).

Так как математическое ожидание числа появлений события в одном испытании равно вероятности события, то

M( ) = M( )= … = M( ) = p.

Следовательно, M(X) = np.

Пример: Вероятность попадания в цель при стрельбе из орудия равна p = 0,6 . Найти среднее число попаданий, если будет произведено 10 выстрелов.

Решение: Попадание при каждом выстреле не зависит от исходов других выстрелов, поэтому рассматриваемые события независимы и, следовательно, искомое математическое ожидание равно:

M(X) = np = 10 0,6 = 6.

Итак, среднее число попаданий равно 6.

Теперь рассмотрим математическое ожидание непрерывной случайной величины.

Определение: Математическим ожиданием непрерывной случайной величины X, возможные значения которой принадлежат отрезку , называют определенный интеграл:

где f(x) – плотность распределения вероятностей.

Если возможные значения непрерывной случайной величины X принадлежат всей оси Ox, то

Предполагается, что данный несобственный интеграл сходится абсолютно, т.е. сходится интеграл Если бы это требование не выполнялось, то значение интеграла зависело бы от скорости стремления (в отдельности) нижнего предела к -∞, а верхнего предела – к +∞.

Можно доказать, что все свойства математического ожидания дискретной случайной величины сохраняются и для непрерывной случайной величины . Доказательство основано на свойствах определенных и несобственных интегралов.

Очевидно, чтоматематическое ожидание M(X) больше наименьшего и меньше наибольшего из возможных значений случайной величины X . Т.е. на числовой оси возможные значения случайной величины расположены слева и справа от ее математического ожидания. В этом смысле, математическое ожидание M(X) характеризует расположение распределения, и поэтому его часто называют центром распределения .

Математическим ожиданием дискретной случайной величины называют сумму произведений всех ее возможных значений на их вероятности.

Пусть случайная величина может принимать только значения вероятности которых соответственно равны Тогда математическое ожидание случайной величины определяется равенством

Если дискретная случайная величина принимает счетное множество возможных значений, то

Причем математическое ожидание существует, если ряд в правой части равенства сходится абсолютно.

Замечание. Из определения следует, что математическое ожидание дискретной случайной величины есть неслучайная (постоянная) величина.

Определение математического ожидания в общем случае

Определим математическое ожидание случайной величины, распределение которой не обязательно дискретно. Начнем со случая неотрицательных случайных величин. Идея будет заключаться в том, чтобы аппроксимировать такие случайные величины с помощью дискретных, для которых математическое ожидание уже определено, а математическое ожидание положить равным пределу математических ожиданий приближающих ее дискретных случайных величин. Кстати, это очень полезная общая идея, состоящая в том, что некоторая характеристика сначала определяется для простых объектов, а затем для более сложных объектов она определяется с помощью аппроксимации их более простыми.

Лемма 1. Пусть есть произвольная неотрицательная случайная величина. Тогда существует последовательность дискретных случайных величин, таких, что

Доказательство. Разобьем полуось на равные отрезки длины и определим

Тогда свойства 1 и 2 легко следуют из определения случайной величины, и

Лемма 2. Пусть -неотрицательная случайная величина и и две последовательности дискретных случайных величин, обладающих свойствами 1-3 из леммы 1. Тогда

Доказательство. Отметим, что для неотрицательных случайных величин мы допускаем

В силу свойства 3 легко видеть, что существует последовательность положительных чисел, такая что

Отсюда следует, что

Используя свойства математических ожиданий для дискретных случайных величин, получаем

Переходя к пределу при получаем утверждение леммы 2.

Определение 1. Пусть - неотрицательная случайная величина, -последовательность дискретных случайных величин, обладающих свойствами 1-3 из леммы 1. Математическим ожиданием случайной величины называется число

Лемма 2 гарантирует, что не зависит от выбора аппроксимирующей последовательности.

Пусть теперь - произвольная случайная величина. Определим

Из определения и легко следует, что

Определение 2. Математическим ожиданием произвольной случайной величины называется число

Если хотя бы одно из чисел в правой части этого равенства конечно.

