数学建模之概率统计.ppt
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1、概率与频率,数学建模培训,概率,又称几率,或然率,是反映某种 事件 发生的可能性大小的一种数量指标,它介于 0 与 1 之间。,概率论是研究随机现象统计规律的一门数学分支学科,希望通过本次学习,能加深对频率和概率等概念的理解和认识,并掌握一些概率统计的基本原理。,随机现象中出现的某个可能结果,基本知识,基本知识,随机试验:满足下列三个条件,试验可以在相同的情况下重复进行;试验的所有可能结果是明确可知的,且不止一个;每次试验的结果无法预知,但有且只有一个结果。,概率与频率,概率是指某个随机事件发生可能性的一个度量,是该随机事件本身的属性。频率是指某随机事件在随机试验中实际出现的次数与随机试验进行
2、次数的比值。,频率,概率,随机试验进行次数,随机变量,基本知识,统计分析(假设检验、相关分析、回归分析),数字特征(均值、方差、相关系数、特征函数),注:rand(n)=rand(n,n),Matlab 中的随机函数,name 的取值可以是,norm or Normalunif or Uniformpoiss or Poissonbeta or Betaexp or Exponentialgam or Gammageo or Geometricunid or Discrete Uniform.,random(name,A1,A2,A3,M,N),Matlab 中的随机函数,绘制直方图,hist
3、(X,M)%二维条形直方图,显示数据的分布情形,将向量 X 中的元素根据它们的数值范围进行分组,每一组作为一个条形进行显示。条形直方图中的 x-轴反映了向量 X 中元素数值的范围,直方图的 y-轴 显示出向量 X 中的元素落入该组的数目。M 用来控制条形的个数,缺省为 10。,x=1 2 9 3 5 8 0 2 3 5 2 10;hist(x);hist(x,5);hist(x,2);,例:,x=randn(1000,1);hist(x,100);,histfit(x,NBINS)%附有正态密度曲线的直方图,NBINS 指定条形的个数,缺省为 x 中数据个数的平方根。,fix(x):截尾取整,
4、直接将小数部分舍去floor(x):不超过 x 的最大整数ceil(x):不小于 x 的最小整数round(x):四舍五入取整,Matlab中的取整函数,x1=fix(3.9);x2=fix(-3.9);x3=floor(3.9);x4=floor(-3.2);x5=ceil(3.1);x6=ceil(-3.9);x7=round(3.9);x8=round(-3.2);x9=round(-3.5);,x1=3,x2=-3,x3=3,x4=-4,x5=4,x6=-3,x7=4,x8=-3,x9=-4,取整函数举例,prod(X),如果 X 是向量,则返回其所有元素的乘积。如果 X 是矩阵,则计
5、算每一列中所有元素的乘积。,其它相关函数,a=1 2 9 3 2 3;b=unique(a),a=1 2 9;3 2 3;b=unique(a),根据表达式的不同取值,分别执行不同的语句,switch expr case case1 statements1 case case2 statements2.case casem statementsm otherwise statements end,switch 选择语句,method=Bilinear;switch lower(method)case linear,bilinear disp(Method is linear)case cubi
6、c disp(Method is cubic)case nearest disp(Method is nearest)otherwise disp(Unknown method.)end,switch 选择语句举例,这里我们主要用 rand 函数和 randperm 函数来模拟满足均匀分布的随机试验。,试验方法,先设定进行试验的总次数 采用循环结构,统计指定事件发生的次数 计算该事件发生次数与试验总次数的比值,试验方法,随机投掷均匀硬币,验证国徽朝上与朝下的概率是否都是 1/2,n=10000;%给定试验次数m=0;for i=1:n x=randperm(2)-1;y=x(1);if y=0
