matematika 2 Študijsko gradivo

138
MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Upload: brede

Post on 09-Jan-2016

86 views

Category:

Documents


10 download

DESCRIPTION

MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO. INTEGRALI FUNKCIJ VEČ SPREMENLJIVK. Funkcije definirane z integralom. Vsaka integrabilna funkcija f :[ a,b ] →ℝ dolo ča zvezno funkcijo F :[ a,b ]→ℝ :. Lastnosti F lahko razberemo iz lastnosti f , npr: - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

MATEMATIKA 2

ŠTUDIJSKO GRADIVO

Page 2: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Funkcije definirane z Funkcije definirane z integralomintegralom

Vsaka integrabilna funkcija f :[a,b]→ℝ določa zvezno funkcijo F :[a,b]→ℝ:

Lastnosti F lahko razberemo iz lastnosti f, npr:

če je f zvezna je F odvedljiva in velja F ’=f;

če je f pozitivna, je F naraščajoča...

x

a

fxF )(

INTEGRALI FUNKCIJ VEČ SPREMENLJIVKINTEGRALI FUNKCIJ VEČ SPREMENLJIVK

Page 3: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

je zvezna l je odvedljiva

je > 0 je strogo naraščajoča

x↦l(x) je alternativna definicija funkcije ln(x).

Za vsak x>0 je definirana funkcija

x

dtt

xl1

1)(

tt

1

x xy

x

xy

tdt

tdt

tdt

xyl11

)(

duxdt

xut

yy

udu

xudux

11

)()( ylxl

0)1( l )()( xlnxl n

)1(lim0l

x

)1(lim l

x

x↦l -1(x) pa je alternativna definicija funkcije ex

Page 4: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Nove funkcije dobimo tudi z integriranjem funkcij več spremenljivk:

Primer

Kdaj je tako definirana funkcija zvezna, odvedljiva, integrabilna?Kaj je njen odvod, integral?

integral s parametrom

Pravilo določa funkcijo F :[a,b]→ℝ.d

c

dyyxfxF ),()(

f :[a,b]ⅹ[c,d]→ℝ:

11

0

1

0

xy

y

xyxy eedyxe

Page 5: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Zveznost d

c

dyyxfxF ),()(

Izberimo natančnost in privzemimo, da je f zvezna:

,),(),(cd

yxfyxf

01če je x1 dovolj blizu x0 , je

d

c

d

c

d

c

dyyxfyxfdyyxfdyyxfxFxF ),(),( ),( ),()()( 010101

zato je

dy

cddyyxfyxf

d

c

d

c

),(),( 11

f zvezna zveznad

c

dyyxfxF ),()(

Page 6: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

odvajanje integrala po parametru

Odvedljivost d

c

dyyxfxF ),()(

d

c

dyh

yxfyhxfh

xFhxF

),(),()()(

Lagrange: ),(),(),(

xtfh

yxfyhxfx

zvezna za dovolj majhen h jecd

yxfytf xx

),(),(xf

za vse y∈[c,d]

d

cx

d

c

dyyxfdyh

yxfyhxf ),(

),(),(

f(x,y) zvezno odvedljiva na x

odvedljivad

c

dyyxfxF ),()(

d

cx dyyxfxF ),()(

Page 7: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

3

1

3

)1(

3

)(33

1

0

3

xxxxyx

y

y

1

0

2 )()( dyyxxF

1

0

2

1)(2)( dy

xyxxF

xx

yydy

x

yy

y 2

11

2 1

1

0

21

0

xxx

2

11

3

1

Page 8: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Integrabilnost

f zvezna integrabilna

Primerjajmo funkciji

in

posebej: G1(b)=G2(b)

zamenjava vrstnega reda integriranja

zvezna

d

c

dyyxfxF ),()(

t

a

d

c

dxdyyxftG ),()(1

d

c

t

a

dydxyxftG ),()(2

d

c

dyytftG ),()(1 d

c

dyytftG ),()(2

0)(1 aG 0)(2 aGG1=G

2

d

c

b

a

b

a

d

c

dydxyxfdxdyyxf ),( ),(

Page 9: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

6

25

323

3

1 )(

2

1

232

1

22

1

1

0

2

x

x

xxxdxxxdxdyyx

6

25

3

7

2

3

3

3

73

3

1

0

23

1

0

21

0

2

1

31

0

2

1

2

y

y

x

x

yyy

dxyydxyx

dydxyx (

)

)(

Page 10: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Formula o zamenjavi vrstnega reda integriranja velja tudi za funkcije f(x,y), ki so nezvezne v nekaj točkah ali celo vzdolž neke gladke krivulje.

Primer

nezvezna vzdolž premice y=x

yx

yxxyxf

za 0

za ),(

1

0

1

0

32

1

00

1

0 0

1

0

1

0 3

1

3 ),(

xdxxdxxydxdyxdxdyyxf

xy

y

x

1

0

1

0

321

0

121

0

11

0

1

0 3

1

62

2

1

2 ),(

yydy

ydy

xdydxxdydxyxf

x

yxy

Page 11: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Dvojni Dvojni integralintegral

Prostornino pod ploskvijo ocenimo s pomočjo kvadrov. Pravokotnik [a,b]x[c,d] razdelimo na mrežo manjših pravokotnikov. Vsota prostornin včrtanih kvadrov je manjša, vsota prostornin očrtanih kvadrov pa večja od prostornine pod ploskvijo.

Page 12: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

f(x,y) omejena na pravokotniku [a,b]×[c,d]

delitev:

dyyyyc

bxxxxaD

mm

nn

110

110

...

...:

mij,Mij natančna spodnja in zgornja meja na pravokotniku [xi-1,xi]×[yi-

1,yi] Δxi= xi – xi-1, Δyj= yj – yj-1

n

i

m

jjiij yxmDfS

1 1

),( spodnja integralska vsota funkcije f pri delitvi D

zgornja integralska vsota funkcije f pri delitvi D

n

i

m

jjiij yxMDfZ

1 1

),(

a b

c

d

x

y

Δxi

Δyj

Page 13: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

spodnji integral funkcije f

zgornji integral funkcije f

Zvezne funkcije so integrabilne.

(Integrabilne so tudi funkcije, pri katerih je množica točk nezveznosti majhna, npr. če so nezvezne le v nekaj točkah, ali pa vzdolž neke gladke krivulje.)

),(lim)( DfSfSD

),(lim)( DfZfZD

Funkcija f je integrabilna, če je S( f) = Z( f).

Skupno limito imenujemo dvojni integral funkcije f na

območju [a,b]×[c,d] in označimo z ],[],[ dcba

f

Vedno je S( f) ≤ Z( f).

Page 14: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Dvojni integral je enak dvakratnemu.

Prostornina pod grafom z=f(x,y) je , kjer je P(x) ploščina prereza na nivoju x.

b

a

dxxP )(

d

c

dyyxfxP ),()(

b

a

d

c

dxdyyxffdcba

),(],[],[

P(x) je ploščina pod grafom funkcije y↦f(x,y):

Page 15: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

ali pa

],[],[ 1031

21 yyx

214

1

24

21

1

1

1

0

2

1

0

1

02

1

0

3

1

2

2

3

12

ln)ln(arctg

yy

dyyy

dyxyx

ydydx

yyx

x

x

22

2

82

2

1

4

12

1

13

1

23

1

1

0

23

1

3

1

1

02

lnln

ln

)ln(arctg

xxdxx

dxyyxdydxyyx

y

y

Page 16: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

splošno pravilo:

3

42

1

1

21

10

21

1 0

2

dxxdxyxdxdyyx

)cos(sin

d

c

b

adcba

dyyvdxxuyvxu )()()()(],[],[

Page 17: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

Polovico valja presekamo z ravnino. Izračunajmo prostornino dobljenega telesa

prostornina =

ploščina prereza je

rxh

xrxP 222)(

v:x = h:r

dxrxh

xrr

20

22

dxxduu

xru

22

3

2

3

2

2 2302 hrr

rh

duurh

r

x

Page 18: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Integral funkcije f(x,y) po območju D, ki ni pravokotno obravnavamo takole:

D zapremo v pravokotnik [a,b]x[c,d] in razširimo definicijo funkcije f s pravilom

g(x,y)=f(x,y) za (x,y) iz D

in

g(x,y)= 0 sicer.

Definiramo:

],[],[ dcba

gfD

b

a

xv

xuD

dxdyyxff ),()(

)(

Page 19: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

območje D:

prostornina =

2. možnost:

x

y

z

enačba ravnine: xrh

z

rx 02222 xryxr

2 2

2 20

r x

r x

r hx dy dx

r

3

2...

2 2

0

22 hrdxxrx

rh r

3

2

32 )(

2

2

23222

0

222

22

0

hryyr

rh

dyyrrh

dyx

rh

dydxxrh

r

r

r

r

r

r

yrr

r

yr

Page 20: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

DIFERENDIFERENCCIALNE ENAIALNE ENAČBEČBEDiferencialna enačba je funkcijska enačba, v kateri nastopajo odvodi iskane funkcije.

parcialna diferencialna enačba (2. reda)

Primeri

diferencialna enačba za y kot funkcijo x

diferencialna enačba 2. reda

diferencialna enačba 3. reda

Diferencialne enačbe za funkcije ene spremenljivke imenujemo navadne, ko nastopajo parcialni odvodi na več spremenljivk pa pravimo, da so to parcialne diferencialne enačbe

Red diferencialne enačbe je red najvišjega odvoda, ki v njej nastopa.

xyy

22 xyyy

22 xyeyyx y

xzz yxx

Page 21: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Rešitev diferencialne enačbe je funkcija y=y(x), pri kateri je F(x,y(x),y’(x))=0 za vse x na nekem definicijskem območju.

F(x,y,y’)=0 splošna oblika diferencialne enačbe 1. reda

Primeri:

xyy je rešitev diferencialne enačbe , saj je2

2

)(x

exy

2

2

2

2

2

2

22 xxx

eee xx

Enačba mora biti izpolnjena za vse x na nekem intervalu.

ni rešitev diferencialne enačbe , čeprav je za nekatere vrednosti x.

2)( xxy xyy 32 xx

xyy

Page 22: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

je rešitev enačbe

je tudi rešitev enačbe

je prav tako rešitev zgornje enačbe...

Velja pravilo: diferencialna enačba reda n ima splošno rešitev, ki je odvisna od n poljubnih parametrov.

xxy )(

xexxy )(

xxexxy )(

22 xyyy

22 xyyy

Splošna rešitev je običajno odvisna od nekaj parametrov. Na primer, vse rešitve enačbe so oblike , kjer sta A in B poljubni realni števili.

22 xyyyxx BxeAexxy )(

Diferencialne enačbe imajo praviloma veliko rešitev, kar je posledica dejstva, da odvajanje ni injektivno.

