Некоторые главы мат. анализа
Некоторые главы мат анализа
ГЛАВА 1 РЯДЫ И ИНТЕГРАЛ ФУРЬЕ
Основные сведения
Функция
f(x),
определенная на всей числовой оси
называется периодической,
если существует такое число
,
что при любом значении х
выполняется
равенство
.
Число Т
называется периодом
функции.
Отметим некоторые с в о й с т в а этой функции:
1) Сумма, разность, произведение и частное периодических функций периода Т есть периодическая функция периода Т.
2) Если
функция f(x)
период Т
,
то функция f(ax)
имеет
период
.
3) Если
f(x)
-
периодическая функция периода Т
, то равны любые два интеграла от этой
функции, взятые по промежуткам длины Т
(при этом интеграл существует), т. е. при
любых a
и
b
справедливо равенство
.
Тригонометрический ряд. Ряд Фурье
Если
f(x)
разлагается на отрезке
в равномерно сходящийся тригонометрический
ряд:
(1)
,то это разложение единственное и коэффициенты определяются по формулам:
, где n=1,2,
. . .
Тригонометрический
ряд (1) рассмотренного вида с коэффициентами
называется тригонометрическим
рядом Фурье,
а
коэффициентами ряда Фурье.
Достаточные признаки разложимости функции в ряд Фурье
Точка
разрыва функции
называют точкой разрыва первого рода,
если существует конечные пределы справа
и слева этой функции в данной точке.
ТЕОРЕМА 1
(Дирихле). Если
периодическая с периодом
функция непрерывна или имеет конечное
число точек разрыва 1-ого рода на отрезке
[
]
и этот отрезок можно разбить на конечное
число частей, в каждом из которых f(x)
монотонна, то ряд Фурье относительно
функции сходится к f(x)
в точках непрерывности и к
среднеарифметическому односторонних
пределов в точках разрыва рода (Функция
удовлетворяющая этим условиям называется
кусочно-монотонной).
ТЕОРЕМА 2.
Если f(x)
периодическая функция с периодом
, которая на отрезке [
]
вместе со своей производной непрерывна
или имеет конечное число точек разрыва
первого рода, то ряд Фурье функции
f(x)
в точках разрыва к среднему арифметическому
односторонних пределов (Функция
удовлетворяющая этой теореме называется
кусочно-гладкой).
Ряды Фурье для четных и нечетных функций
Пусть f(x) - четная функция с периодом 2L , удовлетворяющая условию f(-x) = f(x) .
Тогда для коэффициентов ее ряда Фурье находим формулы:
=
=
=
0
, где n=1,2,
. . .
Таким образом, в ряде Фурье для четной функции отсутствуют члены с синусами, и ряд Фурье для четной функции с периодом 2L выглядит так:
Пусть теперь f(x) - нечетная функция с периодом 2L, удовлетворяющая условию f(-x) = - f(x).
Тогда для коэффициентов ее ряда Фурье находим формулы:
, где
n=1,2,
. . .
Таким образом, в ряде Фурье для нечетной функции отсутствует свободный член и члены с косинусами, и ряд Фурье для нечетной функции с периодом 2L выглядит так:
Если функция
f(x)
разлагается в тригонометрический ряд
Фурье на промежутке
то
, где
,
,
,
Если f(x) разлагается в тригонометрический ряд Фурье на [0,L], то доопределив заданную функцию f(x) соответствующим образом на [-L,0]; далее периодически продолжив на (T=2L), получим новую функцию, которую разлагаем в тригонометрический ряд Фурье.
Для разложения в ряд Фурье непериодической функции, заданной на конечном произвольном промежутке [a,b], надо : доопределить на [b,a+2L] и периодически продолжить, либо доопределить на [b-2L,a] и периодически продолжить.
