diff --git a/jk_web/teaching_25_past1/__init__.py b/jk_web/teaching_25_past1/__init__.py index d19df0a7ca9f76386dbc6d2bd99e1a35a72dd6c2..7b9a9a5fb3594b8bdf7499229a83f08714acaf09 100644 --- a/jk_web/teaching_25_past1/__init__.py +++ b/jk_web/teaching_25_past1/__init__.py @@ -101,7 +101,8 @@ with web.Module("teaching_25_past1") as module: b<<lesson(5, "13. 3.", "Střední hodnota d. n. v.", pdf='pdf') b<<lesson(6, "27. 3.", "Náhodné veličiny a vektory") b<<lesson(7, "3. 4.", "Nediskrétní náhodné veličiny") - b<<lesson(8, "10. 4.", "Nediskrétní náhodné veličiny") + b<<lesson(8, "10. 4.", "Spojité náhodné veličiny") + b<<lesson(9, "17. 4.", "Spojité náhodné vektory") return base_page(b.root) diff --git a/jk_web/teaching_25_past1/cvic9.tex b/jk_web/teaching_25_past1/cvic9.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..b8817c8e55c57a2edd9572eb02afca93a3be1283 --- /dev/null +++ b/jk_web/teaching_25_past1/cvic9.tex @@ -0,0 +1,252 @@ +\documentclass{article} +\usepackage{cvika} +\begin{document} + +\Nadpis{\bf 9. cvičení z PSt --- 17.4.2025} + +\nnadpis{Distribuční funkce a nezávislost} + +\pr +Nechť $X_i \sim Exp(\lambda_i)$ pro $i=1, \dots, n$ jsou nezávislé náhodné veličiny. +Označme $M = \min(X_1, \dots, X_n)$. Ukažte, že +$M \sim Exp(\lambda_1 + \dots + \lambda_n)$. + + +\pr +Buď $Y$ maximum z~$n$ uniformně náhodných čísel z intervalu $[0,1]$. + +\cast Najděte distribuční funkci $F_Y$. +\cast Odsud určete hustotu $f_Y$. +\cast Spočtěte $\E(Y)$. +\cast Jak je to pro minimum těch čísel? +\cast* A co pro $k$-té nejmenší číslo? + +\nadpis{Sdružená hustota} + +\pr +Nechť $X$, $Y$ mají sdruženou hustotu $f_{X,Y}(x,y) = e^{-x-y}$ pro $x,y > 0$ (a 0 jinak). + +\cast Určete marginální hustoty $f_X$, $f_Y$. +\cast Určete také distribuční funkce $F_X$, $F_Y$, $F_{X,Y}$. +\cast Jsou $X$, $Y$ nezávislé? +\cast Najděte $\P(X+Y \le 1)$ a $\P(X > Y)$. + +\pr (Buffonova jehla) +Na nekonečnou podlahu hodíme náhodně jehlu délky~$\ell$. Podlaha je z prken, jejichž okraje tvoří rovnoběžné přímky +ve vzdálenosti $d \ge \ell$. Určete pravděpodobnost, že jehla bude přesahovat okraj některého prkna. +%2\ell/(\pi d) + +\nadpis{Celková pravděpodobnost} + +\pr Pro n.n.v. $X \sim U(0,2)$ a $Y \sim U(0,1)$ zkoumáme $\P(X < Y)$. Řešte + +\cast Přímo z obrázku. + +\cast Rozborem možností n.v. $Y$ pomocí vzorce (analogie věty o celkové pravděpodobnosti) +$$ + \P(X < Y) = \int_0^1 f_Y(y) \P( X<Y | Y=y) dy. +$$ + +\cast Rozborem možností n.v. $X$ pomocí vzorce +$$ + \P(X < Y) = \int_0^2 f_X(x) \P( X<Y | X=x) dx. +$$ + + +\nadpis{Konvoluce} + +\pr +Buďte $X, Y, Z \sim U(0,1)$ nezávislé náhodné veličiny. + +\cast Jaké je rozdělení $X+Y$? Určete hustotu (dvěma způsoby) -- podle konvolučního vzorce i \uv{podle obrázku}. +\cast Jaké je rozdělení $X+Y+Z$? Pro jednoduchost určete hustotní funkci jen na intervalu $[0,1]$. +\cast Jak výsledek ověřit samplováním? %(Proveďte rychlý experiment, např. v Rku, nebo jen popište, co byste dělali.) + +\pr +Buďte $X, Y, Z \sim Exp(\lambda)$ nezávislé náhodně veličiny. + +\castusporna Jaké je rozdělení $X+Y$? +\castusporna Jaké je rozdělení $X+Y+Z$? + + +\nadpis{Nápověda} +1: Vyjádřete $P(M > m)$ pomocí $P(X_i > m)$ pro $i=1, \dots, n$. + +2: a) Jaká je distribuční funkce~$Y$ pomocí distribučních fcí těch uniformně náhodných čísel? +b) $f = F'$ + +3d: Jedna část je lehká. Pro druhou nakreslete, přes jakou množinu se má integrovat. +Pak případně vyjádřete jako dvojný integrál se správně zapsanými mezemi. +Pokud zvlédnete to, zbytek je lehký. + +4: Nakreslete obrázek a popište polohu jehly pomocí dvou náhodných proměnných (posun a úhel). + +6, 7: Použijte vzorec na konci další stránky. + + +%5a: Napište vzorec distribuční funkce $U(a,b)$ a odsud určete kvantilovou funkci. + +%5b: Hustota Cauchyho rozdělení je $c/(1+x^2)$. Jaké musí být $c$, aby to byla hustota? +%Jaká je distribuční funkce, jaká je kvantilová funkce? + +%5b: Nehledejte explicitní vzorec, jen formulku pomocí $\Phi$. + +%5c: Nakreslete si napřed, jak vypadá distribuční funkce, pak jak vypadá kvantilová funkce. + +%11: (a) hustota je konstatní v tom polokruhu, nulová jinde. (b) Integrace podle $x$. (c) Máte dvě možná pořadí integrování. +%Jedno vede na stejný výpočet jako v části (b). + + +%\nadpis{Bonusy} + +\nadpis{K procvičení} + +\pr +Volme uniformně náhodně bod z polokruhu o poloměru 1, se středem v počátku a v horní polorovině. +(Uniformně znamená, že pravděpodobnost každé podmnožiny je úměrná jejímu obsahu.) +Označme $X$, $Y$ souřadnice zvoleného bodu. + +\cast Najděte sdruženou hustotu $f_{X,Y}$. +\cast Najděte marginální hustotu $f_Y$ a spočtěte pomocí ní $\E(Y)$. +\cast Pro kontrolu spočtěte $\E(Y)$ přímo (pomocí pravidla PNS). + +\pr +Metrový klacek rozlomíme na dva kusy -- lomem v uniformně náhodném bodě. +Buď $D$ délka delší části. + +\castusporna Jaké je rozdělení~$D$? +\castusporna Určete $\E(D)$. + + +\nadpis{Bonus} + +\pr +Metrový klacek zlomíme v uniformně náhodném bodě a ponecháme si levý kus. Jeho délku označíme~$Y$. +V něm opět vybereme uniformně náhodný bod, kde klacek zlomíme, a délku levého kusu označíme $X$. + +\cast Najděte sdruženou hustotu $f_{X,Y}$. Může vám pomoci tzv.~podmíněná hustota $f_{X|Y} = f_{X,Y}/f_Y$. +\cast Najděte marginální hustotu $f_X$. +\cast Pomocí $f_X$ spočtěte $\E(X)$. +\cast Spočtěte $\E(X)$ pomocí vztahu $X = Y \cdot (X/Y)$. + + + + +\nadpis{Soupis vzorečků} + +\begin{itemize} + \item Vztah sdružené hustoty a sdružené distribuční funkce + \begin{align*} + F_{X,Y}(x,y) &= \int_{-\infty}^x \int_{-\infty}^y f_{X,Y}(s,t) dt ds \\ + f_{X,Y}(x,y) &= \frac{\partial^2 F_{X,Y}(x,y)}{\partial x \partial y} + \end{align*} + \item Marginální hustota ze sdružené + \vspace{-5mm} + \begin{align*} + f_X(x) &= \int_{-\infty}^\infty f_{X,Y}(x,y) dy \\ + f_Y(y) &= \int_{-\infty}^\infty f_{X,Y}(x,y) dx + \end{align*} +% \item Dvojné integrály jde prohazovat (Fubiniho věta) $\int_X\! \int_Y f(x,y) dy dx = \int_Y\! \int_X f(x,y) dx dy$. +% Potřeba je, aby se nejednalo o \uv{integrály typu $\infty-\infty$}, neboli $\int_X\int_Y |f(x,y)|$ musí být konečný + \item pro \uv{rozumnou} množinu~$A$ platí $\P((X,Y) \in A) = \int_A f_{X,Y}(x,y) dx dy$. + \item \textbf{nezávislost:} $X \perp Y$ $\iff$ $F_{X,Y}(x,y) = F_X(x)F_Y(y)$ $\iff$ $f_{X,Y}(x,y) = f_X(x)f_Y(y)$ +% \item $f_{X,Y}(x,y) = f_Y(y) f_{X|Y}(x|y)$ +% \item $f_X(x) = \int_{-\infty}^\infty