Свойства математического ожидания

Свойство 1. Математическое ожидание постоянной величины равно самой постоянной:

Доказательство. Будем рассматривать постоянную как дискретную случайную величину, которая имеет одно возможное значение и принимает его с вероятностью следовательно,

Замечание 1. Определим произведение постоянной величины на дискретную случайную величину как дискретную случайную возможные значения которой равны произведениям постоянной на возможные значения; вероятности возможных значений равны вероятностям соответствующих возможных значений Например, если вероятность возможного значения равна то вероятность того, что величина примет значение также равна

Свойство 2. Постоянный множитель можно выносить за знак математического ожидания:

Доказательство. Пусть случайная величина задана законом распределения вероятностей:

Учитывая замечание 1, напишем закон распределения случайной величины

Замечание 2. Прежде, чем перейти к следующему свойству, укажем, что две случайные величины называют независимыми, если закон распределения одной из них не зависит от того, какие возможные значения приняла другая величина. В противном случае случайные величины зависимы. Несколько случайных величин называют взаимно независимыми, если законы распределения любого числа их них не зависят от того, какие возможные значения приняли остальные величины.

Замечание 3. Определим произведение независимых случайных величин и как случайную величину возможные значения которой равны произведениям каждого возможного значения на каждое возможное значение вероятности возможных значений произведения равны произведениям вероятностей возможных значений сомножителей. Например, если вероятность возможного значения равна, вероятность возможного значения равна то вероятность возможного значения равна

Свойство 3. Математическое ожидание произведения двух независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий:

Доказательство. Пусть независимые случайные величины и заданы своими законами распределения вероятностей:

Составим все значения, которые может принимать случайная величина Для этого перемножим все возможные значения на каждое возможное значение; в итоге получим и учитывая замечание 3, напишем закон распределения предполагая для простоты, что все возможные значения произведения различны (если это не так, то доказательство проводится аналогично):

Математическое ожидание равно сумме произведений всех возможных значений на их вероятности:

Следствие. Математическое ожидание произведения нескольких взаимно независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий.

Свойство 4. Математическое ожидание суммы двух случайных величин равно сумме математических ожиданий слагаемых:

Доказательство. Пусть случайные величины и заданы следующими законами распределения:

Составим все возможные значения величины Для этого к каждому возможному значению прибавим каждое возможное значение; получим Предположим для простоты, что эти возможные значения различны (если это не так, то доказательство проводится аналогично), и обозначим их вероятности соответственно через и

Математическое ожидание величины равно сумме произведений возможных значений на их вероятности:

Докажем, что Событие, состоящее в том, что примет значение (вероятность этого события равна), влечет за собой событие, которое состоит в том, что примет значение или (вероятность этого события по теореме сложения равна), и обратно. Отсюда и следует, что Аналогично доказываются равенства

Подставляя правые части этих равенств в соотношение (*), получим

или окончательно

Дисперсия и среднее квадратическое отклонение

На практике часто требуется оценить рассеяние возможных значений случайной величины вокруг ее среднего значения. Например, в артиллерии важно знать, насколько кучно лягут снаряды вблизи цели, которая должна быть поражена.

На первый взгляд может показаться, что для оценки рассеяния проще всего вычислить все возможные значения отклонения случайной величины и затем найти их среднее значение. Однако такой путь ничего не даст, так как среднее значение отклонения, т.е. для любой случайной величины равно нулю. Это свойство объясняется тем, что одни возможные отклонения положительны, а другие - отрицательны; в результате их взаимного погашения среднее значение отклонения равно нулю. Эти соображения говорят о целесообразности заменить возможные отклонения их абсолютными значениями или их квадратами. Так и поступают на деле. Правда, в случае, когда возможные отклонения заменяют их абсолютными значениями, приходится оперировать с абсолютными величинами, что приводит иногда к серьезным затруднениям. Поэтому чаще всего идут по другому пути, т.е. вычисляют среднее значение квадрата отклонения, которое и называется дисперсией.

Наиболее полной характеристикой случайной величины является ее закон распределения. Однако он не всегда известен и в этих случаях приходится довольствоваться меньшими сведениями. К таким сведениям могут относиться: диапазон изменения случайной величины, наибольшее (наименьшее) ее значение, некоторые другие характеристики, которые описывают случайную величину некоторым суммарным способом. Все эти величины называют числовыми характеристиками случайной величины. Обычно это некоторые неслучайные числа, так или иначе характеризующие случайную величину. Основное назначение числовых характеристик – в сжатой форме выразить наиболее существенные особенности того или иного распределения.