Ряд Фурье по любой ортогональной системе функций
Последовательность
функций
непрерывных на отрезке [a,b],
называется ортогональной
системой функции на отрезке [a,b],
если все функции последовательности
попарно ортогональны на этом отрезке,
т. е. если
Система называется ортогональной и нормированной (ортонормированной) на отрезке [a,b],
если выполняется условие
Пусть теперь f(x) - любая функция непрерывная на отрезке [a,b]. Рядом Фурье такой функции f(x) на отрезке [a,b] по ортогональной системе называется ряд:
коэффициенты которого определяются равенством:
n=1,2,...
Если ортогональная система функций на отрезке [a,b] ортонормированная, то в этом случаи
где n=1,2,...
Пусть теперь f(x) - любая функция, непрерывная или имеющая конечное число точек разрыва первого рода на отрезке [a,b]. Рядом Фурье такой функции f(x) на томже отрезке
по ортогональной системе называется ряд:
,
Если ряд Фурье функции f(x) по системе (1) сходится к функции f(x) в каждой ее точке непрерывности, принадлежащей отрезку [a,b]. В этом случае говорят что f(x) на отрезке [a,b] разлагается в ряд по ортогональной системе (1).
Комплексная форма ряда Фурье
Выражение
называется комплексной формой ряда
Фурье функции f(x),
если
определяется равенством
,
где
Переход от ряда Фурье в комплексной форме к ряду в действительной форме и обратно осуществляется с помощью формул:
(n=1,2,
. . .)
Задача о колебании струны
Пусть в состоянии равновесия натянута струна длинной l с концами x=0 и x=l. Предположим, что струна выведена из состояния равновесия и совершает свободные колебания. Будем рассматривать малые колебания струны, происходящие в вертикальной плоскости.
При сделанных выше допущениях можно показать, что функция u(x,t) , характеризующая положение струны в каждый момент времени t, удовлетворяет уравнению
(1)
, где а - положительное число.
Наша з а д а ч а - найти функцию u(x,t) , график которой дает форму струны в любой момент времени t, т. е. найти решение уравнения (1) при граничных:
(2)
и начальных условиях:
(3)
Сначала будем
искать решения уравнения (1), удовлетворяющие
граничным условиям(2). Нетрудно увидеть,
что u(x,t)0
является решением уравнения (1),
удовлетворяющие граничным условиям(2).
Будем искать решения, не равные
тождественно 0, представимые в виде
произведения u(x,t)=X(x)T(t),
(4) , где
,
.
Подстановка выражения (4) в уравнение (1) дает:
Из которого наша задача сводится к отысканию решений уравнений:
Используя
это условие X(0)=0,
X(l)=0,
докажем, что
отрицательное число, разобрав все
случаи.
a) Пусть
Тогда
X”=0
и его общее решение запишется так:
откуда
и
,что
невозможно , так как мы рассматриваем
решения, не обращающиеся тождественно
в нуль.
б)
Пусть
.
Тогда решив уравнение
получим
,
и, подчинив, найдем, что
в)
Если
то
Уравнения имеют корни :
получим:
где
-произвольные постоянные. Из начального
условия найдем:
откуда
,
т. е.
(n=1,2,...)
(n=1,2,...).
Учитывая это, можно записать:
(n=1,2,...).
и, следовательно
,
(n=1,2,...),
но так как A и B разные для различных значений n то имеем
,
(n=1,2,...),
где
и
произвольные постоянные, которые
попытаемся определить таким образом,
чтобы ряд удовлетворял уравнению (1),
граничным условиям (2) и начальным
условиям (3).
Итак, подчиним
функцию u(x,t)
начальным условиям, т. е. подберем
и
так , чтобы выполнялись условия
Эти
равенства являются соответственно
разложениями функций
и
на отрезки [0,
l]
в ряд Фурье по синусам. ( Это значит что
коэффициенты будут вычисляться как для
нечетной функций). Таким образом, решение
о колебании струны с заданным граничными
и начальными условиями дается формулой
где
(n=1,2,...)
Интеграл Фурье
Достаточные условия представимости функции в интеграл Фурье.
Для того, чтобы f(x) была представлена интегралом Фурье во всех точках непрерывности и правильных точках разрыва, достаточно:
1) абсолютной
интегрируемости на
(т.е.