Page 23: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Geometrični pomen diferencialne enačbe

y=y (x) je rešitev enačbe y’ =f (x,y)

smerni koeficient tangente na graf rešitve v točki x0 je enak f (x0,y (x0))

funkcija f(x,y) določa polje smeri:

pri vsaki točki (x,y) z majhno daljico označimo smer s koeficientom f(x,y).

f(x,y)=x-y

vsaka krivulja, ki je v svojih točkah tangentna na polje smeri, je graf ene izmed rešitev diferencialne enačbe

Page 24: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

f(x,y)=x2-y2+1

f(x,y)=-y-sin3x

Page 25: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Diferencialna enačba skupaj z začetnim stanjem v celoti določa evolucijo sistema.

y(0)=C, torej je C začetna količina opazovane snovi

Za 14C:

Hitrost razpadanja pogosto podamo z razpolovno dobo T: zveza s k je kT=ln

2

Hitrost razpadanja radioaktivne snovi je sorazmerna s količino snovi (reakcija 1. reda). Če imamo na začetku neko količino snovi (npr. 5g izotopa 14C), kaj lahko povemo o količini snovi čez nekaj časa (npr. čez koliko časa bo ostalo le 3g 14C)? y=y(t) količina snovi v trenutku t

y’=-k y k je sorazmernostni faktor med količino snovi in hitrostjo razpadanja (npr. za 14C je k =3.83 10-12 s-1)

ktCeycktydtkydy

dtkydy

kydtdy ln

let s 42301413336814621083.3

5108.0ln53

1253

kte kt

Razpolovna doba 14C je (0.6931/3.83) 1012 s ≈ 5730 let.

Fizikalni primer: radioaktivni razcep

Page 26: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Ogljikov izotop 14C nastaja v višjih plasteh atmosfere, ko pod vplivom kozmičnih žar- kov dva neutrona nadomestita dva protona v 14N. Nastali 14C se veže s kisikom v 14CO2.

Razmerje med 14CO2 in 12CO2 v atmosferi je dokaj stabilno.

kozmični žarki

Rastline absorbirajo CO2

v biosfero. Razmerje med 12C in

14C v živih bitjih je enako, kot v atmosferi.

Ko ostanki živih bitij niso več v stiku z atmosfero se razmerje med 12C in

14C zaradi radioaktivnega razpada poveča v prid prvega. Starost ostankov ocenimo na podlagi primerjave stopenj radioaktivnosti.

stopnja radioaktivnosti

0 let 5730 let 11460 let 17190 let starost

Datiranje s 14C

Page 27: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Pri diferencialnih enačbah obravnavamo dva tipa nalog:

npr. enačba

začetni problem

iščemo rešitev enačbe, ki ima v nekih točkah predpisane funkcijske vrednosti (in morda vrednosti odvodov)

npr. začetni problem

yy 2 xAexy 2)(

iskanje splošne rešitve

splošna rešitev

22 xyyy xx BxeAexxy )(

rešitev

3)0(

2

y

yy xexy 23)(

2)0(

0)0(

22

y

y

xyyyxxexxy )(

Page 28: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

V družini krivulj gre le ena skozi točko (0,3).

xAey 2

V dvoparametrični družini krivulj je le ena,ki gre skozi izhodišče in ima tam tangento s smernim koeficientom 2.

xx BxeAexy

Page 29: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Diferencialne enačbe z ločljivimi spremenljivkami

V diferencialni enačbi 1. reda lahko ločimo spremenljivki, če jolahko zapišemo v obliki

Primeri

nista enačbi z ločljivimi spremenljivkami

)(

)()()(

yvxu

yxvyyu ali

02 yyx

xyy

xyy 1

2

21 yy 11 2

y

y

12 xyxyxx

yy21

yxy 1 xyyyx

Page 30: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Reševanje enačb z ločljivimi spremenljivkami

implicitna oblika splošne rešitve

U(y) primitivna funkcija za u(y)V(x) primitivna funkcija za v(x)

CxVyUxVyUxvyyu )()()()()()(

Praktično navodilo: v diferencialni enačbi pišemo , prestavimo vse

x na eno stran enačbe, vse y na drugo stran enačbe in potem integriramo vsako stran posebej.

dxdy

y

02 22 yyx 02 22 ydxdy

x 222 xdx

ydy

222 xdx

ydy C

xy 1

2

1)1(2

)(

Cx

xxy

Page 31: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primeri

spremenljivk se ne da ločiti!

nova spremenljivka:

yxvy )('

)()(ln)(' xVC eeyCxVyxv

yy

)(xVAey A ∈ ℝ

yxy '

yu

yxu

1

uu 1

11ln1

1

xCeuCxudxu

duu

dxdu

1 xCey x

Page 32: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Začetni problem pri enačbah z ločljivimi spremenljivkami

Primer

00 )(

)()(

yxy

xvyyu x

x

y

y

dxxvdyyu00

)()(

2)1(

1 2

y

xyxy

xy

dxxx

ydy1

2

2

1xy

xx

y

1

2

2

2

2ln

2

5ln22

1

2ln2

222

22

xxyx

xy

Page 33: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Diferencialna enačba je funkcijska enačba, v kateri nastopajo odvodi iskane funkcije.

Rešitev DE je funkcija y=y(x), ki za vse x ustreza enačbi. Število prostih parametrov, od katerih je odvisna rešitev je enako redu enačbe.

Geometrično je rešitev DE vsaka krivulja, ki je tangentna na polje smeri.

Začetni problem je iskanje rešitve DE, ki ustreza nekim začetnim pogojem.

DE z ločljivimi spremenljivkami rešimo tako, da ločimo spremenljivki in potem integriramo vsako stran enačbe posebej.

Page 34: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer modeliranja z DE

Tripsin je encim trebušne slinavke, ki nastane iz tripsinogena. V reakciji nastopa tripsin kot katalizator, zato je hitrost nastajanja tripsina sorazmerna z njegovo koncentracijo.

y0 ........... začetna koncentracija tripsina

y(t) ........... koncentracija tripsina v času t

y’=ky ........... hitrost nastajanja je sorazmerna koncentraciji

Model napoveduje eksponentno in neomejeno naraščanje količine tripsina. To se v resnici ne more zgoditi, zato model popravimo.

00 yy

kyy

)(začetni problem: rešitev: y=y0ekt

Page 35: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Med reakcijo se tripsinogen porablja: iz vsake molekule tripsinogena nastane ena molekula tripsina. Zato privzamemo, da je hitrost reakcije sorazmerna tako koncentraciji tripsina, kot koncentraciji tripsinogena. Če je skupna koncentracija tripsina in tripsinogena C, začetna koncentracija tripsina pa y0 dobimo začetni problem:

Logistična krivulja: model predvideva, da bo koncentracija tripsina zrasla do prvotne koncentracije tripsinogena, potem pa se bo ustalila.

00 yy

yCkyy

)(

)(

ty

y

ty

y

ktyC

yC

dtkyCy

dydtk

yCydy

00

00

1

ln

)()(

CktyC

Ckt

eC

tyey

yCy

yC

1100

0 )(

Page 36: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Logistična krivulja je dober model za omejeno rast, vendar ni vedno povsem ustrezna. Npr. pri tumorjih število rakastih celic najprej narašča eksponencialno, potem pa se rast umiri in sčasoma ustavi. S poskusi so ugotovili, da krivulja naraščanja ni logistična temveč t.im. Gompertzova krivulja (ena od vidnih razlik je, da pri njej prevoj nastopi precej prej kot pri logistični).

Gompertzova funkcija

)()(atekeyty

10

Page 37: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Eksperimentalno ugotovljeno zakonitost poskušamo razložiti tako, da pogledamo, kateri diferencialni enačbi ustreza Gompertzova funkcija.

s staranjem se reproduktivna moč celic zmanjšuje

reproduktivni faktor se ne spreminja, vendar je naraščanje sorazmerno le z delom števila celic v tumorju, ker se v notranjosti tumorja ustvari nekrotično območje

)()()( tyeeakeyey atatekek atat

10

10

Diferencialna enačba pomeni, da število rakastih celic narašča sorazmerno z velikostjo tumorja, vendar se sorazmernostni faktor spreminja s časom. Vzroke za spremembo razlagajo različno:

yey at

)( yey at

yey at )(

Page 38: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Linearne diferencialne enačbe 1. reda

splošna LDE 1. reda

homogena LDE 1. reda

Velja:

)()( xbyxay

0)( yxay

poljubni rešitvi LDE 1. reda se razlikujeta

za rešitev pripadajoče homogene enačbe.

splošna rešitev LDE 1. reda je oblike y=yP+yH

rešitve homogene LDE 1. reda so oblike

, kjer je A(x) primitivna

funkcija za a(x).

)(xAH Cey

je rešitev

splošne LDE 1. reda

dxexbey xAxAP

)()( )(

0)()( 2121

2211

yyayy

yaybyay

dxxaCey

dxxaydy

yxay

)(

)(0)(

)()()()(

)(

)())((

)()(

)()(

xbyxayxbyxa

exbe

dxexbxaey

PPP

xAxA

xAxAP

Page 39: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

)()( xbyxay Reševanje LDE 1. reda:

1. izračunamo primitivno funkcijo A(x) za a(x);

2. izračunamo integral ;

3. splošna rešitev enačbe je

dxexbxB xA )()()(

))(()( )( CxBexy xA

)sin(xyyx

xx

xy

y)sin(

xxA ln)(

xdxxdxex

xxB x cossin

sin)( ln

xCx

xy

cos

)(

Page 40: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Začetni problem za LDE 1.reda

izračunamo:

rešitev:

Primer

00 )(

)()(

yxy

xbyxay x

x

dxxaxA0

)()(

x

x

xA dxexbxB0

)()()(

))(()( 0)( yxBexy xA

1)0(

32

y

yy xdxxAx

22)(0

2

3

2

33)( 2

0

2 xx

x edxexB

22

31

2

3

2

3)(

222

xxx e

eexy

Page 41: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

RL- električni krog

Kirchhoffov zakon: E=ER+EL

LDE 1.reda

konstantni vir napetosti E:

vir napetosti:E(t)

padec napetosti na uporu: ER=RI

padec napetosti na tuljavi: EL=LI

’ L

R

)(1

tEL

ILR

I

0)0(

1

I

EL

ILR

I

tLR

tA )(

1)(

0

tLRt

tLR

eRE

dtLE

etB

tLR

eRE

tI 1)(

Page 42: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primerizmenični vir napetosti:

L

E(t)

R

tEtE sin)( 0

Cdtte

LE

etIt

LR

tLR

sin)( 0

tEL

ILR

I sin1

0

bxbbxaba

edxbxe

axax cossinsin

22

Ctt

LRe

LE

eLR

tLR

tLR

cossin2

0

2

2

tLR

CetLtRLR

E

cossin

2220

tLR

CetLR

E

)sin(

222

0

222222sincos

LR

L

LR

R

Page 43: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Rešljivost DE 1. reda

Primeri Začetni problem nima rešitev, ker je edina

rešitev enačbe dana z y(x)=0.

10

02

)(y

yy

02 yy

Začetni problem ima edino rešitev y(x)=x+1.

10

1

)(y

y

Začetni problem

ima neskončno rešitev oblike y(x)=Cx+1.