7、%0 表示国徽朝上,1 表示国徽朝下 m=m+1;endendfprintf(国徽朝上的频率为:%fn,m/n);,试验一:投掷硬币,随机投掷骰子,验证各点出现的概率是否为 1/6,n=10000;m1=0;m2=0;m3=0;m4=0;m5=0;m6=0;for i=1:n x=randperm(6);y=x(1);switch y case 1,m1=m1+1;case 2,m2=m2+1;case 3,m3=m3+1;case 4,m4=m4+1;case 5,m5=m5+1;otherwise,m6=m6+1;endend.%输出结果,试验二:投掷骰子,用蒙特卡罗(Monte Carl
8、o)投点法计算 的值,n=100000;a=2;m=0;for i=1:n x=rand(1)*a/2;y=rand(1)*a/2;if(x2+y2=(a/2)2)m=m+1;endendfprintf(计算出来的 pi 为:%fn,4*m/n);,试验三:蒙特卡罗投点法,在画有许多间距为 d 的等距平行线的白纸上,随机投掷一根长为 l(l d)的均匀直针,求针与平行线相交的概率,并计算的值。,试验四:蒲丰投针实验,n=100000;l=0.5;d=1;m=0;for i=1:n alpha=rand(1)*pi;y=rand(1)*d/2;if y=l/2*sin(alpha)m=m+1;e
9、ndendfprintf(针与平行线相交的频率为:%fn,m/n);fprintf(计算出来的 pi 为:%fn,2*n*l/(m*d);,试验四源程序,设某班有 m 个学生,则该班至少有两人同一天生日的概率是多少?,试验五:生日问题,n=1000;p=0;m=50;%设该班的人数为 50for t=1:n a=;q=0;for k=1:m b=randperm(365);a=a,b(1);end c=unique(a);if length(a)=length(c)p=p+1;endendfprintf(任两人不在同一天生日的频率为:%fn,p/n);,试验五源程序,clear;m=50;p1
10、=1:365;p2=1:365-m,365*ones(1,m);p=p1./p2;p=1-prod(p);fprintf(至少两人同一天生日的概率为:%fn,p);,试验五的理论值计算,彩票箱内有 m 张彩票,其中只有一张能中彩。问 m 个人依次摸彩,第 k(k m)个人中彩的概率是多少?你能得出什么结论?,第一个人中彩的概率为:,推知第k个人中彩的概率为:,第三个人中彩的概率为:,第二个人中彩的概率为:,试验六:摸彩问题,n=10000;m=10;p=0;k=5;%计算第 5 个人中彩的频率for t=1:n x=randperm(m);y=x(1);if y=k p=p+1;endendf
11、printf(第%d 个人中彩的频率为:%fn,p/n);,试验六源程序,概率与统计,概率论中所研究的随机变量的分布都是已知的。统计学中所研究的随机变量的分布是未知的或部分未知的,必须通过对所研究的随机变量进行重复独立的观察和试验,得到所需的观察值(数据),对这些数据分析后才能对其分布做出种种判断,即“从局部推断总体”。,统计学,给定一组数据,统计学可以摘要并且描述这份数据,这个用法称作为描述统计学。观察者以数据的形态建立出一个用以解释其随机性和不确定性的数学模型,以之来推论研究中的步骤及母体,这种用法被称做推论统计学。数理统计学专门用来讨论这门科目背后的理论基础。,数据的统计分析,现实生活中
12、的许多数据都是随机产生的,如考试分数、月降雨量、灯泡寿命等。,从数理统计角度来看,这些数据其实都是符合某种分布的,这种规律就是统计规律。,通过对概率密度函数曲线的直观认识和数据分布的形态猜测,以及密度函数的参数估计,进行简单的分布假设检验,揭示日常生活中随机数据的一些统计规律。,背景和目的,Matlab相关命令介绍,pdf 概率密度函数,y=pdf(name,x,A),y=pdf(name,x,A,B)或 y=pdf(name,x,A,B,C),返回由 name 指定的单参数分布的概率密度,x为样本数据,name 用来指定分布类型,其取值可以是:beta、bino、chi2、exp、ev、f、