интеграл сходится)
2) на любом конечном отрезке [-L, L] функция была бы кусочно-гладкой
3) в точках разрыва функции, ее интеграл Фурье определяется полусуммой левого и правого пределов в этих точках, а в точках непрерывности к самой функции f(x)
Интегралом Фурье функции f(x) называется интеграл вида:
,
где
,
.
Интеграл Фурье для четной и нечетной функции
Пусть f(x)-четная функция, удовлетворяющая условиям представимости интегралом Фурье.
Учитывая,
что
,
а также свойство интегралов по
симметричному относительно точки x=0
интервалу от четных функций, из равенства
(2) получаем:
(3)
Таким образом, интеграл Фурье четной функции f(x) запишется так:
,
где a(u) определяется равенством (3).
Рассуждая аналогично, получим, для нечетной функции f(x) :
(4)
и, следовательно, интеграл Фурье нечетной функции имеет вид:
,
где b(u) определяется равенством (4).
Комплексная форма интеграла Фурье
, (5)
где
.
Выражение в форме (5) является комплексной формой интеграла Фурье для функции f(x).
Если в формуле (5) заменить c(u) его выражением, то получим:
,
где правая часть формулы называется
двойным
интегралом
Фуpье в комплексной форме. Переход от интеграла Фурье в комплексной форме к интегралу
в действительной форме и обратно осуществим с помощью формул:
Формулы дискретного преобразования Фурье
Обратное преобразование Фурье.
где n=1,2,... , k=1,2,...
Дискретным
преобразованием Фурье - называется
N-мерный
вектор
при этом,
.
Разложение четной функции в ряд
Данную
выше функцию сделаем четной(см. теорию),
и рассмотрим ее на промежутке от 0 до
смотри рис.2
Рис.2
поэтому разложение по косинусу имеет вид:
Из разложения видим что при n=2 дробь теряет смысл поэтому отдельно рассмотрим разложения первого и второго коэффициента суммы:
На основе данного разложения запишем функцию в виде ряда:
и вообще
.
Найдем первые пять гармоник для найденного ряда:
1-ая
гармоника
2-ая
гармоника
3-я
гармоника
4-ая
гармоника
5-ая
гармоника
А теперь рассмотрим сумму этих гармоник F(x):
Комплексная форма ряда по косинусам
Для рассматриваемого ряда получаем коэффициенты (см. гл.1)
,
но
при
не существует, поэтому рассмотрим
случай когда n=+2
:
(т.к.
см. разложение выше)
и случай когда n=-2:
( т.к.
)
И вообще комплексная форма:
или
или
Разложение нечетной функции в ряд
Аналогичным
образом поступаем с данной функцией
F(x), продлевая ее как нечетную, и
рассматриваем на промежутке от 0 до
смотри рис.3
Рис.3
поэтому разложение по синусам имеет вид:
Из данного разложения видно, что при n=2 произведение неопределенно (можно не учесть часть суммы), поэтому рассмотрим два отдельных случая.
При n=1:
,
и при n=2:
Учитывая данные коэффициенты имеем разложения в виде
и вообще
Найдем первые пять гармоник для данного разложения:
1-ая
гармоника
2-ая
гармоника
3-ая
гармоника
4-ая
гармоника
5-ая
гармоника
И просуммировав выше перечисленные гармоники получим график функции F(x)
Вывод:
На основании главы 2, разложение функции в тригонометрический ряд(рис.1), разложение в ряд по косинусам(рис.2), разложение по синусам(рис.3), можно заключить, что данная функция разложима в тригонометрический ряд и это разложение единственное. И проанализировав суммы первых пяти гармоник по каждому разложению можно сказать, что наиболее быстрее к заданному графику достигается при разложении по синусам.
Комплексная форма ряда по синусам
Основываясь на теорию (см. гл.1) для ряда получаем:
,
(т.к.
)
тогда комплексный ряд имеет вид:
ГЛАВА 3 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ИНТЕГРАЛОМ ФУРЬЕ
Проверка условий представимости
Данную ранее
функцию (см. гл. 2) доопределим на всей
прямой от
до
как равную нулю(рис.4).
