"Чистая"
и прикладная математика

Биномиальное распределение дискретной случайной величины

Биномиальное распределение - одно из важнейших распределений вероятностей дискретно изменяющейся случайной величины. Биномиальным распределением называется распределение вероятностей числа m наступления события А в n взаимно независимых наблюдениях. Часто событие А называют "успехом" наблюдения, а противоположное ему событие - "неуспехом", но это обозначение весьма условное.

Условия биномиального распределения:

  • в общей сложности проведено n испытаний, в которых событие А может наступить или не наступить;
  • событие А в каждом из испытаний может наступить с одной и той же вероятностью p;
  • испытания являются взаимно независимыми.

Вероятность того, что в n испытаниях событие А наступит именно m раз, можно вычислить по формуле Бернулли:

или

,

где p - вероятность наступления события А;

q = 1 - p - вероятность наступления противоположного события .

Разберёмся, почему биномиальное распределение описанным выше образом связано с формулой Бернулли. Событие - число успехов при n испытаниях распадается на ряд вариантов, в каждом из которых успех достигается в m испытаниях, а неуспех - в n - m испытаниях. Рассмотрим один из таких вариантов - B1. По правилу сложения вероятностей умножаем вероятности противоположных событий:

,

а если обозначим q = 1 - p, то

.

Такую же вероятность будет иметь любой другой вариант, в котором m успехов и n - m неуспехов. Число таких вариантов равно - числу способов, которыми можно из n испытаний получить m успехов.

Сумма вероятностей всех m чисел наступления события А (чисел от 0 до n) равна единице:

где каждое слагаемое представляет собой слагаемое бинома Ньютона. Поэтому рассматриваемое распределение и называется биномиальным распределением.

На практике часто необходимо вычислять вероятности "не более m успехов в n испытаниях" или "не менее m успехов в n испытаниях". Для этого используются следующие формулы.

Интегральную функцию, то есть вероятность F(m) того, что в n наблюдениях событие А наступит не более m раз, можно вычислить по формуле:

.

В свою очередь вероятность F(≥m) того, что в n наблюдениях событие А наступит не менее m раз, вычисляется по формуле:

Иногда бывает удобнее вычислять вероятность того, что в n наблюдениях событие А наступит не более m раз, через вероятность противоположного события:

.

Какой из формул пользоваться, зависит от того, в какой из них сумма содержит меньше слагаемых.

Характеристики биномиального распределения вычисляются по следующим формулам.

Математическое ожидание: .

Дисперсия: .

Среднеквадратичное отклонение: .

Биномиальное распределение и расчёты в MS Excel

Вероятность биномиального распределения Pn(m) и значения интегральной функции F(m) можно вычислить при помощи функции MS Excel БИНОМ.РАСП. Окно для соответствующего расчёта показано ниже (для увеличения нажать левой кнопкой мыши).

окно ms excel для расчёта биномиального распределения

MS Excel требует ввести следующие данные:

  • число успехов;
  • число испытаний;
  • вероятность успеха;
  • интегральная - логическое значение: 0 - если нужно вычислить вероятность Pn(m) и 1 - если вероятность F(m).

Пример 1. Менеджер фирмы обобщил информацию о числе проданных в течение последних 100 дней фотокамер. В таблице обобщена информация и рассчитаны вероятности того, что в день будет продано определённое число фотокамер.

Продано в деньЧисло днейВероятность
10
8
0,08
11
12
0,12
12
19
0,19
13
23
0,23
14
18
0,18
15
20
0,20
Всего
100
1,00

День завершён с прибылью, если продано 13 или более фотокамер. Вероятность, что день будет отработан с прибылью:

Вероятность того, что день будет отработан без прибыли:

Пусть вероятность того, что день отработан с прибылью, является постоянной и равна 0,61, и число проданных в день фотокамер не зависит от дня. Тогда можно использовать биномиальное распределение, где событие А - день будет отработан с прибылью, - без прибыли.

Вероятность того, что из 6 дней все будут отработаны с прибылью:

.

Тот же результат получим, используя функцию MS Excel БИНОМ.РАСП (значение интегральной величины - 0):

P6(6) = БИНОМ.РАСП(6; 6; 0,61; 0) = 0,052.

Вероятность того, что из 6 дней 4 и больше дней будут отработаны с прибылью:

,

где ,

,

,

.

Используя функцию MS Excel БИНОМ.РАСП, вычислим вероятность того, что из 6 дней не более 3 дней будут завершены с прибылью (значение интегральной величины - 1):

P6(≤3) = БИНОМ.РАСП(3; 6; 0,61; 1) = 0,435.

Вероятность того, что из 6 дней все будут отработаны с убытками:

,

Тот же показатель вычислим, используя функцию MS Excel БИНОМ.РАСП:

P6(0) = БИНОМ.РАСП(0; 6; 0,61; 0) = 0,0035.

Пример 2. Из курьерской службы отправились на объекты n = 5 курьеров. Каждый курьер с вероятностью p = 0,3 независимо от других опаздывает на объект. Дискретная случайная величина X - число опоздавших курьеров. Построить ряд распределения это случайной величины. Найти её математическое ожидание, дисперсию, среднее квадратическое отклонение. Найти вероятность того, что на объекты опоздают не менее двух курьеров.

Решение. Случайная величина X - число опоздавших курьеров - распределена по биномиальному закону. Под наблюдением понимается отправка курьера на объект, а под "успехом" удобнее понимать его опоздание. Найдём вероятности возможных значений случайной величины и округлим их до трёх знаков после запятой:

Ряд распределения будет иметь вид:

012345
0,1680,3600,3090,1330,0280,002

Математическое ожидание случайной величины: .

Дисперсия случайной величины: .

Среднеквадратичное отклонение: .

Найдём вероятность того, что на объекты опоздают не менее двух курьеров:

Пример 3. Игральная кость бросается четыре раза. Найти вероятность того, что шестёрка появится а) ровно один раз; б) хотя бы один раз.

Решение. Случайная величина X - число появлений шестёрки - имеет биномиальное распределение с параметрами n = 4; p = 1/6.

а) .

б)

Начало темы "Теория вероятностей"