Математическое ожидание дискретной случайной величины

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) = x₁ p_{1 +} x₂ 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

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

Вероятностный смысл математического ожидания

Пусть произведено n испытаний, в которых случайная величина X приняла m₁ раз значение x₁, m₂ раз значение x₂ ,…, m_k раз значение x_k , причем m_{1 +} m_{2 + …+} m_k = n. Тогда сумма всех значений, принятых X, равна x₁ m_{1 +} x₂ m_{2 + …+} x_k m_k.

Среднее арифметическое всех значений, принятых случайной величиной, будет

,

или

Отношение m_i/n - относительная частота W_i значения x_i приближенно равно вероятности появления события p_i, где , поэтому

или

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.

Следствие: Математическое ожидание произведения нескольких взаимно 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

(попаданий).