Рис.4
а) f(x)-определенна на R;
б) f(x) возрастает
на
,
f(x) убывает на
- кусочнo-монотонна.
f(x) = const на
и
.
<
.
Интеграл Фурье
В соответствии с теорией (см. гл. 1) найдем a(u) и b(u):
;
.
И в конечном варианте интеграл Фурье будет выглядеть так:
Интеграл Фурье в комплексной форме
Теперь представим интеграл Фурье в комплексной форме. На основе выше полученных разложений имеем:
,
,
а теперь получим интеграл в комплексной форме:
.
ГЛАВА 4 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ПОЛИНОМОМ ЛЕЖАНДРА
Основные сведения
Функцию можно разложить в ортонормированной системе пространства X=[-1,1] , причем полиномы получим, если проинтегрируем выражение:
Соответственно получим для n=0,1,2,3,4,5, ... :
. . . . . . . . . .
Для представления функции полиномом Лежандра необходимо разложить ее в ряд:
,
где
и разлагаемая функция должна быть
представлена на отрезке от -1 до 1.
Преобразование функции
Наша первоначальная функция имеет вид (см. рис. 1):
т. к. она
расположена на промежутке от 0 до
необходимо произвести замену, которая
поместит функцию на промежуток от -1 до
1.
Замена:
и тогда F(t) примет вид
или
Вычисление коэффициентов ряда
Исходя из выше изложенной формулы для коэффициентов находим:
Далее вычисление коэффициентов осложнено, поэтому произведем вычисление на компьютере в системе MathCad и за одно проверим уже найденные:
Рассмотрим
процесс стремления суммы полинома
прибавляя поочередно
-
слагаемое:
А теперь рассмотрим график суммы пяти полиномов F(t) на промежутки от -1 до 0 (рис.5):
Рис. 5
т.к. очевидно, что на промежутке от 0 до 1 будет нуль.
Вывод:
На основе расчетов гл.2 и гл.4 можно заключить, что наиболее быстрое стремление из данных разложений к заданной функции достигается при разложении функции в ряд.
ГЛАВА 5 ДИСКРЕТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ
Прямое преобразование
Для того,
чтобы произвести прямое преобразование,
необходимо задать данную функцию (гл.
1, рис. 1) таблично. Поэтому разбиваем
отрезок от 0 до
на N=8
частей, так чтобы приращение:
В
нашем случае
,
и значения функции в k-ых
точках будет:
для
нашего случая
(т.к.
a=0).
Составим табличную функцию:
k |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
0 |
0.785 |
1.571 |
2.356 |
3.142 |
3.927 |
4.712 |
5.498 |
|
0 |
0.707 |
1 |
0.707 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Табл. 1
Прямым
дискретным преобразованием Фурье
вектора
называется
.
Поэтому найдем :
,
n=0,1,...,N-1
Сумму находим только до 3 слагаемого, т.к. очевидно, что от 4 до 7 к сумме суммируется 0 (т.к. значения функции из таблицы равны нулю).
Составим таблицу по прямому дискретному преобразованию:
зная,
,
где
,
где
n |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
2,4 |
2 |
1 |
0 |
0.4 |
0 |
1 |
2 |
|
0.318 |
0.25 |
0.106 |
0 |
0.021 |
0 |
0.009 |
0 |
Табл. 2
Амплитудный
спектр
Обратное преобразование
Обратимся к теории гл.1. Обратное преобразование- есть функция :
В нашем случаи это:
А
теперь найдем модули
и составим таблицу по обратным дискретным
преобразованиям:
k |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
0 |
0.785 |
1.571 |
2.356 |
3.142 |
3.927 |
4.712 |
5.498 |
|
0 |
0.707 |
1 |
0.707 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0.708 |
1 |
0.707 |
8e-4 |
5e-5 |
5e-4 |
3e-4 |
Табл. 3
Из
приведенной таблицы видно, что
приближенно равно
.