10

1

)(yx

yy

Page 44: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Picardova iteracijska metoda

numerična metoda za reševanje DE 1.reda

zadostni pogoji za obstoj in edinost rešitve DE 1.reda

(Podobno smo pri Newtonovi metodi enačbo f(x)=0 preoblikovali v x=g(x).)

Rešitev začetnega problema

lahko zapišemo v integralski obliki

ki je primerna za približno reševanje.

00 yxy

yxfy

)(

),(

,))(,()( x

x

dttytfyxy0

0

Page 45: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Za vse n velja:

limitna funkcija y(x) je rešitev začetnega problema.

in(če je f zvezna in če smemo odvajati limito)

Tvorimo zaporedje funkcij y0(x), y1(x), y2(x),... po rekurzivnem pravilu:

))(,()(

)(

xyxfxy

yxy

nn

n

1

00

Privzemimo, da obstaja limitna funkcija ; tedaj je )(lim)( xyxy nn

))(,())(lim,())(,(lim)( xyxfxyxfxyxfxy nnnn

000 yxyxy nn )(lim)(

x

xnn dttytfyxy

yxy

0

01

00

))(,()(

)(

Page 46: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

......

Taylorjeva vrsta za funkcijo y(x)=ex.

10)(y

yy

xdtxyx

1110

1 )(

10 )(xy

2111

2

0

2

xxdttxy

x

)()(

621

211

32

0

2

3

xxxdt

ttxy

x

)()(

24621

6211

432

0

32

4

xxxxdt

tttxy

x

)()(

x

nn dttyxy

xy

0

1

0

1

1

)()(

)(

Page 47: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer Picardove iteracije za začetni problem

......

0 1 2

3

10

2

)(y

yxy

Page 48: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Pri določenih pogojih Picardove iteracije konvergirajo proti rešitvi začetnega problema, dobljena rešitev pa je enolična.

Če sta f(x,y) in fy’(x,y) zvezni na neki okolici točke (x0,y0)

potem začetni problem ima natanko eno rešitev

y=y(x) na neki okolici točke x0.

00 yxy

yxfy

)(

),(

xxy tg)(

00

1 2

)(y

yy

Primer

Rešitve ni vedno mogoče podaljšati na celo realno os!

Page 49: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

splošna LDE 2. reda

homogena LDE 2. reda

Linearne diferencialne enačbe 2.reda

)()()( xcyxbyxay

0)()( yxbyxay

Velja: poljubni rešitvi LDE 2. reda se razlikujeta

za rešitev pripadajoče homogene enačbe.

splošna rešitev LDE 2. reda je oblike y=yP+yH ,

kjer je yP neka rešitev splošne enačbe, yH pa

poljubna rešitev homogene enačbe.

0)()()( 121212

222111

yybyyayy

ybyaycybyay

Page 50: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

če sta y1 in y2 rešitvi homogene enačbe, potem je tudi c1y1+c2y2

rešitev homogene enačbe.

(princip superpozicije)

(sledi iz rezultatov o rešljivosti diferencialnih enačb)

funkciji y1 in y2 sta neodvisni, če nobena ni večkratnik druge

če sta y1 in y2 neodvisni rešitvi homogene enačbe, potem lahko vse rešitve homogene enačbe zapišemo kot superpozicijo y1 in y2.

yH=c1y1+c2y2

0)()(

)()()(

22221111

221122112211

222111

ybyaycybyayc

ycycbycycaycyc

ybyayybyay

0

Page 51: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

dodatni pogoj:

rešimo sistem linearnih enačb integriramo

Če sta y1, y2 neodvisni rešitvi homogene enačbe

, potem lahko dobimo rešitev splošne enačbe

, ki je oblike .

0)()( yxbyxay

)()()( xcyxbyxay )()()()()( 21 xyxvxyxuxyP

21 vyuyyP

2211 yvyvyuyuyP 021 yvyu

21 yvyu

2211 yvyvyuyuyP

21

22211121

yvyu

bvyyavyvbuyyauyuyvyubyyay PPP

)()(

= 0 = 0

cyvyu

yvyu

21

21 0vu , vu,

21 vyuyyP

Page 52: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Če je y1 ena rešitev homogene enačbe , lahko dobimo še eno neodvisno rešitev oblike y2=uy1

0)()( yxbyxay

12 uyy 112 yuyuy 1112 2 yuyuyuy

)2(

)()2(

)()2(

111

111111

111111

ayyuyu

byyayuayyuyu

buyyuyuayuyuyu

0)2( 111 ayyuyu

Homogena LDE 1. reda za u’

u2

1

)(

)(ye

uxA

12 uyy

(A(x) primitivna funkcija za a(x))

Page 53: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Reševanje LDE 2.reda: )()()( xcyxbyxay

1. Poiščemo vsaj eno rešitev homogene enačbe 0)()( yxbyxay

2. Drugo rešitev homogene enačbe dobimo v obliki , kjer je

12 uyy

21

)(

)(ye

uxA

3. Partikularno rešitev splošne enačbe dobimo v obliki ,

kjer u in v določimo iz sistema enačb

21 vyuyyP

cyvyu

yvyu

21

21 0

4. Splošna rešitev enačbe je oblike y=yP+c1y1+c2y2.

Page 54: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

•druga rešitev:

2122)1( xyyxyx

0)1(

2

)1(

222

yx

yxx

y

• eno rešitev uganemo: y1=x

HOMOGENA

)1ln()1(

2)( 2

2xdx

xx

xA

SPLOŠNA

22

1 11

2

xxe

xux

)ln(

)(

xxxu

1)( 1)( 2

2 xxy

2

2

12

0)1(

xvxu

xvxuxvxu ,1 2

2,

3

23 xv

xxu

)1(26

)1()1(23

)( 224

2223

xBAx

xxxBAxx

xx

xxxy

Page 55: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

• preprosto rešljiva homogena enačba

• lažje računanje posebne rešitve

Primeri uporabe:

nihanja

električna vezja

modeliranje metabolizma

.......

)(xfbyyay

LDE 2. reda s konstantnimi koeficienti

Page 56: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

HOMOGENA ENAČBA

Poskušamo z nastavkom: y=erx (analogija z LDE 1.reda)

par realnih ničel

dvojna realna ničla

par konjugiranih kompleksnih ničel

0 byyay

0)( 2 rxebarr

rx

rx

rx

ery

rey

ey

2

02 barr

2

42

2,1

baar

042 ba

042 ba

042 ba

Page 57: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

1. primer: par realnih ničel r1,r2:

bazični rešitvi:

splošna rešitev:

2. primer: dvojna realna ničla r

bazični rešitvi:

drugo bazično rešitev dobimo z nastavkom

splošna rešitev:

xr

xr

exy

exy2

1

)(

)(

2

1

xrxrH ececxy 21

21 )(

rxexy )(1

)()()( 12 xyxuxy

xxueee

u xrarx

ax

)(1)(

)2(2

02 ra

rxxexy )(2

rxH exccxy )()( 21

Page 58: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

3. primer: par konjugirano kompleksnih ničel: α+iβ, α+iβ

superpozicija rešitev je tudi rešitev ⇒

bazični rešitvi

splošna rešitev

xixxi eee )(

potrebujemo rešitve, ki so realne funkcije

xixe

xixexi

xi

sincos

sincos

xexy

xexyx

x

sin)(

cos)(

2

1

)sincos()( 21 xcxcexy xH

Page 59: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Diferencialna enačba

Karakteristična enačba Ničle Splošna rešitev

Primeri

0 yy

0 yy

044 yyy

054 yyy

0 yyy

012 r

012 r

0442 rr

0542 rr

012 rr

1,1 21 rr

1,0

, 21

irir

22,1 r

1,5 21 rr

2

3

2

1

2

3

2

1

2

1

ir

ir

xx ecec 21

xcxc sincos 21

)( 212 xcce x

xx ecec 25

1

)sincos( 23

223

12 xcxcex

Page 60: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

rešitev iščemo v obliki

NEHOMOGENA ENAČBA

1.

način

in dobimo preprosto rešljiv sistem

kjer je

Primer

)(xfbyyay

)()()()()( 21 xyxvxyxuxyP

x

atP dttyxytyxyetf

Axy

0

2112 ))()()()(()(1

)(

)0()0()0()0( 2121 yyyyA

xyyy 32

0322 rrkarakteristična enačba:

rešitve kar. enačbe: 3,1 21 rrxx exyexy 3

21 )(,)( rešitve homogene:

4A

x xx

txtxtP

eexdteeeetexy

0

3332

3649

23)(

4

1)(partikularna rešitev:

xx ececx

xy 3219

23)(

splošna rešitev:

Page 61: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

2. način

Za nekatere pomembne primere desnih strani lahko na podlagi izkušenj uganemo obliko rešitve in računamo le neznane koeficiente.

desna stran nastavek (ki so neznani

koeficienti) f(x)=Pn(x) (polinom n-te stopnje)

f(x)=eax

Izjema: če je nastavek za yP rešitev homogene enačbe, potem cel nastavek pomnožimo z x (oz. z x2, če ima karakteristični polinom dvojno ničlo).

Superpozicija: če je desna stran vsota izrazov iz levega stolpca tabele, potem tudi za nastavek vzamemo ustrezno vsoto.

011

1 ...)( kxkxkxkxy nn

nnP

axP kexy )(

bxxfbxxf sin)(,cos)( bxkbxkxyP sincos)( 21

)()( xPexf nax )...()( 01

11 kxkxkxkexy n

nn

nax

P

bxexfbxexf axax sin)(,cos)( )sincos()( 21 bxkbxkexy axP

Page 62: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

nastavek:

xyyy 32

xx eyexy 321 ,)(

rešitve homogene:

0

y

ay

baxy

9

2,

3

1)(320 baxbaxa

9

23)(

xxyPpartikularna rešitev:

xx ececx

xy 3219

23)(

splošna rešitev:

Page 63: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

ker sta ex in xex rešitvi homogene enačbe,nastavek:

xexyyy 22

0122 rrkarakteristična enačba:

rešitve kar. enačbe: 12,1 rxx xexyexy )(,)( 21rešitve homogene:

264)(

22

x

P

exxxxy partikularna rešitev:

splošna rešitev:

xxx

xx

x

edxdxedeay

edxdxebaxy

edxcbxaxy

2

2

22

422

22

)(

xx

xxxxx

exedxcbxax

edxdxebaxedxdxedea

222

22

)(

)22(2)422(

12

022

04

1

d

cba

ba

a

xx

exccex

xxxy )(2

64)( 21

22

Page 64: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Reševanje LDE 2.reda s konstantnimi koeficienti

3. Nehomogeno enačbo rešimo z nastavkom

par realnih ničel r1,r2

dvojna ničla r

par kompleksnih ničel α+iβ, α+iβ

Izjema: če je nastavek za yP rešitev homogene enačbe, potem cel nastavek pomnožimo z x ali z x2.

