Умблик
Справочник вероятности
Случайные величины
Вероятность и статистика · Случайные величины

Функция распределения

Как накопленная вероятность описывает дискретные и непрерывные величины и определяет интервальные вероятности.

6 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Одна функция одинаково описывает дискретные, непрерывные и смешанные величины. По разности её значений можно находить интервальные вероятности, если внимательно учитывать открытые и закрытые границы.

Главная идея. Функция распределения F(x) накапливает вероятность всех значений случайной величины, не превосходящих x. Для дискретного закона она растёт скачками, а размер скачка равен вероятности соответствующей точки.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Уточните соглашение F(x) = P(X ≤ x) и для каждого x соберите всю вероятность слева вместе с массой в самой точке.
  2. Проверьте четыре свойства: значения от нуля до единицы, неубывание, правильные пределы на бесконечностях и непрерывность справа.
  3. Для события a < X ≤ b вычислите F(b) − F(a); при другой левой границе отдельно учтите вероятность точки a.
  4. В дискретной модели читайте P(X = a) как скачок F(a) − F(a−), а не как высоту самой функции.

Частая ошибка. Принять F(2) − F(0) за вероятность 0 ≤ X ≤ 2, хотя по выбранному соглашению эта разность соответствует интервалу 0 < X ≤ 2.

Как проверить себя. Сначала подпишите скобки: F(b) − F(a) исключает массу в a; чтобы включить левую точку, добавьте P(X = a) или используйте левый предел F(a−).

Схема к теме

Наглядная модель: Функция распределения

Как накопленная вероятность описывает дискретные и непрерывные величины и определяет интервальные вероятности.

Наглядная модель: Функция распределенияКак накопленная вероятность описывает дискретные и непрерывные величины и определяет интервальные вероятности.расстояние междузначениями-3-2-1012345точка отсчётанаблюдаемоезначение
  • Диапазон от -3 до 5
  • 0: точка отсчёта
  • 3: наблюдаемое значение
  • Промежуток от 0 (граница включена) до 3 (граница включена) — расстояние между значениями
Числовая прямая позволяет одновременно видеть порядок значений и расстояние между ними. Вывод: Сначала отметьте границы и точки, затем переводите рисунок в неравенство или вычисление.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Для величины со значениями 0 и 2 и вероятностями 0,3 и 0,7 опишите F(x), найдите её скачки и сравните P(0 < X ≤ 2) с P(0 ≤ X ≤ 2).

В хорошем объяснении есть:

  • Функция равна 0 левее нуля, 0,3 на промежутке от 0 до 2 и 1 начиная с 2.
  • Разность F(2) − F(0) равна 0,7, а включение точки 0 добавляет её массу 0,3 и даёт 1.

Накопленная вероятность

Функция распределения F(x)F(x) — вероятность того, что величина не превосходит заданную границу xx. Здесь используется соглашение F(x)=P(X≤x)F(x)=P(X\le x). Встречается и соглашение со строгим неравенством; в дискретной точке они различаются, поэтому определение нужно проверять.

Функция не убывает, принимает значения от 0 до 1, стремится к 0 при x→−∞x\to-\infty и к 1 при x→+∞x\to+\infty. Она непрерывна справа. Скачок в точке aa равен вероятности P(X=a)P(X=a): из накопленной массы справа вычитают левый предел.

Вероятности интервалов

Разность F(b)−F(a)F(b)-F(a) соответствует интервалу (a,b](a,b], а не автоматически [a,b][a,b]. Для включения левой границы надо добавить P(X=a)P(X=a) или использовать левый предел F(a−)F(a-). При распределении с плотностью вероятности точек нулевые, и виды скобок результата не меняют.

Три примера

  1. XX принимает 0 и 2 с вероятностями 0.3 и 0.7. Тогда F(x)=0F(x)=0 при x<0x<0, F(x)=0.3F(x)=0.3 при 0≤x<20\le x<2 и F(x)=1F(x)=1 при x≥2x\ge2.
  2. Для этого закона F(2)−F(0)=1−0.3=0.7F(2)-F(0)=1-0.3=0.7. Это P(0<X≤2)P(0<X\le2); вероятность P(0≤X≤2)P(0\le X\le2) равна 1.
  3. При равномерном выборе на [0,4][0,4] внутри отрезка F(x)=x/4F(x)=x/4. Поэтому P(1<X≤3)=3/4−1/4=1/2P(1<X\le3)=3/4-1/4=1/2.

Ошибки чтения

Высота F(x)F(x) не является вероятностью точки xx. Для точки нужен размер скачка, а при непрерывной функции он ноль. Возрастающий график сам по себе недостаточен: нужны правильные предельные значения и правосторонняя непрерывность. Функция распределения удобна тем, что одинаково работает с дискретной, непрерывной и смешанной моделью.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

F(x)=P(X≤x)F(x)=P(X\le x)

Формула словами: Используем соглашение с нестрогим неравенством: F непрерывна справа.

P(a<X≤b)=F(b)−F(a)P(a<X\le b)=F(b)-F(a)

Формула словами: Верно для любого одномерного распределения при a < b.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.