Построим
графики используя табл.3, где
-
это F(k),
а
-
это f(k)
рис. 6 :
Рис. 6
Вывод:
На основе проделанных расчетов можно заключить, что заданная функция представима в виде тригонометрического ряда Фурье, а также интеграла Фурье, полинома Лежандра и дискретных преобразований Фурье. О последнем можно сказать, что спектр (рис. 6) прямого и обратного преобразований совпадают с рассматриваемой функцией и расчеты проведены правильно.
Этап I
1 Постановка задачи
Дана основная (рис. 1.1а) и резервная (рис. 1.1б) схемы. Рассмотреть два способа повышение надежности основной схемы до уровня 0.95
а) б)
Рис. 1.1
Первый способ
- каждому элементу основной схемы подключаются параллельно по N резервных элементов имеющих надежность в два раза меньше, чем надежность элемента к которому подключают.
Второй способ
- подключить к основной схеме параллельно по N резервной схеме.
№ элемента |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Надежность |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
0.3 |
0.7 |
0.4 |
0.3 |
0.5 |
0.1 |
Надеж.(резер.) |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
0.15 |
0.35 |
|
2 Теоретическая часть
Ввиду важности операций сложения и умножения над событиями дадим их определение:
Суммой двух событий А и В называется событие С, состоящее в выполнении события А или события В, или обоих событий вместе.
Суммой нескольких событий называется событие, состоящее в выполнении хотя бы одного из этих событий.
Произведением двух событий А и В называется событие D, состоящее в совместном выполнении события А и события В.
Произведением нескольких событий называется событие, состоящее в совместном выполнении всех этих событий.
А к с и о м ы т е о р и и в е р о я т н о с т е й :
1. Вероятность любого события находится в пределах:
.
2.
Если А
и В
несовместные события
,
то
3.
Если
имеется счетное множество несовместных
событий
А>1>,
А>2>,
... А>n>,
...
при
,
то
Следствие: сумма вероятностей полной группы несовместных событий равна единице, т.е. если
;
при
то
.
Сумма вероятностей противоположных событий ровна единице:
Правило умножения вероятностей: вероятность произведения (пересечения, совмещения) двух событий равна вероятности одного из них, умноженной на условную вероятность второго при наличии первого
.
Для независимых событий правило умножения принимает вид:
,
или
Основываясь на теорию выведем некоторые формулы для решения поставленной задачи.
Схема состоит из нескольких n блоков (рис. 2.1), каждый из которых (независимо от других) может выйти из строя. Надежность каждого блока равна p. Безотказная работа всех без исключения блоков необходима для безотказной работы в целом. Найти вероятность безотказной работы всей схемы.
Рис. 2.1
Событие A={безотказная работа прибора} есть произведение n независимых событий А>1>, А>2>, ... А>n>, где A>i>={безотказная работа i -го блока}. По правилу умножения для независимых событий имеем
.
Схема состоит из 2 блоков (рис. 2.2), каждый из которых (независимо от друг от друга) может выйти из строя. Надежность каждого блока равна p. Найти вероятность безотказной работы всей системы.
Рис. 2.2
От
события В={система
будет работать} перейдем к
противоположному:={система
не будет работать}. Для того чтобы система
не работала, нужно, чтобы отказали оба
блока. Событие
есть произведение двух событий:
={блок
1 отказал}x{блок 2 отказал}.
По правилу умножения для независимых событий:
3 Практическая часть
Воспользовавшись выше изложенными формулами рассчитаем надежность основной схемы (рис. 1а), она составит :
, а также резервной схемы (рис. 1б) :
Рассмотрим
первый способ подключения (смотри рис.
3.1), когда подключаем по N элементов до
тех пор, пока
Рис. 3.1
Тогда формула вероятности для схемы на рис. 2 будет выглядеть так :
, где
,
,
,
,
.
Увеличивая
N
дополнительных элементов пошагово
добиваемся значения
:
Шаг первый, при N=1
< 0.95
Шаг второй, при N=2
< 0.95
Шаг третий, при N=3
< 0.95
Шаг четвертый, при N=4
< 0.95
Шаг пятый, при N=5
> 0.95
Из рассмотренных вычислений можно заключить, что для достижения заданной вероятности 0.95 необходимо пяти добавочных элементов.