Простейшей числовой характеристикой случайной величины Х называется ее математическое ожидание :

М(Х)=х 1 р 1 +х 2 р 2 +…+x n p n . (1.3.1)

Здесь х 1 , х 2 , …, х n – возможные значения случайной величины Х , а р 1 , р 2 , …, р n – их вероятности.

Пример 1. Найти математическое ожидание случайной величины, если известен ее закон распределения:

Решение . М(Х)=2×0,3+3×0,1+5×0,6=3,9 .

Пример 2 . Найти математическое ожидание числа появлений события А в одном испытании, если вероятность этого события равна р .

Решение . Если Х – число появлений события А в одном испытании, то, очевидно, закон распределения Х имеет вид:

Тогда М(Х)=0×(1–р)+1×р=р .

Итак: математическое ожидание числа появлений события в одном испытании равно его вероятности.

Вероятностный смысл математического ожидания

Пусть произведено n испытаний, в которых случайная величина Х приняла m 1 раз значение х 1 , m 2 раз значение х 2 , …, m k раз значение х k . Тогда сумма всех значений в n испытаниях равна:

х 1 m 1 +x 2 m 2 +…+x k m k .

Найдем среднее арифметическое всех значений, принятых случайной величиной:

Значения – относительные частоты появления значений х i (i=1, …, k) . Если n достаточно велико (n®¥) , то эти частоты приблизительно равны вероятностям: . Но тогда

=x 1 p 1 +x 2 p 2 +…+x k p k =M(X).

Таким образом, математическое ожидание приближенно равно (тем точнее, чем больше число испытаний) среднему арифметическому наблюдаемых значений случайной величины. В этом состоит вероятностный смысл математического ожидания.

Свойства математического ожидания

1. Математическое ожидание постоянной равно самой постоянной.

М(С)=С×1=С .

2. Постоянный множитель можно выносить за знак математического ожидания

М(СХ)=С×М(Х) .

Доказательство . Пусть закон распределения Х задан таблицей:

Тогда случайная величина СХ принимает значения Сх 1 , Сх 2 , …, Сх n с теми же вероятностями , т.е. закон распределения СХ имеет вид:

М(СХ)=Сх 1 ×р 1 +Сх 2 ×р 2 +…+Сх n ×p n =

=С(х 1 р 1 +х 2 р 2 +…+х n p n)=СМ(Х).

3. Математическое ожидание произведения двух независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий:

М(XY)=M(X)×M(Y) .

Это утверждение дается без доказательства (доказательство основано на определении математического ожидания).

Следствие . Математическое ожидание произведения нескольких взаимно независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий.

В частности, для трех независимых случайных величин

М(XYZ)=M(X)×M(Y)×M(Z) .

Пример . Найти математическое ожидание произведения числа очков, которые могут выпасть при бросании двух игральных костей.

Решение . Пусть Х i – число очков на i -й кости. Это могут быть числа 1 , 2 , …, 6 с вероятностями . Тогда

М(Х i)=1× +2× +…+6× = (1+2+…+6)= × ×6= .

Пусть Х=Х 1 ×Х 2 . Тогда

М(Х)=М(Х 1)×М(Х 2)= =12,25 .

4. Математическое ожидание суммы двух случайных величин (независимых или зависимых) равно сумме математических ожиданий слагаемых:

М(Х+Y)=M(X)+M(Y) .

Это свойство обобщается на случай произвольного количества слагаемых.

Пример . Производится 3 выстрела с вероятностями попадания в цель, равными р 1 =0,4 , р 2 =0,3 и р 3 =0,6 . Найти математическое ожидание общего числа попаданий.

Решение . Пусть Х i – число попаданий при i -м выстреле. Тогда

М(Х i)=1×p i +0×(1–p i)=p i .

Таким образом,

M(X 1 +X 2 +X 3)= =0,4+0,3+0,6=1,3 .

Закон распределения полностью характеризует случайную величину. Однако часто закон распределения неизвестен и приходится ограничиваться меньшими сведениями. Иногда даже выгоднее пользоваться числами, которые описывают случайную величину суммарно, такие числа называют числовыми характеристиками случайной величины. К числу важных числовых характеристик относится математическое ожидание.

Математическое ожидание, как будет показано далее, приближенно равно среднему значению случайной величины. Для решения многих задач достаточно знать математическое ожидание. Например, если известно, что математическое ожидание числа выбиваемых очков у первого стрелка больше, чем у второго, то первый стрелок в среднем выбивает больше очков, чем второй, и, следовательно, стреляет лучше второго.

