數學期望

數學期望

數學期望,早在17世紀,有一個賭徒向法國著名數學家帕斯卡挑戰,給他出了一道題目:甲乙兩個人賭博,他們兩人獲勝的機率相等,比賽規則是先勝三局者為贏家,贏家可以獲得100法郎的獎勵。當比賽進行到第三局的時候,甲勝了兩局,乙勝了一局,這時由於某些原因中止了比賽,那么如何分配這100法郎才比較公平?用機率論的知識,不難得知,甲獲勝的機率為1/2+(1/2)*(1/2)=3/4,或者分析乙獲勝的機率為(1/2)*(1/2)=1/4。因此由此引出了甲的期望所得值為100*3/4=75法郎,乙的期望所得值為25法郎。這個故事裡出現了“期望”這個詞,數學期望由此而來。

基本信息

類型

離散型

數學期望數學期望
離散型隨機變數的一切可能的取值xi與對應的機率Pi(=xi)之積的和稱為該離散型隨機變數的數學期望(設級數絕對收斂),記為E(x)。數學期望是最基本的數學特徵之一。它反映隨機變數平均取值的大小。又稱期望或均值。如果隨機變數只取得有限個值,稱之為離散型隨機變數的數學期望。它是簡單算術平均的一種推廣,類似加權平均。例如某城市有10萬個家庭,沒有孩子的家庭有1000個,有一個孩子的家庭有9萬個,有兩個孩子的家庭有6000個,有3個孩子的家庭有3000個,則此城市中任一個家庭中孩子的數目是一個隨機變數,記為X,它可取值0,1,2,3,其中取0的機率為0.01,取1的機率為0.9,取2的機率為0.06,取3的機率為0.03,它的數學期望為0×0.01+1×0.9+2×0.06+3×0.03等於1.11,即此城市一個家庭平均有小孩1.11個,用數學式子表示為:E(X)=1.11。

連續型

設連續性隨機變數X的機率密度函式為f(x),若積分絕對收斂,則稱積分的值為隨機變數的數學期望,記為E(X)。
若隨機變數X的分布函式F(x)可表示成一個非負可積函式f(x)的積分,則稱X為連續性隨機變數,f(x)稱為X的機率密度函式(分布密度函式)。
能按一定次序一一列出,其值域為一個或若干個有限或無限區間,這樣的隨機變數稱為離散型隨機變數。
離散型隨機變數與連續型隨機變數也是由隨機變數取值範圍(取值)確定,
變數取值只能取離散型的自然數,就是離散型隨機變數,
比如,一次擲20個硬幣,k個硬幣正面朝上,
k是隨機變數,
k的取值只能是自然數0,1,2,…,20,而不能取小數3.5、無理數√20,
因而k是離散型隨機變數。
如果變數可以在某個區間內取任一實數,即變數的取值可以是連續的,這隨機變數就稱為連續型隨機變數,
比如,公共汽車每15分鐘一班,某人在站台等車時間x是個隨機變數,
x的取值範圍是[0,15),它是一個區間,從理論上說在這個區間內可取任一實數3.5、√20等,因而稱這隨機變數是連續型隨機變數。
連續型隨機變數X的機率密度函式為f(x),若積分絕對收斂,則稱此積分值為隨機變數X的數學期望,記為:

定義

定義1

按照定義,離散隨機變數的一切可能取值與其對應的機率P的乘積之和稱為數學期望,記為E.如果隨機變數只取得有限個值:x,y,z,...則稱該隨機變數為離散型隨機變數。

定義2

決定可靠性的因素常規的安全係數是根據經驗而選取的,即取材料的強度極限均值(機率理論中稱為數學期望)與工作應力均值(數學期望)之比

計算

隨機變數

在機率論和統計學中,一個離散性隨機變數的期望值(或數學期望、或均值,亦簡稱期望)是試驗中每次可能結果的機率乘以其結果的總和。換句話說,期望值是隨機試驗在同樣的機會下重複多次的結果計算出的等同“期望”的平均值。需要注意的是,期望值並不一定等同於常識中的“期望”——“期望值”也許與每一個結果都不相等。(換句話說,期望值是該變數輸出值的平均數。期望值並不一定包含於變數的輸出值集合里。)

單獨數據

數學期望數學期望
對於數學期望的定義是這樣的。數學期望
E(X)=X1*p(X1)+X2*p(X2)+……+Xn*p(Xn)
X1,X2,X3,……,Xn為這幾個數據,p(X1),p(X2),p(X3),p(Xn)為這幾個數據的機率函式。在隨機出現的幾個數據中p(X1),p(X2),p(X3),……p(Xn)機率函式就理解為數據X1,X2,X3,……,Xn出現的頻率f(Xi).則:
E(X)=X1*p(X1)+X2*p(X2)+……+Xn*p(Xn)=X1*f1(X1)+X2*f2(X2)+……+Xn*fn(Xn)
很容易證明E(X)對於這幾個數據來說就是他們的算術平均值。
我們舉個例子,比如說有這么幾個數:
1,1,2,5,2,6,5,8,9,4,8,1
1出現的次數為3次,占所有數據出現次數的3/12,這個3/12就是1所對應的頻率。同理,可以計算出f(2)=2/12,f(5)=2/12,f(6)=1/12,f(8)=2/12,f(9)=1/12,f(4)=1/12根據數學期望的定義:
E(X)=1*f(1)+2*f(2)+5*f(5)+6*f(6)+8*f(8)+9*f(9)+4*f(4)=13/3
所以E(X)=13/3,
這些數的算術平均值:
Xa=(1+1+2+5+2+6+5+8+9+4+8+1)/12=13/3
所以E(X)=Xa=13/3

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