Рассмотрим
второй способ подключения к основной
резервной схемы (рис. 3) и найдем число
N
подключений при котором достигается
заданная вероятность
.
Рис. 3.2
Формула по которой будет вычисляться вероятность схемы на рис. 3 выглядит так :
, где
,
а
-
смотри выше.
Увеличивая
N
дополнительных резервных схем пошагово
добиваемся значения
:
При
N=1
:
< 0.95
При
N=2
:
< 0.95
При
N=3
:
< 0.95
При
N=4
:
< 0.95
При
N=5
:
< 0.95
При
N=6
:
>
0.95
Из рассмотренных вычислений можно заключить, что для достижения заданной вероятности 0.95 необходимо шесть резервных схем.
Этап II
1 Постановка задачи
- найти неизвестную константу функции f(x);
- выписать функцию распределения, построить их графики;
- найти математическое ожидание и дисперсию;
- найти вероятность попадания в интервал (1;4).
2 Теоретическая часть
Под случайной величиной понимается величина, которая в результате измерения (опыта) со случайным исходом принимает то или иное значение.
Функция распределения случайной величины Х называется вероятность того, что она примет значение меньшее, чем заданное х:
.
Основные свойства функции распределения:
1)
F(x)
- неубывающая функция своего аргумента,
при
.
2)
.
3)
.
Плотностью распределения непрерывной случайной величины Х в точке х называется производная ее функции распределения в этой точке. Обозначим ее f(x) :
Выразим функцию распределения F(x) через плотность распределения f(x):
Основные свойства плотности распределения f(x):
1.
Плотность распределения - неотрицательная
функция
.
2. Интеграл в бесконечных пределах от плотности распределения равен единицы:
.
Математическим ожиданием дискретной случайной величины называется сумма произведений всех возможных ее значений на вероятности этих значений.
Перейдем от дискретной случайной величины Х к непрерывной с плотностью f(x).
Дисперсия случайной величины есть математическое ожидание квадрата соответствующей центрированной величины:
Для непосредственного вычисления дисперсии непрерывной случайной величины служит формула:
3 Практическая часть
Для нахождения неизвестной константы c применим выше описанное свойство:
, откуда
, или
Найдем функцию распределения основываясь на теоретической части:
-
на интервале
-
на интервале
-
на интервале
Теперь построим график функций f(x)- плотности распределения (рис. 2.1 - кривая распределения) и F(x)- функции распределения (рис. 2.2)
Рис. 2.1
Рис. 2.2
Следуя
постановке задачи найдем математическое
ожидание
и дисперсию
для случайной величины X
:
Производя
еще одну замену
приходим к первоначальной формуле из
чего можно сделать вывод, что математическое
ожидание с.в. Х
равно :
Также находим дисперсию :
И последнее, вероятность попадания в интервал (1;4) находим как :
Этап III
1 Постановка задачи
Дана случайная выборка объема n=100 :
104.6 |
95.2 |
82.0 |
107.7 |
116.8 |
80.0 |
100.8 |
124.6 |
99.4 |
101.4 |
100.6 |
86.3 |
88.2 |
103.8 |
98.5 |
111.8 |
83.4 |
94.7 |
113.6 |
74.7 |
114.3 |
86.9 |
106.6 |
94.9 |
105.9 |
88.6 |
96.6 |
93.7 |
90.8 |
96.5 |
110.2 |
100.0 |
95.6 |
102.9 |
91.1 |
103.6 |
94.8 |
112.8 |
100.1 |
95.3 |
113.9 |
113.9 |
86.1 |
110.3 |
88.4 |
97.7 |
70.1 |
100.5 |
90.9 |
94.5 |
109.1 |
82.2 |
101.9 |
86.7 |
97.4 |
102.1 |
87.2 |
94.71 |
112.4 |
94.9 |
111.8 |
99.0 |
101.6 |
97.2 |
96.5 |
102.7 |
98.6 |
100.0 |
86.2 |
89.4 |
85.0 |
86.6 |
122.7 |
101.8 |
118.3 |
106.1 |
91.3 |
98.4 |
90.4 |
95.1 |
93.1 |
110.4 |
100.4 |
86.5 |
105.4 |
96.9 |
101.9 |
83.8 |
107.3 |
107.5 |
113.7 |
102.8 |
88.7 |
112.5 |
79.4 |
79.1 |
98.1 |
103.8 |
107.2 |
102.3 |
2 Теоретическая часть
Под случайной
выборкой объема n
понимают
совокупность случайных величин
, не зависимых между собой. Случайная
выборка есть математическая модель
проводимых в одинаковых условиях
независимых измерений.
