Умблик
Справочник вероятности
Законы и теоремы
Вероятность и статистика · Законы и теоремы

Неравенство Маркова

Верхняя граница вероятности большого значения по одному ожиданию неотрицательной величины.

6 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Оно полезно, когда полный закон неизвестен, но известно среднее: позволяет гарантировать верхнюю границу риска большого числа заявок или долгого ожидания и показывает цену нехватки информации.

Главная идея. Неравенство Маркова оценивает верхний хвост неотрицательной величины только по её ожиданию: для a > 0 вероятность X ≥ a не превосходит E[X]/a.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Проверьте, что X неотрицательна почти наверное, ожидание конечно, а выбранный порог a строго положителен.
  2. Подставьте E[X]/a, не выдавая результат за точную вероятность; если отношение больше единицы, ограничьте границу единицей.
  3. Оцените содержательность границы и при наличии нижней опоры рассмотрите неотрицательную сдвинутую величину X − b с новым порогом.

Частая ошибка. Применять Маркова к величине с отрицательными значениями: нулевое ожидание тогда может соседствовать с положительной вероятностью большого положительного результата.

Как проверить себя. Неотрицательность является ключевым условием доказательства X ≥ a·1{X≥a}; для знакопеременной величины иногда переходят к |X| или X², проверив существование момента.

Схема к теме

Наглядная модель: Неравенство Маркова

Верхняя граница вероятности большого значения по одному ожиданию неотрицательной величины.

Наглядная модель: Неравенство МарковаВерхняя граница вероятности большого значения по одному ожиданию неотрицательной величины.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

Восстановите доказательство неравенства Маркова через индикатор события X ≥ a и объясните, на каком именно шаге используются неотрицательность X и положительность порога.

В хорошем объяснении есть:

  • Записано поточечное неравенство X ≥ a·1{X≥a} и взяты ожидания.
  • Граница названа верхней оценкой, а не вычисленной точной вероятностью.

Как среднее ограничивает хвост

Пусть случайная величина XX неотрицательна и имеет конечное ожидание. Тогда вероятность достичь положительного порога aa не превосходит E[X]/aE[X]/a. Полный закон не требуется: достаточно одного числа — среднего. Поэтому оценка универсальна, но нередко груба.

Идея доказательства проста. На событии X≥aX\ge a величина не меньше aa, а вне события не меньше нуля. Значит X≥a 1{X≥a}X\ge a\,\mathbf1_{\{X\ge a\}}. Берём ожидания и получаем E[X]≥aP(X≥a)E[X]\ge aP(X\ge a). Делить можно, потому что a>0a>0.

Что означает ответ

Неравенство даёт верхнюю границу, не точную вероятность. Если отношение больше 1, содержательнее сказать «не более 1»: дополнительных сведений оценка не дала. Если известно X≥bX\ge b, можно применить Маркова к X−bX-b, но новый порог тоже должен быть положительным.

Три примера

  1. Неотрицательное число заявок имеет ожидание 4. Вероятность получить не менее 20 заявок не больше 4/20=0.24/20=0.2.
  2. Неотрицательное время ожидания имеет среднее 3 минуты. Вероятность ждать не менее 12 минут не больше 3/12=1/43/12=1/4. Распределение времени может быть любым с указанными свойствами.
  3. Величина равна 10 с вероятностью 0.2 и нулю иначе. Её ожидание 2, а P(X≥10)=0.2=2/10P(X\ge10)=0.2=2/10: граница достигается точно.

Почему знак важен

Если XX равно −1-1 или 1 с равными вероятностями, ожидание ноль, но P(X≥1)=1/2P(X\ge1)=1/2. Применение Маркова к самому XX дало бы ложный ноль, потому что неотрицательность нарушена. Можно применять его к ∣X∣|X| или квадрату при существовании нужного ожидания. Именно квадрат центрированной величины приводит к неравенству Чебышёва.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

P(X≥a)≤E[X]a,a>0P(X\ge a)\le\frac{E[X]}a,\qquad a>0

Формула словами: X неотрицательна почти наверное и имеет конечное ожидание; границу можно ограничить сверху единицей.

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.