)(xfbyyay

02 barr1. Rešimo karakteristično enačbo

2. Na podlagi rešitev določimo bazične rešitve homogene enačbe

xrxr exyexy 21 )(,)( 21 rxrx xexyexy )(,)( 21

xexyxexy xx sin)(,cos)( 21

011

1 ...)( kxkxkxkxy nn

nnP

axP kexy )(

bxxfbxxf sin)(,cos)( bxkbxkxyP sincos)( 21

)()( xPexf nax )...()( 01

11 kxkxkxkexy n

nn

nax

P

bxexfbxexf axax sin)(,cos)( )sincos()( 21 bxkbxkexy axP

)()( xPxf n

axexf )(

4. Splošna rešitev je y=yP+c1y1+c2y2.

Page 65: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

NIHANJA

sile, ki delujejo na utež

nehomogena LDE 2. reda

homogena LDE za odmik od ravnovesne lege

y

y=y(t) odmik od ravnovesne lege

y’(t) hitrost

y’’(t) pospešekmy’’ =mg-ky

gymk

y

y0

y-y0

mg=ky0 ravnovesna lega obremenjene vzmeti

)()( 000 yykkykyyym

0)()( 00 yymk

yy

Page 66: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Utež z maso m obesimo na vzmet in izmaknemo za L iz ravnovesne lege. Kako bo zanihala?

(privzamemo veljavnost Hookovega zakona, zanemarimo upor in maso vzmeti)

harmonično nihanje

0)0(

)0(

0

y

Ly

ymk

y

0,

sincos)(

BLA

tmk

Btmk

Aty

tmk

Lty cos)( periodično nihanje z amplitudo L in frekvenco

frekvenca je odvisna le od mase uteži in trdote vzmeti, ni pa odvisna od amplitude

mk

enačba prostega nihanja

(isto enačbo dobimo, če obravnavamo nihalo in pri za majhnih kotih nadomestimo sin x z x)

Page 67: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Dušeno nihanje: sila dušenja je sorazmerna hitrosti (če hitrost ni prevelika) in ima nasprotno smer.

koeficient dušenja

yckyym

0 ymk

ymc

y enačba dušenega nihanja

02 mk

rmc

rkar. enačba:

mkmcc

r2

42

2,1

rešitve kar. enačbe:

Page 68: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

kmc 42 (koeficient dušenja je majhen)

2202

22

42

4

2

mc

mk

mckm

mc

d

)sincos()( tBtAety ddt )cos(22 teBA d

t

AB

tg

Če je koeficient dušenja dovolj majhen, vtež niha z amplitudo, ki eksponentno vpada s časom. Frekvenca nihanja je konstantna in je nekoliko manjša od frekvence nedušenega nihanja.

Page 69: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

kmc 42 (koeficient dušenja je velik)

02

4

02

4

2

2

2

1

mckmc

r

mckmc

r

trtr BeAety 21)(

Pri velikem koeficientu dušenja se vtež bodisi preprosto vrne v ravnovesno lego in v njej obmiruje ali pa enkrat zaniha in potem obmiruje v ravnovesni legi.

kmc 42 (mejni primer)

)()( 2 BtAetyt

mc

V mejnem primeru se zgodi isto kot v

primeru velikega koeficienta dušenja.

Page 70: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

VSILJENO NIHANJE

zunanja sila, ki deluje na vzmet

lastna frekvenca prostega nihanja

Splošna rešitev:

Posebno rešitev dobimo z:

- nastavkom

- variacijo konstant

- integralsko formulo

- rešitev začetnega problema y(0)=y’(0)=0

- primerna tudi za odsekoma zvezne desne strani

f(t)

)(tfkyym

mk0

)cos()(

sincos)()(

022

00

tBAty

tBtAtyty

P

P

t

P dxxtxfk

ty0

0 )(sin)(1

)(

Page 71: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primeri

en signal sproži harmonično nihanje

posamezni signali spremenijo amplitudo, frekvenca se ne spreminja

periodični signal s frekvenco nesorazmerno z lastno povzroči neurejeno nihanje

Page 72: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

in še...

periodični signal s frekvenco enako lastni povzroči resonanco

periodični signal s frekvenco blizu lastni povzroči utripanje

Page 73: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Zakaj pride do resonance?zunanja sila:

nastavek:

splošna rešitev:

amplituda neomejeno narašča

tFtf cos)( 0 tmF

yy cos020

tBtAy sincos

tBtAy sincos 22

tmF

tBtAtBtA cos)sincos(sincos 020

22

0,)( 22

0

0

Bm

FA

)cos(cos)(

)( 0220

0

tCtm

Fty

0

Page 74: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

nastavek:

amplituda linearno narašča

0

)sincos( tBtAty

ttmF

tyP 00

0 sin2

)(

Page 75: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Dušeno vsiljeno nihanje

(Privzamemo: c2<4km)

rešitev homogene:

nehomogena enačba:

nastavek (ω≠ωd )

splošna rešitev:

superpozicija dveh nihanj; drugo postane sčasoma zanemarljivo (prehodno stanje ⇒ stacionarno stanje)

v stacionarnem stanju je frekvenca enaka frekvenci spodbujanja, amplituda pa je odvisna od mase, koeficienta upora ter razlike med frekvenco spodbujanja in lastno frekvenco dušenega nihanja.

tFkyycym cos0

)cos()( tCety dt

H

22

0,2

dmc

tBtAy sincos

2222220222222

22

0 )(,

)(

)(

cmc

FBcm

mFA

dd

d

)cos()cos()(

)(222222

0

tCetcm

Fty d

tv

d

Page 76: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Razmerje med amplitudo spodbujanja in amplitudo nihanja (ojačenje) je

Resonančna krivulja

Ojačenje kot funkcija frekvence spodbujanja za različne vrednosti koeficienta upora (k=1, m=1):

Amplituda pri dušenem vsiljenem nihanju ne narašča čez vse meje, ko gre .

0

222222 )(

1

cm d

Page 77: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

RLC električni krog

Padec napetosti na ...

upoštevamo I=Q ’:

E(t)

ER=RI

EL=LI ’

CQ

EC - uporu je sorazmeren toku;

- tuljavi je sorazmeren spremembi toka;

- kondenzatoru je sorazmeren naboju.

QC

ILRI

EEEtE CLR

1

)(

)(1

tEIC

IRIL )(tFkyycym

Page 78: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

induktanca tuljave L

upor R

recipročje kapacitivnosti 1/C

odvod napetosti iz vira E

’(t)

električni tok I

2. Kirchhoffov zakon

masa m (inercija)

koeficient dušenja c (viskoznost)

koeficient elastičnosti k

zunanja sila F(t)

odmik od ravnovesja y

2. Newtonov zakon

RLC krog z izmeničnim (sinusnim) virom napetosti (R>0):

- prehodnemu toku sledi stacionarni električni tok;

- frekvenca stacionarnega toka je enaka frekvenci vira;

- amplituda stacionarnega toka je odvisna od induktance,

kapacitivnosti in razlike med frekvenco vira in lastno frekvenco RLC kroga

- ko se frekvenca vira približa lastni frekvenci pride do

utripanja in do resonance

)(1

tEIC

IRIL )(tFkyycym

Page 79: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Model za ugotavljanje diabetesa

Diabetes je disfunkcija pri presnovi glukoze.

Pri običajnem testiranju dobi pacient na tešče večjo količino glukoze. V naslednjih nekaj urah mu večkrat odvzamejo kri in izmerijo koncentracijo glukoze. Oblika sprememb je podlaga za ugotavljanje diabetesa.

Zaradi nihanja koncentracije, individualnih razlik in drugih dejavnikov, ki vplivajo na količino glukoze v krvi, je pogosto težko postaviti pravilno diagnozo.

Presnovo glukoze krmili vrsta hormonov: insulin (spodbuja absorbcijo glukoze), glukagon (spodbuja nastanek glukoze iz glikogena v jetrih), adrenalin (spodbuja nastanek glukoze in zavira izločanje insulina), tiroksin (spodbuja nastanek glukoze iz ne-karbohidratov), somatotropin (zavira delovanje insulina) in drugi.

Page 80: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

G: koncentracija glukoze v krvi

H: skupna koncentracija hormonov v krvi; tiste, ki zmanjšujejo G štejemo z negativnim, ostale pa s pozitivnim predznakom; v običajnih okoliščinah prevladuje vpliv insulina.

Laboratorijsko merimo predvsem G; določanje H je precej težje ali celo nemogoče.

Spreminjanje G in H je odvisno od trenutnih koncentracij G in H.

dovajanje insulina v kri

Funkciji u in v sta neznani. Njuni vrednosti blizu ravnovesnega stanja (G0,H0) ocenimo s pomočjo Lagrangeve formule:

),(

)(),(

HGvH

tJHGuG

)),()(),(),(),(

)(),()(),(),(),(

00000000

00000000

HHHGvGGHGvHGvHGv

HHHGuGGHGuHGuHGu

HG

HG

linearizacija

Page 81: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Vrednosti parcialnih odvodov ne poznamo, ocenimo le njihov predznak:

sistem LDE 1.reda

Prevedemo na LDE 2.reda:

odvajamo 1. enačbo

h’ izrazimo iz 2. enačbe

bh izrazimo iz 1. enačbe

Pacientu damo glukozo na začetku in skoraj trenutno, zato je smiselno reševati homogeno enačbo z začetnim pogojem g(0)=J in g’(0)=0.

)0,,,()(

dcbadhcgh

tJbhagg

)(),( 00 HHhGGg

Jhbgag

Jhdgcbga )(

JggaJdgbcga )(

JdJgbcadgda )()(

JdJgbcadgdag )()(

Page 82: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Enačba opisuje dušeno nihanje ⇒

splošna rešitev gre sčasoma proti 0, tj. G gre proti G0.

Splošna rešitev je (ob negativni diskriminanti) oblike

torej je odvisna od konstant G0,A,α,d,δ.

)cos()( 0 tAeGtG dt

Lastna frekvenca d se izkaže za najmanj občutljivo za napake pri merjenju koncentracij. Na podlagi izkušenj je frekvenca, ki ustreza manj kot 4 uram znak normalne presnove, tista pa, ki ustreza bistveno več kot 4 uram pa kaže na diabetes.

Konstante določimo s pomočjo metode najmanjših kvadratov iz nekaj meritev (običajno 6-8).

Page 83: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Teorija verjetnosti obravnava situacije, pravimo jim poskusi, pri katerih je izid odvisen od naključja.

Možni izidi nekega poskusa tvorijo prostor izidov.

PrimeriMed vožnjo na faks pelje študent mimo treh semaforjev. Pri vsakem se bodisi ustavi (R) ali pa pelje brez ustavljanja (Z). Prostor izidov lahko predstavimo z

{ ZZZ , ZZR , ZRZ , RZZ , ZRR , RZR , RRZ ,RRR }

Letna količina padavin v nekem kraju je zelo odvisna od naključja. Če jo gledamo kot izid poskusa je prostor izidov množica vseh pozitivnih realnih števil

{t | t 0}

Uvrstitev tekmovalca na kolesarski dirki ‘Franja’ lahko gledamo kot na dogodek v poskusu - tekmi - in za prostor izidov vzamemo množico {1,2,...,N}, kjer je N število udeležencev. Ker se število udeležencev iz leta v leto spreminja, je še bolj smiselno vzeti za prostor izidov množico vseh naravnih števil {1,2,3,...}.