Упорядоченной
статистической совокупностью будем
называть случайную выборку величины в
которой расположены в порядке возрастания
.
Размах выборки есть величина r=X>n>-X>1>, где X>n> - max , X>1> - min элементы выборки.
Группированным статистическим рядом называется интервалы с соответствующими им частотами на которые разбивается упорядоченная выборка, причем ширина интервала находится как :
тогда
частота попадания в отрезок
находим
по формуле :
,
где
V>i>
- число величин попавших в отрезок
,
причем
.
Поделив каждую частоту на
получим высоту для построения гистограммы.
Построив гистограмму мы получили аналог кривой распределения по которой можем выдвинуть гипотезу о законе распределения. Выровнять статистическое распределение с помощью закона о котором выдвинули гипотезу, для этого нужно статист. среднее m>x>* и статистическую дисперсию D>x>* .
Которые находим как
Естественной оценкой для мат. ожидания является среднее арифметическое значение :
.
Посмотрим, является ли эта оценка не смещенной , для этого найдем ее мате-матическое ожидание :
,
то
есть оценка
для m
является несмещенной.
Найдем дисперсию этой оценки :
Эффективность
или неэффективность оценки зависит от
вида закона распределения случайной
величины X
.Если распределение нормально, то оценка
для мат. ожидания m
является и эффективной.
Перейдем к оценке для дисперсии D. На первый взгляд наиболее естественной представляется статистическая дисперсия D*, то есть среднее арифметическое квадратов отклонений значений X>i> от среднего :
.
Проверим состоятельность этой оценки, выразив ее через среднее арифметическое квадратов наблюдений:
.
,
где правая часть есть среднее арифметическое
значений случайной величины X2
сходится по вероятности к ее мат.
ожиданию:
.
Вторая часть сходится по вероятности
к
;
вся величина сходится по вероятности
к
.
Значит, оценка состоятельна.
Проверим
ее на несмещенность, подставив в
вместо
его выражение и произведем действия:
.
Так
как D*
не зависит от выбора начала координат
то отцентрируем все случайные величины
. Тогда
.
Найдем мат. ожидание величины D*:
.
Но
,
,
и получаем:
.
Отсюда видно,
что величина D*
не является несмещенной оценкой для
дисперсии D;
ее мат. ожидание не равно D,
а несколько меньше. Пользуясь оценкой
D*
вместо D,
будет проходить систематическая ошибка
в меньшую сторону, чтобы ее ликвидировать
введем поправку
тогда мы получим несмещенную оценку
для дисперсии:
При
больших n
поправочный коэффициент
становится близким к единицы, и его
применение теряет смысл. Поэтому в
качестве приближенных значени (оценок)
этих характеристик нужно взять:
,
.