f_{X|Y}(x|y) f_Y(y) dy$ +% \item $\E(X|B) = \int_{-\infty}^\infty x\cdot f_{X|B}(x) dx$ + \item \textbf{PNS:} $\E(g(X)|B) = \int_{-\infty}^\infty g(x) f_{X|B}(x) dx$ + \item \textbf{Konvoluční vzorec:} Pro spojité nezávislé n.v. $X$, $Y$ má veličina $Z = X+Y$ hustotu + $$ + f_Z(z) = \int_{-\infty}^\infty f_X(x) f_Y(z-x) dx. + $$ +\end{itemize} + + + + +\end{document} + +\pr +Nechť $X$ je n.v. s hustotou +$$ +f_X(x) = \begin{cases} + x/4 & \mbox{pro $1 < x \le 3$} \\ + 0 & \mbox{jinak.} +\end{cases} +$$ +Označme $A$ jev $\{X \ge 2\}$. + +\cast Spočtěte $\E(X)$, $\P(A)$, $f_{X|A}$ a $\E(X|A)$. + +\cast Označme $Y = X^2$. Spočtěte $\E(Y)$ a $\var(Y)$. + + +% computer crash CLV vs. Poisson + +\nadpis{Samplování} +\pr +Nechť $X_1$, \dots, $X_n$ jsou nezávislé náhodné veličiny a mají všechny stejné rozdělení +se střední hodnotou~$\mu$ a rozptylem~$\sigma^2$. +Označme $S_n = (X_1 + \dots + X_n)/n$. + +\cast Určete $\E(S_n)$ a $\var(S_n)$. +\cast Ukažte, jak lze počítat $S_n$ z $S_{n-1}$, $X_n$ a $n$. +%\cast Sestavte program v libovolném jazyce a ověřte pomocí něj hodnotu $\mu$ některého rozdělení, +% o kterém jsme si říkali. +\cast Použijte vhodné $X_i$, aby $\mu$ obsahovalo číslo $\pi$. + Sestavte program v libovolném jazyce a spočítejte pomocí něj hodnotu $\pi$. + (Jak velké $n$ myslíte, že bude potřeba pro pět správných číslic?) + +%použijte větu o linearitě střední hodnoty a o rozptylu součtu n.n.v. + +\nadpis{Podmíněná hustota} + +\pr +Nechť $X$, $Y$ mají sdruženou hustotu +$$ +f(x,y) = \begin{cases} + e^{-y} & \mbox{pro $0 < x < y < \infty$} \\ + 0 & \mbox{jinak.} +\end{cases} +$$ + +\cast Určete podmíněnou hustotu $f_{X|Y}$. +\cast Určete podmíněnou hustotu $f_{Y|X}$. + + +\pr +Metrový klacek rozlomíme na tři kusy jedním z níže popsaných způsobů. Pro každý z nich spočítejte, +jaká je pravděpodobnost, že ze získaných tří kusů jde sestavit trojúhelník. +(Nápověda: napřed si rozmyslete, kdy jsou tři kladná čísla se součtem jedna stranami nějakého trojúhelníku.) + +\cast Vybereme uniformně náhodně dva body zlomu. +\cast Vybereme uniformně náhodně první bod zlomu. Pak totéž uděláme s kusem klacku v pravé ruce. +\cast Vybereme uniformně náhodně první bod zlomu. Pak totéž uděláme s větším kusem klacku. + + + +\pr +Volme uniformně náhodně bod z trojúhelníku s vrcholy v bodech $[0,0]$, $[0,1]$ a $[1,0]$, +tj. pravděpodobnost každé podmnožiny je úměrná jejímu obsahu. +Označme $X$, $Y$ souřadnice zvoleného bodu. + +\cast Najděte sdruženou hustotu $f_{X,Y}$. +\cast Najděte marginální hustotu $f_Y$. +\cast Najděte podmíněnou hustotu $f_{X|Y}$. +\cast Spočtěte $\E(X | Y=y)$ a podle věty o rozboru možností spočtěte $\E(X)$ (pomocí $\E(Y)$). +\cast Spočtěte $\E(X)$ pomocí předchozí části a symetrie. + + + +\nadpis{Generování náhodných veličin} + +\pr +Vzpomeňte si na větu z přednášky. Nechť $U \sim U(0,1)$. +Jak vyrobíte náhodnou veličinu + +\cast s rozdělením $U(a,b)$? +%\cast s Cauchyho rozdělením? (připomeňte si, že $\int 1/(1+x^2) = \arctg x + C$) +%\cast s exponenciálním rozdělením? bylo na přednášce +\cast s rozdělením $N(0,1)$? (Využijte funkce $\Phi$ jako ``black box''.) +\cast s uniformním rozdělením na množině $\{1, 2, \dots, 6\}$? + +