Понятие математического ожидания можно рассмотреть на примере с бросанием игрального кубика. При каждом броске фиксируются выпавшие очки. Для их выражения используются натуральные значения в диапазоне 1 – 6.

После определенного количества бросков при помощи не сложных расчетов можно найти среднее арифметическое значение выпавших очков.

Также, как и выпадение любого из значений диапазона, эта величина будет случайной.

А если увеличить количество бросков в несколько раз? При больших количествах бросков среднее арифметическое значение очков будет приближаться к конкретному числу, получившему в теории вероятностей название математического ожидания.

Итак, под математическим ожиданием понимается среднее значение случайной величины. Данный показатель может представляться и в качестве взвешенной суммы значений вероятной величины.

Это понятие имеет несколько синонимов:

• среднее значение;
• средняя величина;
• показатель центральной тенденции;
• первый момент.

Иными словами, оно является ничем иным как числом вокруг которого распределяются значения случайной величины.

В различных сферах человеческой деятельности подходы к пониманию математического ожидания будут несколько отличаться.

Оно может рассматриваться как:

• средняя выгода, полученная от принятия какого-то решения, в том случае, когда такое решение рассматривается с точки зрения теории больших чисел;
• возможная сумма выигрыша либо проигрыша (теория азартных игр), рассчитанная в среднем для каждой из ставок. На сленге они звучат как «преимущество игрока» (позитивно для игрока) либо «преимущество казино» (негативно для игрока);
• процент прибыли, полученной от выигрыша.

Матожидание не является обязательным для абсолютно всех случайных величин. Оно отсутствует для тех у которых наблюдается расхождение соответствующей суммы или интеграла.

Свойства математического ожидания

Как и любому статистическому параметру, математическому ожиданию присущи свойства:

Основные формулы для математического ожидания

Вычисление математического ожидания может выполняться как для случайных величин, характеризующихся как непрерывностью (формула А), так и дискретностью (формула Б):

1. M(X)=∑i=1nxi⋅pi, где xi – значения случайной величины, pi – вероятности:
2. M(X)=∫+∞−∞f(x)⋅xdx, где f(x) – заданная плотность вероятностей.

Примеры вычисления математического ожидания

Пример А.

Можно ли узнать средний рост гномов в сказке о Белоснежке. Известно, что каждый из 7 гномов имел определенный рост: 1,25; 0,98; 1,05; 0,71; 0,56; 0,95 и 0,81 м.

Алгоритм вычислений достаточно прост:

• находим сумму всех значений показателя роста (случайная величина):
  1,25+0,98+1,05+0,71+0,56+0,95+ 0,81 = 6,31;
• полученную сумму делим на количество гномов:
  6,31:7=0,90.

Таким образом, средний рост гномов в сказке равен 90 см. Иными словами таково математическое ожидание роста гномов.

Рабочая формула — М(х)=4 0,2+6 0,3+10 0,5=6

Практическая реализация математического ожидания

К вычислению статистического показателя математического ожидания прибегают в различных сферах практической деятельности. В первую очередь речь идет о коммерческой сфере. Ведь введение Гюйгенсом этого показателя связано с определением шансов, которые могут быть благоприятными, либо напротив неблагоприятными, для какого-то события.

Этот параметр широко применяется для оценки рисков, особенно если речь идет о финансовых вложениях.
Так, в предпринимательстве расчет математического ожидания выступает в качестве метода для оценивания риска при расчете цен.

Также данный показатель может использоваться при расчете эффективности проведения тех или иных мероприятий, например, по охране труда. Благодаря ему можно вычислить вероятность наступления события.

Еще одна сфера применения данного параметра – менеджмент. Также он может рассчитываться при контроле качества продукции. Например, при помощи мат. ожидания можно рассчитать возможное количество изготовления бракованных деталей.

Незаменимым мат.ожидание оказывается и при проведении статистической обработки полученных в ходе научных исследований результатов. Он позволяет рассчитать и вероятность проявления желательного либо нежелательного исхода эксперимента или исследования в зависимости от уровня достижения поставленной цели. Ведь ее достижение может ассоциироваться с выигрышем и выгодой, а ее не достижение – в качестве проигрыша либо убытка.

Использование математического ожидания на Форекс

Практическое применение данного статистического параметра возможно при проведении операций на валютном рынке. С его помощью можно осуществлять анализ успешности торговых сделок. При чем увеличение значения ожидания свидетельствует об увеличении их успешности.

Также важно помнить, что математическое ожидание не должно рассматриваться в качестве единственного статистического параметра используемого для анализа работы трейдера. Использование нескольких статистических параметров наряду со средним значением повышает точность проводимого анализа в разы.

Данный параметр хорошо зарекомендовал себя при мониторинговых наблюдениях за торговыми счетами. Благодаря ему выполняется быстрая оценка работ, осуществляемых на депозитном счете. В тех случаях, когда деятельность трейдера удачна и он избегает убытков, пользоваться исключительно расчетом математического ожидания не рекомендуется. В этих случаях не учитываются риски, что снижает эффективность анализа.