Определение4.1: Математическим ожиданием дискретной случайной величины называют сумму произведений всех ее возможных значений на их вероятности.

Пусть случайная величина X может принимать только значения x 1, x 2, … x n , вероятности которых соответственно равны p 1, p 2, … p n . Тогда математическое ожидание M (X ) случайной величины X определяется равенством

M (X) = x 1 p 1 + x 2 p 2 + …+ x n p n .

Eсли дискретная случайная величина X принимает счетное множество возможных значений, то

причем математическое ожидание существует, если ряд в правой части равенства сходится абсолютно.

Пример. Найти математическое ожидание числа появлений события A в одном испытании, если вероятность события A равна p .

Решение: Случайная величина X – число появлений события A имеет распределение Бернулли, поэтому

Вероятностный смысл математического ожидания

Пусть произведено n испытаний, в которых случайная величина X приняла m 1 раз значение x 1 , m 2 раз значение x 2 ,…, m k раз значение x k , причем m 1 + m 2 + …+ m k = n . Тогда сумма всех значений, принятых X , равна x 1 m 1 + x 2 m 2 + …+ x k m k .

Среднее арифметическое всех значений, принятых случайной величиной, будет

Отношение m i / n - относительная частота W i значения x i приближенно равно вероятности появления события p i , где , поэтому

Вероятностный смысл полученного результата таков: математическое ожидание приближенно равно (тем точнее, чем больше число испытаний) среднему арифметическому наблюдаемых значений случайной величины .

Свойства математического ожидания

Свойство1: Математическое ожидание постоянной величины равно самой постоянной

Свойство2: Постоянный множитель можно выносить за знак математического ожидания

Определение4.2: Две случайные величины называются независимыми , если закон распределения одной из них не зависит от того, какие возможные значения приняла другая величина. В противном случае случайные величины зависимы .

Определение4.3: Несколько случайных величин называют взаимно независимыми , если законы распределения любого числа из них не зависят от того, какие возможные значения приняли остальные величины.

Свойство3: Математическое ожидание произведения двух независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий.

Свойство4: Математическое ожидание суммы двух случайных величин равно сумме их математических ожиданий.

Следствие: Математическое ожидание суммы нескольких случайных величин равно сумме их математических ожиданий.

Пример. Вычислим математическое ожидание биномиальной случайной величины X – числа наступления события A в n опытах.

Решение: Общее число X появлений события A в этих испытаниях складывается из чисел появлений события в отдельных испытаниях. Введем случайные величины X i – число появлений события в i -ом испытании, которые являются Бернуллиевскими случайными величинами с математическим ожиданием , где . По свойству математического ожидания имеем

Таким образом, математическое ожидание биномиального распределения с параметрами n и p равно произведению np .

Пример. Вероятность попадания в цель при стрельбе из орудия p = 0,6. Найти математическое ожидание общего числа попаданий, если будет произведено 10 выстрелов.

Решение: Попадание при каждом выстреле не зависит от исходов других выстрелов, поэтому рассматриваемые события независимы и,следовательно, искомое математическое ожидание

2. Основы теории вероятностей

Математическое ожидание

Рассмотрим случайную величину с числовыми значениями. Часто оказывается полезным связать с этой функцией число – ее «среднее значение» или, как говорят, «среднюю величину», «показатель центральной тенденции». По ряду причин, некоторые из которых будут ясны из дальнейшего, в качестве «среднего значения» обычно используют математическое ожидание.

Определение 3. Математическим ожиданием случайной величины Х называется число

т.е. математическое ожидание случайной величины – это взвешенная сумма значений случайной величины с весами, равными вероятностям соответствующих элементарных событий.

Пример 6. Вычислим математическое ожидание числа, выпавшего на верхней грани игрального кубика. Непосредственно из определения 3 следует, что

Утверждение 2. Пусть случайная величина Х принимает значения х 1 , х 2 ,…, х m . Тогда справедливо равенство

(5)

т.е. математическое ожидание случайной величины – это взвешенная сумма значений случайной величины с весами, равными вероятностям того, что случайная величина принимает определенные значения.

В отличие от (4), где суммирование проводится непосредственно по элементарным событиям, случайное событие может состоять из нескольких элементарных событий.

Иногда соотношение (5) принимают как определение математического ожидания. Однако с помощью определения 3, как показано далее, более легко установить свойства математического ожидания, нужные для построения вероятностных моделей реальных явлений, чем с помощью соотношения (5).