3 Практическая часть
Упорядоченная
выборка
где n=100 количество замеров :
70.1 |
74.7 |
79.1 |
79.4 |
80.0 |
82.0 |
82.2 |
83.4 |
83.8 |
85.0 |
86.1 |
86.2 |
86.3 |
86.5 |
86.6 |
86.7 |
86.9 |
87.2 |
88.2 |
88.4 |
88.6 |
88.7 |
89.4 |
90.4 |
90.8 |
90.9 |
91.1 |
91.3 |
93.1 |
93.7 |
94.5 |
94.7 |
94.7 |
94.8 |
94.9 |
94.9 |
95.1 |
95.2 |
95.3 |
95.6 |
96.5 |
96.5 |
96.6 |
96.9 |
97.2 |
97.4 |
97.7 |
98.1 |
98.4 |
98.8 |
98.6 |
99.0 |
99.4 |
100.0 |
100.0 |
100.1 |
100.4 |
100.5 |
100.6 |
100.8 |
101.4 |
101.6 |
101.8 |
101.9 |
101.9 |
102.1 |
102.3 |
102.7 |
102.8 |
102.9 |
103.6 |
103.8 |
103.8 |
104.6 |
105.4 |
105.9 |
106.1 |
106.6 |
107.2 |
107.3 |
107.5 |
107.7 |
109.1 |
110.2 |
110.3 |
110.4 |
111.8 |
111.8 |
112.4 |
112.5 |
112.8 |
113.0 |
113.6 |
113.9 |
113.9 |
114.3 |
116.8 |
118.3 |
122.7 |
124.6 |
Размах выборки r=X>n>-X>1>=124.6-70.1= 54.5
На основе выше изложенной теории для исследования статистики составляем табл. 3.1.
Табл. 3.1
Интервалы |
Число попаданий в интервал |
Частота
попаданий в интервал
|
Высоты интервалов для гистограммы |
|
2 3 8 15 17 23.5 13.5 11 5 2 |
0.020 0.030 0.080 0.150 0.170 0.235 0.135 0.110 0.050 0.020 |
0.0036697 0.0055045 0.0146788 0.0275229 0.0311926 0.0431192 0.0247706 0.0201834 0.0091743 0.0036697 |
Сумма 1.000 |
По построенной гистограмме (рис. 3.1) можно предположить, что данное распределение подчиняется нормальному закону. Для подтверждения выдвинутой гипотезы проведем оценку неизвестных параметров, для мат. ожидания
,
для оценки дисперсии
.
Полагая в выражении нормальной плотности
,
где
и пользуясь, либо приложением 4 в учебнике Вентцель Е.С., Овчаров Л.А.” Прикладные задачи теории вероятностей.” - М.: Радио и связь, 1983, либо как в нашем случае воспользоваться системой MathCad , получим значения на границах разрядов табл. 3.2 :
Табл. 3.2
-
x
f(x)
70.10
75.55
81.00
86.45
91.90
97.35
102.80
108.25
113.70
119.15
124.60
0.0010445
0.0036354
0.0097032
0.0198601
0.0311717
0.0375190
0.0346300
0.0245113
0.0133043
0.0055377
0.0017676
и построим выравнивающую ее нормальную кривую рис. 3.1
Рассчитаем вероятность (табл. 3.3) попадания с. в. Х в k-й интервал по формуле
Табл. 3.3
-
>
>
70.10 - 75.55
75.55 - 81.00
81.00 - 86.45
86.45 - 91.90
91.90 - 97.35
97.35 - 102.80
102.80 - 108.25
108.25 - 113.70
113.70 - 119.15
119.15 - 124.60
0.0115694
0.0344280
0.0790016
0.1398089
0.1908301
0.2009057
0.1631453
0.1021833
0.0493603
0.0183874
Для
проверки правдоподобия гипотезы
воспользуемся критерием согласия
для этого возьмем данные из табл. 3.1 и
3.3 и подставим в формулу :
Рис. 3.1
Определяем
число степеней свободы (10-1-l)=7,
где l
- число независимых условий (количество
параметров подлежащих оценки в нашем
случаи их l=2,
это m>x>,
D>x>
- для нормального распределения). По
приложению 3 в учебнике Вентцель Е.С.,
Овчаров Л.А. ”Теория вероятностей и ее
инженерные приложения.” - М.: Наука, 1988
находим при r=7, p=0.95
=2.17
для уровня значимости
и видим, что
, но даже меньше.
Это свидетельствует о том, что выдвинутая нами гипотеза о нормальности распределения не противоречит опытным данным.