VERJETNOSTNI RAČUNVERJETNOSTNI RAČUN

Page 84: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Podmnožicam prostora izidov pravimo dogodki.Dogodek, da se študent ustavi pri drugem semaforju je {ZRZ,ZRR,RRZ,RRR}.

Dogodek,da se kolesar uvrsti med prvih deset je {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}.

• dogodka A in B sta nezdružljiva, če je njun presek nemogoč dogodek, AB=N.

•gotov dogodek G tvorijo vsi možni izidi poskusa, nemogoč dogodek N pa je dogodek, ki ne vsebuje nobenega izida.

• presek dogodkov A in B je dogodek AB, da se zgodi tako A kot B.

Dogodek, da se študent ustavi na prvem in na drugem semaforju je AB={RRZ,RRR}.

• unija dogodkov A in B je dogodek A+B, da se zgodi vsaj eden izmed A in B.

A je dogodek, da se študent ustavi na prvem semaforju, B pa, da se ustavi na drugem semaforju. A+B je dogodek, da se študent ustavi na prvem semaforju, ali na drugem semaforju ali pa na obeh.

A={RZZ,RZR,RRZ,RRR}, B={ZRZ,ZRR,RRZ,RRR}, A+B={RZZ,RZR, ZRZ,ZRR,RRZ,RRR}

Z dogodki računamo enako kot z množicami:

•nasprotni dogodek za A je dogodek A, ki ga tvorijo vsi izidi, ki niso v A.

Dogodek, da se študent ne ustavi na prvem semaforju je A={ZRZ,ZZR,ZZZ,ZRR}.

Page 85: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

G

Verjetnostna mera je funkcija, ki vsakemu dogodku A priredi število P(A)[0,1]

in za katero velja:

• P(G)=1

• AB=N P(A+B)=P(A)+P(B)

B

A

P(B)=P(A+(B-A))=

P(A)+P(B-A) ≥

P(A)

A BAB

BABA AB

• P(A+B)=P(A)+P(B)-P(AB)

Sledi:

• P( A )=1-P(A) P(A)+P(A )=P(G)=1

• P(N)=0

• A B P(A) P(B)

A A

Page 86: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer Naj bo pri metu kocke A dogodek, da pade sodo število pik.

Klasična definicija: P(A)=½, ker je A={2,4,6} v množici izidov {1,2,3,4,5,6}, za katere privzamemo, da so enako verjetni.

Statistična definicija: P(A) dobimo kot frekvenco sodega števila pik pri velikem številu metov kocke.

Po 1000 metih kovanca dobimo 700 grbov

pri 1001. metu sta oba izida enako verjetna

pri 1001. metu je bolj verjetno, da pade grb

klasično

statistično

Klasična definicija verjetnosti: če ima poskus končno število enako verjetnih izidov, potem je število izidov v dogodku A

P(A)=

število vseh izidov

Statistična definicija verjetnosti: frekvenca dogodka A pri n ponovitvah poskusa je

število poskusov z izidom A n

P(A) je limita frekvenc dogodka A pri velikem številu ponovitev poskusa.

Page 87: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Geometrična definicija verjetnosti: če množico izidov lahko predstavimo geometrično, potem je P(A) razmerje med velikostjo (dolžino, ploščino, prostornino...) množice A in velikostjo množice vseh izidov.

Primer Kovanec s premerom 2 cm vržemo na tla pokrita s ploščicami s stranico 10 cm. Kolikšna je verjetnost dogodka A, da kovanec pokrije stik dveh ploščic?

P(A)=82/102=0.64

Za uporabo je odločilna verjetnost, ‘izmerjena’ po statistični

definiciji. Klasična in geometrična definicija sta običajno dobra

približka.

Page 88: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Pogojna verjetnost

Primer Izvleček rastline digitalis je strupen, vendar lahko pomaga srčnim bolnikom. Ugotavljanje zastrupitve je zelo zahtevno. V neki raziskavi so primerjali koncentracijo digitalisa v krvi s prisotnostjo znakov zastrupitve.

K+/K-: visoka/nizka koncentracija digitalisa v krvi Z+/Z-: prisotnost/odsotnost znakov zastrupitve

relativne frekvence

Verjetnost zastrupitve P(Z+)=0.318

Verjetnost zastrupitve ob visoki koncentraciji digitalisa

P(Z+|K+)=0.185/0.289=0.640

Verjetnost nezastrupitve P(Z-)=0.682

Verjetnost nezastrupitve ob nizki koncentraciji digitalisa

P(Z-|K-)=0.578/0.711=0.848

Page 89: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

A,B dogodka ( P(B)≠0 )

Pogojna verjetnost dogodka A pri pogoju B je

Pogojna verjetnost P(A|B) je delež dogodka A med poskusi, pri katerih se zgodi dogodek B.

Primer

Predpostavimo, da je verjetnost dežja (A) v oblačnem vremenu (B) enaka 0.4 in da je verjetnost oblačnega vremena 0.6. Tedaj je verjetnost, da bo deževalo P(A)=P(AB) = P(A|B).P(B)=0.4

. 0.6=0.24

)(

)()|(

BPABP

BAP

Page 90: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

PrimerIz škatle s petimi rdečimi in tremi modrimi kroglicami izvlečemo dve kroglici. Kolikšna je verjetnost, da sta iste barve?

? ?

M: prva kroglica je modra

R: prva kroglica je rdeča

A: druga kroglica je iste barve kot prva

baza

P(M)=3/8

P(R)=5/8

P(A|M)=2/7 P(A|R)=4/7

P(A)=6/56+20/56=13/28

formula o popolni verjetnosti

H1

H3

H2

H4

A

S pomočjo pogojne verjetnosti lahko obravnavamo dogodek, katerega verjetnost je odvisna od tega, kaj se zgodi na prvi stopnji poskusa:

Izide na prvi stopnji razdelimo na nezdružljive dogodke H1,H2,...,Hn. Poznati moramo verjetnosti P(Hi) in pogojne verjetnosti P(A|Hi ). Tedaj je

)|()(...)|()()(...)(

)...())...(()(

111

11

nnn

nn

HAPHPHAPHPAHPAHP

AHAHPHHAPAP

)|()(...)|()()|()()( nn HAPHPHAPHPHAPHPAP 2211

Page 91: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

H1,H2,...,Hn baza dogodkov P(Hi|A)=P(AHi)/P(A)= P(A|Hi).P(Hi)/P(A)

Bayesova formula

Primer

Raziskave zanesljivosti poligrafov (detektorjev laži) kažejo, da naprava zazna lažen odgovor v 88% primerov in da zazna resničen odgovor v 86% primerov.

Ob testiranju večjega števila ljudi (npr. kandidatov za zaposlitev), na vprašanje, pri katerem velika večina (npr. 99%) nima razlogov lagati, poligraf pri enem od vprašanih zazna simptome lažnega odgovora. Kolikšna je verjetnost, da je vprašani govoril resnico?

L: vprašani laže

R: vprašani govori resnico

P: poligraf zazna laž

N: poligraf zazna resnico

P(L)=0.01

P(R)=0.99

P(P|L) =0.88 P(N|L) =0.12

P(N|R)=0.86 P(P|R)=0.14

P(R|P)=?

Verjetnost, da je vprašani govoril resnico, čeprav je poligraf zaznal laž, je 94%!

)(

)()|()|(

APHPHAP

AHP iii

Občasno nas zanima kaj se je zgodilo na prvi stopnji, če poznamo izid na drugi stopnji.

94.001.088.099.014.0

99.014.0

)()|()()|(

)()|()|(

LPLPPRPRPPRPRPP

PRP

Page 92: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

A je neodvisen od B, če je P(A|B)=P(A).

A in B sta neodvisna ⇔ P(AB)=P(A).P(B)

P(A|B)=P(A) ⇔ P(AB)=P(A)P(B)

Primer Iz škatle, v kateri imamo 7 polnih in 3 prazne baterije naključno

vzamemo dve. Naj bo A dogodek, da je prva baterija polna, B pa dogodek, da je druga baterija polna. Ali sta dogodka A in B neodvisna?

P(B|A) )AP()A P(B|P(A)P(B|A)P(B)

)A P(B|) P(B|AP(A)

10

7

10

3

9

7

10

7

9

6

9

7

9

6

10

7

Dogodka A in B sta odvisna.

Page 93: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer• V sobi je n oseb. Kolikšna je verjetnost, da imata dve rojstni dan na isti dan?

Dogodek A: dve osebi imata rojstni dan na isti dan.

Nasprotni dogodek: vsi rojstni dnevi so različni.

Ai dogodek, da ima (i+1)-vi različen rojstni dan od prvih i;

Ai so medsebojno neodvisni ⇒

365

365 i)P(Ai

365

1365

365

363

365

364121121

)-n(APAPAPAAAP nn

)()...()()...(

365

1365

365

363

365

3641

)-n(-P(A)

23 oseb ⇒ P(A)>50%

32 oseb ⇒ P(A)>75%

47 oseb ⇒ P(A)>95%

Page 94: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Če vržemo dve kocki, dobimo za vsoto pik število med 2 in 12, vendar te vsote ne moremo vnaprej napovedati, saj je odvisna od slučaja. Podobno velja za število šestic v dveh metih.

Primeri količin odvisnih od slučaja:

• število potnikov mestnega avtobusa, ki izstopijo na postaji

• število metov potrebnih, da igralec z določene razdalje zadane koš

• število bonbonov v vrečki

• življenjska doba žarnice

• teža hlebca kruha

......Slučajna spremenljivka je funkcija, katere vrednosti so odvisne od slučaja.

Določa jo njena: zaloga vrednosti = nabor vrednosti, ki jih lahko zavzame, in porazdelitev = verjetnost, da zavzame eno ali več vrednosti iz zaloge

Slučajne spremenljivke

Page 95: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

Pri metu dveh kock je možnih 36 različnih in enako verjetnih izidov. Če z V označimo vsoto pik, je pripadajoča porazdelitev verjetnosti:

36

67

36

586

36

495

36

3104

36

2113

36

1122

)P(V

)P(V)P(V

)P(V)P(V

)P(V)P(V

)P(V)P(V

)P(V)P(V

Vsi ostali izidi imajo verjetnost 0.

Funkcija pV(n) = P(V=n) je verjetnostna gostota slučajne spremenljivke V.

Page 96: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Slučajna spremenljivka X je diskretna, če zavzame končno ali največ števno mnogo vrednosti x1, x2, x3,...

Njena porazdelitev je povsem določena z gostoto pX(x)=P(X=x).

Običajno naštejemo le neničelne vrednosti: p(x1),p(x2),p(x3),...

Primeri diskretnih porazdelitev enakomerna porazdelitevenakomerna porazdelitev

• X zavzame vrednosti x1, x2,... xn

• pX (x)=1/n, če je x∈{x1, x2,... xn}

pX (x)=0, sicer

Število pik pri metu kocke je enakomerno porazdeljeno:

zaloga vrednosti je {1,2,3,4,5,6}, vse vrednosti imajo verjetnost 1/6.