13、gam、gev、gp、geo、hyge、logn、nbin、ncf、nct、ncx2、norm、poiss、rayl、t、unif、unid、wbl。,返回由 name 指定的双参数或三参数分布的概率密度,Matlab相关命令介绍,例:,x=-8:0.1:8;y=pdf(norm,x,0,1);y1=pdf(norm,x,1,2);plot(x,y,x,y1,:),注:,y=pdf(norm,x,0,1),y=normpdf(x,0,1),相类似地,,y=pdf(beta,x,A,B),y=betapdf(x,A,B),y=pdf(bino,x,N,p),y=binopdf(x,N,p),Ma
14、tlab相关命令介绍,normfit 正态分布中的参数估计,muhat,sigmahat,muci,sigmaci=normfit(x,alpha),对样本数据 x 进行参数估计,并计算置信度为 1-alpha 的置信区间 alpha 可以省略,缺省值为 0.05,即置信度为 95%,load 从matlab数据文件中载入数据,S=load(数据文件名),hist 绘制给定数据的直方图,hist(x,m),Matlab相关命令介绍,table=tabulate(x),绘制频数表,返回值 table 中,第一列为x的值,第二列为该值出现的次数,最后一列包含每个值的百分比。,ttest(x,m,a
15、lpha),假设检验函数。此函数对样本数据 x 进行显著性水平为 alpha 的 t 假设检验,以检验正态分布样本 x(标准差未知)的均值是否为 m。,Matlab相关命令介绍,normplot(x),统计绘图函数,进行正态分布检验。研究表明:如果数据是来自一个正态分布,则该线为一直线形态;如果它是来自其他分布,则为曲线形态。,wblplot(x),统计绘图函数,进行 Weibull 分布检验。,Matlab相关命令介绍,其它函数,cdf 系列函数:累积分布函数 inv 系列函数:逆累积分布函数 rnd 系列函数:随机数发生函数 stat 系列函数:均值与方差函数,例:,p=normcdf(-
16、2:2,0,1),x=norminv(0.025 0.975,0,1),n=normrnd(0,1,1 5),n=1:5;m,v=normstat(n*n,n*n),常见的概率分布,连续分布:正态分布,正态分布(连续分布),如果随机变量 X 的密度函数为:,则称 X 服从正态分布。记做:,标准正态分布:N(0,1),正态分布也称高斯分布,是概率论中最重要的一个分布。,如果一个变量是大量微小、独立的随机因素的叠加,那么它一定满足正态分布。如测量误差、产品质量、月降雨量等,正态分布举例,x=-8:0.1:8;y=normpdf(x,0,1);y1=normpdf(x,1,2);plot(x,y,x
17、,y1,:),例:标准正态分布和非标准正态分布密度函数图形,连续分布:均匀分布,均匀分布(连续分布),如果随机变量 X 的密度函数为:,则称 X 服从均匀分布。记做:,均匀分布在实际中经常使用,譬如一个半径为 r 的汽车轮胎,因为轮胎上的任一点接触地面的可能性是相同的,所以轮胎圆周接触地面的位置 X 是服从 0,2r 上的均匀分布。,均匀分布举例,x=-10:0.01:10;r=1;y=unifpdf(x,0,2*pi*r);plot(x,y);,连续分布:指数分布,指数分布(连续分布),如果随机变量 X 的密度函数为:,则称 X 服从参数为 的指数分布。记做:,在实际应用问题中,等待某特定事
18、物发生所需要的时间往往服从指数分布。如某些元件的寿命;随机服务系统中的服务时间;动物的寿命等都常常假定服从指数分布。,指数分布具有无记忆性:,指数分布举例,x=0:0.1:30;y=exppdf(x,4);plot(x,y),例:=4 时的指数分布密度函数图,离散分布:几何分布,几何分布是一种常见的离散分布,在贝努里实验中,每次试验成功的概率为 p,设试验进行到第 次才出现成功,则 的分布满足:,其右端项是几何级数 的一般项,于是人们称它为几何分布。,x=0:30;y=geopdf(x,0.5);plot(x,y),例:p=0.5 时的几何分布密度函数图,离散分布:二项式分布,二项式分布属于离
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