Для доказательства соотношения (5) сгруппируем в (4) члены с одинаковыми значениями случайной величины :

Поскольку постоянный множитель можно вынести за знак суммы, то

По определению вероятности события

С помощью двух последних соотношений получаем требуемое:

Понятие математического ожидания в вероятностно-статистической теории соответствует понятию центра тяжести в механике. Поместим в точки х 1 , х 2 ,…, х m на числовой оси массы P (X = x 1 ), P (X = x 2 ),…, P (X = x m ) соответственно. Тогда равенство (5) показывает, что центр тяжести этой системы материальных точек совпадает с математическим ожиданием, что показывает естественность определения 3.

Утверждение 3. Пусть Х – случайная величина, М(Х) – ее математическое ожидание, а – некоторое число. Тогда

1) М(а)=а; 2) М(Х-М(Х))=0; 3) М[(X - a ) 2 ]= M [(X - M (X )) 2 ]+(a - M (X )) 2 .

Для доказательства рассмотрим сначала случайную величину, являющуюся постоянной, т.е. функция отображает пространство элементарных событий в единственную точку а . Поскольку постоянный множитель можно выносить за знак суммы, то

Если каждый член суммы разбивается на два слагаемых, то и вся сумма разбивается на две суммы, из которых первая составлена из первых слагаемых, а вторая – из вторых. Следовательно, математическое ожидание суммы двух случайных величин Х+У , определенных на одном и том же пространстве элементарных событий, равно сумме математических ожиданий М(Х) и М(У) этих случайных величин:

М(Х+У) = М(Х) + М(У).

А потому М(Х-М(Х)) = М(Х) - М(М(Х)). Как показано выше, М(М(Х)) = М(Х). Следовательно, М(Х-М(Х)) = М(Х) - М(Х) = 0.

Поскольку (Х - а) 2 = {(X – M (X )) + (M (X ) - a )} 2 = (X - M (X )) 2 + 2(X - M (X ))(M (X ) - a ) + (M (X ) – a ) 2 , то M [(Х - а) 2 ] = M (X - M (X )) 2 + M {2(X - M (X ))(M (X ) - a )} + M [(M (X ) – a ) 2 ]. Упростим последнее равенство. Как показано в начале доказательства утверждения 3, математическое ожидание константы – сама эта константа, а потому M [(M (X ) – a ) 2 ] = (M (X ) – a ) 2 . Поскольку постоянный множитель можно выносить за знак суммы, то M {2(X - M (X ))(M (X ) - a )} = 2(M (X ) - a )М(X - M (X )). Правая часть последнего равенства равна 0, поскольку, как показано выше, М(Х-М(Х))=0. Следовательно, М[(X - a ) 2 ]= M [(X - M (X )) 2 ]+(a - M (X )) 2 , что и требовалось доказать.

Из сказанного вытекает, что М[(X - a ) 2 ] достигает минимума по а , равного M [(X - M (X )) 2 ], при а = М(Х), поскольку второе слагаемое в равенстве 3) всегда неотрицательно и равно 0 только при указанном значении а .

Утверждение 4. Пусть случайная величина Х принимает значения х 1 , х 2 ,…, х m , а f – некоторая функция числового аргумента. Тогда

Для доказательства сгруппируем в правой части равенства (4), определяющего математическое ожидание, члены с одинаковыми значениями :

Пользуясь тем, что постоянный множитель можно выносить за знак суммы, и определением вероятности случайного события (2), получаем

что и требовалось доказать.

Утверждение 5. Пусть Х и У – случайные величины, определенные на одном и том же пространстве элементарных событий, а и b – некоторые числа. Тогда M (aX + bY )= aM (X )+ bM (Y ).

С помощью определения математического ожидания и свойств символа суммирования получаем цепочку равенств:

Требуемое доказано.

Выше показано, как зависит математическое ожидание от перехода к другому началу отсчета и к другой единице измерения (переход Y =aX +b ), а также к функциям от случайных величин. Полученные результаты постоянно используются в технико-экономическом анализе, при оценке финансово-хозяйственной деятельности предприятия, при переходе от одной валюты к другой во внешнеэкономических расчетах, в нормативно-технической документации и др. Рассматриваемые результаты позволяют применять одни и те же расчетные формулы при различных параметрах масштаба и сдвига.