110 i

ii xpxp )()( Velja:

Page 97: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

binomska porazdelitevbinomska porazdelitev

Poskus ponovimo n-krat: naj bo vsakič verjetnost uspeha enaka p (in verjetnost neuspeha 1-p).

(npr. žogo vržemo 10-krat na koš; zadanemo z verjetnostjo 70%)

Slučajna spremenljivka B naj bo število uspešnih poskusov. Kako je porazdeljena?

(tj. kakšna je verjetnost, da bomo imeli k zadetkov?)

• Zaloga vrednosti spremenljivke B je {0,1,2,...,n} • Privzamemo, da so izidi poskusov medsebojno neodvisni.

Obstaja različnih zaporedij k uspešnih in (n-k) neuspešnih poskusov;

verjetnost vsakega zaporedja je pk(1-p)n-k .

k

n

n-kkB p)( p

k

nk) P(B(k) p

1

%.. . p 20200030706

106 46

)(npr. verjetnost, da koš zadanemo natanko 6-krat je

Page 98: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Porazdelitev spremenljivke B za n=10 in p=0.7:

binomska porazdelitev b(n,p)

b(20,0.4)

b(100,0.65)

Page 99: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Lastnosti binomske porazdelitve b(n,p):

značilna zvonasta oblika grafa

maksimum pri n.p (približno)

za velike n so vse verjetnosti zelo majhne ali celo zanemarljive

• tedaj je bolj smiselno verjetnosti opazovati

kumulativno: P(B ≤ k)

ali

intervalsko: P(j ≤ B ≤ k)

Primer

Žogo vržemo na koš 100-krat (verjetnost zadetka je 70%). Kolikšna je verjetnost, da bomo zadeli več kot 65-krat?

83703070100

10065100

66

100 .. . k

) B P(k

kk

računanje je zelo zamudno in numerično zahtevno

83.7%

Kaj je bolj verjetno: da bomo v 10 metih zadeli 10-krat ali v 100 metih več kot 80-krat?

Page 100: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

n=5, p=0.1, N=100

Verjetnost, da bo en signal brez napake:

(od treh poslanih je bilo 0 ali 1 narobe sprejetih)

Verjetnost, da bo 100 signalov brez napake: P100=0.423

9910901052

0

5 .. . k

Pk

kk

Primer

Ko signal (0 ali 1) pošiljamo po povezavi obstaja verjetnost p, da pri sprejemu pride do napake. Pri zelo moteni povezavi pošljemo vsak signal n-krat (n liho), sprejemnik pa šteje za pravilen tisti znak, ki ga dobi večkrat. Kolikšna je verjetnost, da bo N znakov dolgo sporočilo sprejeto brez napake?

9720901031

0

3 .. . k

Pk

kk

n=3, p=0.1, N=100

Verjetnost, da bo en signal brez napake:

(od treh poslanih je bilo 0 ali 1 narobe sprejetih)

Verjetnost, da bo 100 signalov brez napake: P100=0.058

Page 101: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

geometrična porazdelitevgeometrična porazdelitev

Ponavljamo poskus z verjetnostjo uspeha p. Slučajna spremenljivka G je število poskusov, potrebnih za prvi uspeh. Kako je porazdeljena?

p=0.2

• Zaloga vrednosti spremenljivke G je {1,2,3,... }

• P(G=k)=p.(1-p)k-1

Page 102: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Poissonova porazdelitevPoissonova porazdelitev

Poissonova porazdelitev P(a)

• zaloga: {0,1,2,3,... }

• porazdelitev: -a

ke

k!a

kp )(

Uporaba:

modeliranje emisije -delcev v danem časovnem intervalu modeliranje časovnih vrst (vrste pred bančnimi okenci, gostota prometa, obremenitve

telefonskega omrežja) modeliranje redkih nesreč v zavarovalništvu (npr. čebelji piki, padci pod tušem)

.......

Če je a=n.p majhen, je Poissonova porazdelitev zelo dober približek za binomsko porazdelitev.

n.p=a, n → ∞binomska porazdelitev b(n,p): n-kk p)( p

k

nk) P(B

1

-knkknkn-kk

na

na

nnn)(n-k)n(n-

k!a

na

na

k)(n-k)n(n-

p)( pk

n

1111

121

111

e-a 1 1

-ak

ek!a

Page 103: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Zvezne slučajne spremenljivke

Kadar je zaloga slučajne spremenljivke X neštevna (npr. življenjska doba žarnice), potem ne moremo našteti verjetnosti posameznih izidov in jim povrhu običajno sploh ne moremo pripisati pozitivne verjetnosti.

Pomagamo si s kumulativno verjetnostjo:

P(X ≤ x) = verjetnost, da X zavzame vrednost največ x

(npr. da žarnica pregori po x urah)

FX(x) = P(X ≤ x) je (kumulativna) porazdelitvena funkcija spremenljivke X

Porazdelitvena funkcija slučajne spremenljivke je

• naraščajoča

• na (-∞,∞) zraste od 0 do 1

Spremenljivka X je zvezna če je njena porazdelitvena funkcija FX zvezna.

Page 104: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

porazdelitvena funkcija diskretne in zvezne slučajne spremenljivke

Če je spremenljivka X zvezna, potem obstaja funkcija pX(x), da je dt(t)p(x)Fx

XX

pX(x) je gostota slučajne spremenljivke X

dt(t)p (x)p XX 110

Za gostoto slučajne spremenljivke velja:Kjer je pX zvezna je pX=FX ’.

dx(x)pbXaPb

aX )(

S pX računamo podobno, kot z diskretno gostoto, le da vsote nadomestimo z integrali:

P(a≤X ≤ b) = verjetnost, da X zavzame vrednost med a in b (npr. da je življenjska doba žarnice med a in b ur)

Page 105: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primeri zveznih porazdelitev

enakomerna porazdelitevenakomerna porazdelitev

sicer0

101 xp(x)

na [0,1], gostota:

sicer0

1bxa

abp(x)

na [a,b], gostota:

0 1

1

a b

ab1

Page 106: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

eksponentnaeksponentna porazdelitev porazdelitev

xea

xp(x) -ax 0

00

Podobna Poissonovi; uporaba pri modeliranju življenjske dobe, modeliranju vpliva mamil na živčne receptorje, napovedovanju potresov...

Page 107: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Normalna porazdelitev Normalna porazdelitev N(a,N(a,))

2

2

1

2

1

σx-a

-e

πσp(x)podana z gostoto:

Primeri

zvonasta oblika

maksimum pri a

simetrična glede na a

Page 108: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

gostota N(0,) za različne :

N(0,1) je standardizirana normalna porazdelitev;

njena gostota je 2

2

2

1 x

-e

π(x)

x-a(

σ(x)pN(a,σ

1)

poljubno normalno porazdelitev lahko izrazimo s pomočjo standardizirane

Page 109: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

dteπ

Φ(x)x t

-

0

2

2

2

1

Porazdelitvena funkcija standardizirane normalne porazdelitve je

dteπ

(x)Fx

-

t-

),N(

210

2

2

1

F(x)

(x)

Poljubno normalno porazdelitveno funkcijo lahko izrazimo s standardizirano:

x-a(Fdu(u) dt)

σt-a

dt(t) p(x)F ),N(

σx-a

-

x

-

x

-N(a,σ N(a,σ( 10)

1

σx-a

-u

x -t

dt

σ du

σat

u1

Integral ni elementarna funkcija - pomagamo si s tabelami za funkcijo

Φ(x)(x)F ),N( 2

110

(x) (x)

Page 110: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.0 0.0000 0.0039 0.0079 0.0119 0.0159 0.0199 0.0239 0.0279 0.0318 0.03580.1 0.0398 0.0437 0.0477 0.0517 0.0556 0.0596 0.0635 0.0674 0.0714 0.07530.2 0.0792 0.0831 0.0870 0.0909 0.0948 0.0987 0.1025 0.1064 0.1102 0.11400.3 0.1179 0.1217 0.1255 0.1293 0.1330 0.1368 0.1405 0.1443 0.1480 0.15170.4 0.1554 0.1590 0.1627 0.1664 0.1700 0.1736 0.1772 0.1808 0.1843 0.1879

0.5 0.1914 0.1949 0.1984 0.2019 0.2054 0.2088 0.2122 0.2156 0.2190 0.22240.6 0.2257 0.2290 0.2323 0.2356 0.2389 0.2421 0.2453 0.2485 0.2517 0.25490.7 0.2580 0.2611 0.2642 0.2673 0.2703 0.2733 0.2763 0.2793 0.2823 0.28520.8 0.2881 0.2910 0.2938 0.2967 0.2995 0.3023 0.3051 0.3078 0.3105 0.31320.9 0.3159 0.3185 0.3212 0.3238 0.3263 0.3289 0.3314 0.3339 0.3364 0.3389

1.0 0.3413 0.3437 0.3461 0.3484 0.3508 0.3531 0.3554 0.3576 0.3599 0.36211.1 0.3643 0.3665 0.3686 0.3707 0.3728 0.3749 0.3769 0.3789 0.3809 0.38291.2 0.3849 0.3868 0.3887 0.3906 0.3925 0.3943 0.3961 0.3979 0.3997 0.40141.3 0.4031 0.4049 0.4065 0.4082 0.4098 0.4114 0.4130 0.4146 0.4162 0.41771.4 0.4192 0.4207 0.4221 0.4236 0.4250 0.4264 0.4278 0.4292 0.4305 0.4318

1.5 0.4331 0.4344 0.4357 0.4369 0.4382 0.4394 0.4406 0.4417 0.4429 0.44401.6 0.4452 0.4463 0.4473 0.4484 0.4494 0.4505 0.4515 0.4525 0.4535 0.45441.7 0.4554 0.4563 0.4572 0.4581 0.4590 0.4599 0.4607 0.4616 0.4624 0.46321.8 0.4640 0.4648 0.4656 0.4663 0.4671 0.4678 0.4685 0.4692 0.4699 0.47061.9 0.4712 0.4719 0.4725 0.4731 0.4738 0.4744 0.4750 0.4755 0.4761 0.4767

2.0 0.4772 0.4777 0.4783 0.4788 0.4793 0.4798 0.4803 0.4807 0.4812 0.48162.1 0.4821 0.4825 0.4829 0.4834 0.4838 0.4842 0.4846 0.4849 0.4853 0.48572.2 0.4860 0.4864 0.4867 0.4871 0.4874 0.4877 0.4880 0.4883 0.4886 0.48892.3 0.4892 0.4895 0.4898 0.4900 0.4903 0.4906 0.4908 0.4911 0.4913 0.49152.4 0.4918 0.4920 0.4922 0.4924 0.4926 0.4928 0.4930 0.4932 0.4934 0.4936

2.5 0.4937 0.4939 0.4941 0.4942 0.4944 0.4946 0.4947 0.4949 0.4950 0.49522.6 0.4953 0.4954 0.4956 0.4957 0.4958 0.4959 0.4960 0.4962 0.4963 0.49642.7 0.4965 0.4966 0.4967 0.4968 0.4969 0.4970 0.4971 0.4971 0.4972 0.49732.8 0.4974 0.4975 0.4975 0.4976 0.4977 0.4978 0.4978 0.4979 0.4980 0.49802.9 0.4981 0.4981 0.4982 0.4983 0.4983 0.4984 0.4984 0.4985 0.4985 0.4986

3.0 0.4986 0.4986 0.4987 0.4987 0.4988 0.4988 0.4988 0.4989 0.4989 0.4989

Ker je funkcija xliha, so tabelirane le njene vrednosti za pozitivne x.

(1.02)=0.3461

(-0.89)=-(0.89)=-0.3132

F(-0.89)=0.5+(-0.89)=0.1868

Če je X standardizirano normalna N(0,1), je )Φ(x)Φ(x)xXP(x 1221

Če pa je X normalna N(a,), je )σ

axΦ()

σax

Φ()xXP(x

1221

Primer Slučajna spremenljivka X je porazdeljena po zakonu N(1.5,0.2). Kolikšna je verjetnost, da X zavzame vrednost med 1 in 1.5?

4937052)5.2(051120

511

20

5151 .).Φ(Φ)Φ()Φ()Φ().X P(..-

..-.

Page 111: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

X porazdeljena po N(a,):

682601211 .)()-)- )σ

a-σ-σ)-

σσ-aa

)σaX P(a-σ

((((

954402222 .)()σaXσ P(a-

997203233 .)( )σaXσ P(a-

- 2-2 3-3

68%

95%

99.5%

Page 112: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

)-p)np( N(np, 1Normalna porazdelitev je dober približek za binomsko porazdelitev b(n,p):

b(10,0.4)

N(4,1.55)b(20,0.6)

N(12,2.19)b(100,0.2)

N(20,4)

Laplaceovi približni formuli (X porazdeljena po b(n,p), q=1- p):

lokalna

integralska

npqk-np

npqe

π npqq p

k

n(k)p npq

(k-np)-

n-kkX 1

2

1 2

2

npq-npx

Φnpq-npx

Φ) x X P(x 12

21

Page 113: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primerjava binomske, Poissonove in normalne porazdelitve

b(100,0.02)

P(2)

N(2,1.4)

b(50,0.4)

P(20)

N(20,1.4)

Normalna porazdelitev je običajno boljši približek za binomsko kot Poissonova.

Ko je produkt n.p majhen (in n dovolj velik) pa je Poissonov približek boljši.

Page 114: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Povezave med verjetnostjo P, porazdelitveno funkcijo FX in gostoto porazdelitve pX

P FX

pX

FX(x) = P(X ≤ x)

P(a ≤ X ≤ b)=FX(b)-FX(a)

p X(x

)=F ’ X

(x)

x

F X(x

) = ∫p X

(t) d

t

-∞

b

P(a ≤ X ≤ b) =∫ p

X (t) dt

a

Page 115: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

X je porazdeljen standardizirano normalno. Kako je porazdeljen Y=X2?

Primeri Slučajna spremenljivka X ima gostoto pX. Kakšno gostoto ima Y=kX+l?

Funkcije slučajne spremenljivke - gostota

)0()()()()(

kk

lyF

kly

XPylkXPyYP(y)F XY

)(11

)()(k

lyp

kkkly

F(y)Fyp XXYY

Posebej, če je X porazdeljena po N(a,), je )(1

)(

axxpX

))(

(1

)(1

)(

k

lkayk

ak

yp kly

Y

)()()()()( 2 yyyXyPyXPyYP(y)FY

)0(2

1)(

1

2

1)(

2

1)()( 2

ye

yy

yyy

yyyp

y

Y

Porazdelitev z gostoto se imenuje 2 (hi-kvadrat).)0(2

1)( 2

xe

xxp

x

tudi kX+l je normalno porazdeljena in sicer po N(ka+l,k).

Page 116: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Povprečna vrednost

X diskretna, vrednosti xk, gostota p(xk) X zvezna, gostota p(x)

k

kk xpxE(X) )( povprečna vrednost

spremenljivke X

x p(x) dxE(X)

PrimerRuleta ima številke od 1 do 36 ter še 0 in 00. Če vložiš 1 Euro na sode, dobiš ali zgubiš 1 Euro glede na to ali kroglica pade na sodo oziroma liho številko.

Dobiček X je +1 z verjetnostjo 18/38 in -1 z verjetnostjo 20/38.

Povprečni dobiček je

19

1

38

201

38

181 )(E(X)

Če vložiš 1 Euro na izbrano številko (npr. 25) dobiš 36 Eurov če kroglica pade na 25, v nasprotnem pa zgubiš 1 Euro.

Povprečni dobiček je

38

1

38

371

38

136 )(E(X)

xe

xp(x) x- 0010

00010..

PrimerŽivljenjska doba žarnice je porazdeljena eksponentno. Kolikšna je, v povprečju, njena življenjska doba?

ur 100010

1

010

1

010

1

010

1010

010

0

010

0

010

0

010

0

010

..

...

.

.

..

.

e-

dx e

x e-

dxx eE(X)

x-

x-x-

x-

Page 117: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primeri V neki tovarni je približno en izdelek od desetih pokvarjen. Vsak dan izdelke pregledujejo enega po enega dokler ne najdejo pokvarjenega. Koliko izdelkov morajo v povprečju pregledati?

1

1

1 k-

k

-p)(pkE(X)trik:

221

1

21

1

0

1

11

11

1

1

1

1

p-p)-(-p)k (

-xk x

-xx

k

k-

k

k-

k

k

p1

Povprečno morajo dnevno pregledati po 10 izdelkov.

Igralec na ruleti igra po naslednjem sistemu. Vsakič igra igro z verjetnostjo 0.5 (npr. rdeče, izidov 0 in 00 ne štejemo). Najprej vloži 1 Euro; če izgubi, podvoji vložek in to ponavlja, dokler ne zmaga; ob vsaki zmagi je na dobičku 1 Euro (zaporedja vložkov so 1-2, 1-2-4, 1-2-4-8, 1-2-4-8-16 itn.). Po zmagi spet začne z 1 Eurom... Ali je to zanesljiva pot do zaslužka?

1

0 2

12 k

k

kE(X)Povprečna vrednost slučajne spremenljivke X ni definirana!

‘Sistem’ zahteva neskončno zalogo denarja (in možnost za neomejene stave).

Naj bo X količina denarja vložena pri zadnji igri (tisti, v kateri igralec zmaga).Zaloga vrednosti X je {1,2,4,8,...}, tj. {2k; k=0,1,2,3,...}; porazdelitev je P(X=2k)=2-(k+1).

X je geometrično porazdeljena s p=0.1:

Page 118: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

k

kk p)f(xE(f(X))

p(x) dxf(x)E(f(X))oziroma

o V vodiču smo prebrali, da je junija povprečna maksimalna dnevna temperatura v Rimu 77oF. Kolikšno je povprečje v Co?

2532779

532

9

5 )()(TT oo FC

Domneva: povprečje je 25oC.

o Stroj izdeluje svinčene kroglice, katerih premer je v povprečju 1 cm. Kolikšna je povprečna masa teh kroglic (=11.2 g/cm3)?

Težava: iz E(X) ne moremo izračunati E(X 3).

Y=f(X); E(Y)=?

Funkcije slučajne spremenljivke – povprečna vrednost

ikik yxfkAxXPkp )(|),()(

i Ak k

kki i Ak

iii

ii

kpxfkpxfkpyyYPyYE )()()()()()()(

Page 119: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

baE(X)(x) dxpb(x) dxpxa(x) dxpb)(axb)E(aX

Primeri

(zato smemo preračunati povprečje iz Fo v Co)

0

223

22

22

22dxexx

DmmX

E Dx

00

223

232

24

2

2dueu

mDdu

uD

euDD

m uu

duu

Ddx

Dx

u2

,2

2

4

3

2

3mD

Hitrost molekule plina je slučajna spremenljivka X in je porazdeljena po Maxwellovem porazdelitvenem zakonu z gostoto

Dx

-

X e xπD

(x)p 223

2

2

(x ≥ 0, D je odvisen od temperature)

Kolikšna je povprečna kinetična energija molekule?

Page 120: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Razpršenost

Mera za odstop od povprečne vrednosti:

k

kk )p(xm)(xD(X) 2

p(x) dxm)(xD(X) 2

m=E(X)

praktična formula:

2))(( XEXED(X) razpršenost (varianca, disperzija)

22 )()( XEXED(X)

2222222

222

22

2

)-mE(Xmm)-E(Xp(x) dxmp(x) dxxmp(x) dx-x

p(x) dx)mmx-(xp(x) dx(x-m)D(X)

Page 121: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

D(X)σ(X) standardni odklon slučajne spremenljivke X

σ(X)ab)σ(aX

D(X)ab)D(aX

2

536

21

6

16

6

15

6

14

6

13

6

12

6

11 .)( XE

6

91

6

136

6

125

6

116

6

19

6

14

6

112 )(XE

92212

35

6

21

6

912

.)(

XD

Primer Kako je razpršeno število pik pri metu kocke?

Primer Standardni odklon pri metu kocke je 711922 ..

Lastnosti razpršenosti in standardnega odklona

Page 122: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

vpeljemo:

E(X)=n.p

D(X)=n.p.(1-p)

Binomska b(n,p): zaloga {0,1,2,...,n},n-kk

k p)( pk

n p

1

Poissonova P(a): zaloga {0,1,2,3,...},

-ak

k ek!a

p

E(X)=a

D(X)=a

Povprečna vrednost in razpršenost nekaterih pomembnih porazdelitev

sešteti moramo in

n

k

n-kk p)( pk

nkXE

0

1)(

n

k

n-kk p)( pk

nkXE

0

22 1)(

kn

k

n-kkn xq pk

nqpx

0

)(

pqpxnqpxxq pk

nk nnk

n

k

n-kk

11

0

)())((

nppqpnq pk

nkx n

n

k

n-kk

1

0

)1(1

222

0

))(1())(()1( pqpxnnqpxxq pk

nkk nnk

n

k

n-kk

)1()1)(1(1 2221

0

2 pnppnnppqpnnq pk

nkx n

n

k

n-kk

aeeaeka

keek

xk

kx

e aa

k

ak

xx

k

k

k

kx

00

1

0 !)(

!!

0

222

0

2

0

2

!!)(

!)1(

k

ak

k

ak

k

kx aae

ka

kaeka

kkk

xkke

Page 123: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Normalna N(a,):

σx-a

σe

πσp(x) σ

x-a-

1

2

12

2

1

=0

(liha funkcija)

=1

E(X)=a

=1=0

D(X)=2

(X)=

dx

σx-a

σxXE 1

)(

dttadtttdttat )(

dxdtax

t1

,

dttadtttadtttdttatdxσ

x-aσ

x 22222 2)(1

2222 )( aadtttt

)()( tvdtttdv

dtdutu

a

Page 124: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

enakomerna

n,...,,21

]),[()( baxxpab

1

21n

1212 n

1212 n

binomska b(n,p) n,...,,, 210 knk ppk

nkp

)()( 1 np )( pnp 1 )( pnp 1

geometrijska ,...,, 321 11 kppkp )()( p1

2

1

pp

pp1

Poissonova P(a) ,...,, 210a

ka ekp

k !

)( a a a

enakomerna

],[ ba 2ba

12

2)( ab32

)( ab

eksponentna ),[ 0 axaexp )(

nkp 1)(

a1

a1

2

1a

normalna N(a,) ),( 2

21

21

ax

exp )( a 2

porazdelitev zaloga gostota E(X) D(X) (X)

Povprečna vrednost in razpršenost nekaterih porazdelitev - povzetek

dis

kretn

ezv

ezn

e

Page 125: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Skupne porazdelitve več slučajnih spremenljivk

Primer

Trikrat vržemo kovanec. Naj bo X število grbov pri prvem metu (0 ali 1), Y pa skupno število grbov (0,1,2 ali 3). Zanima nas, kako sta spremenljivki X in Y odvisni druga od druge.

Vsota po vrsticah je porazdelitev X, vsota po stolpcih pa je porazdelitev Y.

8

1

8

3

8

3

8

12

1

8

1

8

2

8

12

1

8

1

8

2

8

1

01

00

3210x\y

Vpeljemo porazdelitev dveh slučajnih spremenljivk

pi,j=p(xi,yj)=P(X=xi, Y=yj)

Možni izidi so {ggg,ggc,gcg,cgg,gcc,cgc,ccg,ccc}, zato dobimo

8

1

8

2

8

18

1

8

2

8

1

01

00

3210x\y

Page 126: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Diskretna porazdelitev (X,Y) z gostoto p(xi,yj)

robni porazdelitvi j

jiiX ),yp(x)(xp i

jijY ),yp(x)(yp

Zvezna porazdelitev (X,Y) z gostoto p(x,y)

robni porazdelitvi

p(x,y) dy(x)pX

p(x,y) dx(y)pY

Porazdelitvena funkcija

F(x,y)=P(X ≤ x, Y ≤ y)

(X,Y) zvezno porazdeljena

x y

dvp(u,v) du F(x,y)

(x,y)Fp(x,y) xy

Page 127: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Povprečna vrednost vsote slučajnih spremenljivk

E(X+Y)=E(X)+E(Y)

E(a1X1+a2X2+...+anXn)=E(a1X1)+E(a2X2)+...+E(anXn)

Neodvisnost slučajnih spremenljivk

X in Y sta neodvisni, če je P(X ≤ x, Y ≤ y)=P(X ≤ x).P(Y ≤ y) za vse pare x,y.

Ekvivalentno: F(x,y)=FX(x).FY(y), oziroma p(x,y)=pX(x).pY(y).

Primer

81

83

83

81

21

81

82

81

21

81

82

81

01

00

3210y\x

X in Y nista neodvisna

(npr. p(1,2)=1/8, pX(1).pY(2)=3/16)

X,Y neodvisna ⇒ E(XY)=E(X).E(Y)

)()()()(

),(),(),()()(

YEXEdyypydxxpx

dydyyxpydxdyyxpxdydxyxpyxYXE

YX

-

)()(),()(),()( YEXEdyyxpydxxpxdydxyxpxyXYE YX

-

Page 128: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Razpršenost vsote slučajnih spremenljivk

D(X+Y)=E((X+Y)2)-E(X+Y)2=

=E(X2+2XY+Y2)-(E(X)+E(Y))2=

=E(X2)+2E(XY)+E(Y2)-E(X)2-2E(X)E(Y)-E(Y)2=

=D(X)+D(Y)+2(E(XY)-E(X)E(Y))

K(X,Y) kovarianca slučajnih spremenljivk X in Y

X,Y neodvisna ⇒ X,Y nekorelirana ⇔ D(X+Y)=D(X)+D(Y)

Primeri

81

83

83

81

21

81

82

81

21

81

82

81

01

00

3210y\x

8

1

8

6

8

78

12

8

13

8

32

8

31

2

18

7

8

13

8

22

8

11

K(X,Y)

E(Y)E(X)

E(XY)

⇒ X in Y nista neodvisna

X porazdeljena po N(0,1), Y=X2

E(XY)=E(X3)=0 (ker je integrand liha funkcija)

E(X)E(Y)=0 (ker je E(X)=0)X in Y sta odvisna in vendar nekorelirana

X,Y sta nekorelirana, če je K(X,Y)=0

Page 129: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

σ(X)σ(Y)K(X,Y)

r(X,Y) korelacijski koeficient X in Y

8

1

8

3

8

3

8

12

1

8

1

8

2

8

12

1

8

1

8

2

8

1

01

00

3210x\y

Primer

2887032

12

3(3

8

19

8

34

8

31

2

1(

2

1

8

1

8

12

2

1

22

.r(X,Y)

Y) σ )Y E(X) σ )E(X

K(X,Y) E(Y)E(X)

12

σ(X)D(X)

σ(X)X

D r(X,Y)σ(X)σ(Y)K(X,Y)

σ(Y)Y

σ(X)X

D 22211

razpršenost je vedno ≥ 0 ⇒ r(X,Y) ≥ -1

r(X,Y)=-1 ⇒ konst.σ(Y)Y

σ(X)X

σ(Y)Y

σ(X)X

D

0

podobno:

|r(X,Y)| ≤ 1

|r(X,Y)| = 1 ⇒ X in Y sta linearno odvisna

1220 r(X,Y) r(X,Y) σ(Y)Y

σ(X)X

D

Page 130: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Zakon velikih števil

Pri večjem številu poskusov je odklon od povprečja manj verjeten.

Primer

Igralec zadane v povprečju 70% metov na koš. Kaj je bolj verjetno:

da bo v 10 metih zadel 10-krat ali v 100 metih več kot 80-krat?

P(10 zadetkov iz 10 poskusov)=0.710=0.028

008803070100100

81

100 .. . kk

kk

P(več kot 80 zadetkov iz 100 poskusov)=

Prva možnost je trikrat (!) bolj verjetna. Zakaj je tako?

Zakoni velikih števil

Page 131: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

X slučajna spremenljivka z gostoto p(x), m=E(X), =(X)

L

σ(X) L ) | P(|X-E(X)

2

ocena

Čebiševa(verjetnost znatnega odstopanja od povprečne vrednosti je omejena s standardnim odklonom)

k

σ(X) ) k| P(|X-E(X) 21Druga oblika ocene Čebiševa:

Primer

P(|X-E(X)| ≥ 2) ≤ 0.25 ocena velja za poljubno porazdelitev

za primerjavo: pri normalni porazdelitvi je P(|X-E(X)| ≥ 2) ≤ 0.05

(X)=0 ⇒ P(X=m)=1 (če je razpršenost enaka 0, je X konstantna)

D

dxxp L ) P(|X-m| )(

D

dxxpLmx

)()(

2

2

22

22

1)()(

1 L

dxxpmxL D

kjer je D={x∈ℝ; |x-m| ≥ L}

ker na D velja

1)(

2

2

Lmx

Pomen standardnega odklona

Page 132: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Povprečje izidov:n

X...XXS n

n

21

n neodvisnih ponovitev nekega poskusa ⇒

izidi so slučajne spremenljivke X1,X2,...Xn

neodvisne in enako porazdeljene

npr. kocko vržemo n-krat in za Xk vzamemo število pik pri k-tem metu;

žogo vržemo n-krat, Xk je število zadetkov (0 ali 1) pri k-tem metu.

Porazdelitev spremenljivke Sn je zapletena.

npr. pri metu kocke imamo 5n+1 izidov, z različnimi verjetnostmi

pri metu na koš je Sn relativna frekvenca zadetkov, porazdeljena je binomsko

Page 133: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

D(X)n

D(X) nn

X...XX Dn

X...XXn

D)D(S nnn

1111221221

Z naraščanjem števila poskusov pada razpršenost povprečja izidov proti 0.

Povprečna vrednost in razpršenost Sn:

X1,X2,...Xn neodvisne (zadošča nekorelirane) in porazdeljene enako kot X

E(X)E(X) nn

X...XX En

X...XXn

E)E(S nnn

1112121

E(Sn)=E(X)

D(X)n

)D(Sn

1

Page 134: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Sn = povprečje slučajnih spremenljivk X1,X2,...Xn ,,

ki so nekorelirane in porazdeljene kot X

L

D(X)n

LE(X)SP n 2

1

LE(X)S P nn0lim

zakon velikih števil: z naraščanjem števila poskusov pada verjetnost, da se povprečje spremenljivk razlikuje od njihove povprečne vrednosti proti 0.

Primer

Xk = število šestk pri k-tem metu kocke

X1+X2+...+Xn = število šestk po n metih kocke

Sn = relativna frekvenca šestk po n metih

06

1

n

n LSP

ocena Čebiševa ⇒

zakon velikih števil ⇒

Page 135: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Kaj se zgodi s porazdelitvijo vsote X1+X2+...+Xn ko gre n → ∞ ?

Primeri Xk neodvisne, diskretno porazdeljene P(Xk=1)=p, P(Xk=0)=1-p

X1+X2+...+Xn je porazdeljena binomsko b(n,p)

Page 136: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Xk neodvisne, enakomerno zvezno

porazdeljene na intervalu [0,1]

porazdelitev za X1+X2+...+Xn :

Xk neodvisne, zvezno eksponentno

porazdeljene z gostoto p(x)=e - x

za x ≥ 0

porazdelitev za X1+X2+...+Xn :

Page 137: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Porazdelitve vsote X1+X2+...+Xn zavzamejo zvonasto obliko, vendar jih težko primerjamo ker se ‘premikajo’.

X

poljubna spremenljivka

σ(X)X-E(X)

Z

standardizirana spremenljivka 1

0

2

σ(X)D(X)

σ(X)X-E(X)

DD(Z)

σ(X)E(X)-E(X)

σ(X)X-E(X)

EE(Z)

X1,X2,X3,... neodvisne, enako porazdeljene slučajne spremenljivke;

standardiziramo: )X...Xσ(X)X...X)-E(XX...X(X

Zn

nnn

21

2121

(x)F(x) F ),N(Zn n 10lim

centralni limitni izrek: standardizirana porazdelitev vsote konvergira proti standardni normalni porazdelitvi

Rešitev: vsoto standardiziramo

Page 138: MATEMATIKA 2 ŠTUDIJSKO GRADIVO

Primer

Naj bodo X1,X2,...,X20 rezultati 20 neodvisnih meritev količine m z razpršenostjo D(Xi)=2. Ocenimo verjetnost, da povprečje meritev odstopa od m za več kot polovico standardnega odklona .

Čebišev:20

2

20

1

2 2

2

20 .σ

σσmSP

Povprečje meritev je S20: E(S20)=m, D(S20)=2/20.

Centralni limitni izrek:

9742023222

202

2

20

202

20

22220

2020

.).Φ(Φ

σmS

P σ

mSσ

P σ

mSP

02580974201220 ..σ

mS P

Ocena, ki jo dobimo

iz centralnega limitnega izreka je veliko natančnejša.