Проведенные исследования тактик трейдеров свидетельствуют о том, что:

• наиболее эффективными оказываются тактики, базирующиеся на случайном входе;
• наименее эффективны – тактики, базирующиеся на структурированных входах.

В достижении позитивных результатов не менее важны:

• тактика управления капиталом;
• стратегии выходов.

Используя такой показатель как математическое ожидание можно предположить каким будет прибыль либо убыток при вложении 1 доллара. Известно, что этот показатель, рассчитанный для всех игр, практикуемых в казино, в пользу заведения. Именно это позволяет зарабатывать деньги. В случае длинной серии игр вероятность потери денег клиентом существенно возрастает.

Игры профессиональных игроков ограничены небольшими временными промежутками, что увеличивает вероятность выигрыша и снижает риск проигрыша. Такая же закономерность наблюдается и при выполнении инвестиционных операций.

Инвестор может заработать значительную сумму при положительном ожидании и совершении большого количества сделок за небольшой временной промежуток.

Ожидание может рассматриваться как разница между произведением процента прибыли (PW) на среднюю прибыль (AW) и вероятность убытка (PL) на средний убыток (AL).

В качестве примера можно рассмотреть следующий: позиция – 12,5 тыс. долларов, портфель — 100 тыс. долларов, риск на депозит – 1%. Прибыльность сделок составляет 40% случаев при средней прибыли 20%. В случае убытка средние потери составляют 5%. Расчет математического ожидания для сделки дает значение в 625 долларов.

Математическое ожидание произведения двух случайных величин равно произведению их математических ожиданий плюс корреляционный момент:

Доказательство. Будем исходить из определения корреляционного момента:

Преобразуем это выражение, пользуясь свойствами математического ожидания:

что, очевидно, равносильно формуле (10.2.17).

Если случайные величины некоррелированны , то формула (10.2.17) принимает вид:

т. е. математическое ожидание произведения двух некоррелированных случайных величин равно произведению их математических ожиданий.

Это положение известно под названием теоремы умножения математических ожиданий.

Формула (10.2.17) представляет собой не что иное, как выражение второго смешанного центрального момента системы через второй смешанный начальный момент и математические ожидания:

. (10.2.19)

Это выражение часто применяется на практике при вычислении корреляционного момента аналогично тому, как для одной случайной величины дисперсия часто вычисляется через второй начальный момент иматематическое ожидание.

Теорема умножения математических ожиданий обобщается и на произвольное число сомножителей, только в этом случае для ее применения недостаточно того, чтобы величины были некоррелированны, а требуется, чтобы обращались в нуль и некоторые высшие смешанные моменты, число которых зависит от числа членов в произведении. Эти условия заведомо выполнены при независимости случайных величин, входящих в произведение. В этом случае

т. е. математическое ожидание произведения независимых случайных величин равно произведению ихматематических ожиданий.

Это положение легко доказывается методом полной индукции.

Дисперсия произведения независимых случайных величин

Докажем, что для независимых величин

Доказательство. Обозначим . По определению дисперсии

Так как величины независимы, и

При независимых величины тоже независимы; следовательно,

,

Но есть не что иное, как второй начальный момент величины , и, следовательно, выражается через дисперсию:

;

аналогично

.

Подставляя эти выражения в формулу (10.2.22) и приводя подобные члены, приходим к формуле (10.2.21).

В случае, когда перемножаются центрированные случайные величины (величины с математическими ожиданиями, равными нулю), формула (10.2.21) принимает вид:

, (10.2.23)

т. е. дисперсия произведения независимых центрированных случайных величин равна произведению их дисперсий.

Высшие моменты суммы случайных величин

В некоторых случаях приходится вычислять высшие моменты суммы независимых случайных величин. Докажем некоторые относящиеся сюда соотношения.

1) Если величины независимы, то

Определение 1. Математическое ожидание - это число, характеризующее центр распределения.

Для дискретной случайной величины математическое ожидание вычисляется как сумма произведений значений случайной величины на соответствующие вероятности, т.е.

Если число значений случайной величины конечно.

Если число значений случайной величины бесконечно, то М(х) существует, если сходится данный ряд.

Для непрерывной случайной величины математическое ожидание вычисляется через определенный интеграл от случайной величины х , умноженной на элемент вероятности dP = f(x)dx , т.е.

если значения случайной величины сосредоточены в [а; b].

если значения случайной величины занимают всю числовую ось. В этом случае M(x) существует, если сходится несобственный интеграл.

Математическое ожидание называют также средним значением случайной величины. Оно имеет те же самые единицы измерения, что и случайная величина.

Определение 2. Дисперсия - это число, характеризующее отклонение случайной величины от центра распределения в квадратных единицах измерения случайной величины.

Дисперсия для любой случайной величины определяется как математическое ожидание квадрата отклонения случайной величины от математического ожидания, т.е.

D(x) = М (х – М (х)) 2

Эта формула имеет вид:

Т.к. если случайная величина дискретная.

Если случайная величина непрерывная, то

Дисперсию можно также вычислить как разность математического ожидания квадрата случайной величины и квадрата математического ожидания случайной величины, т.е. по следующей формуле:

D(x) = М (х 2) – М 2 (х),

где , если случайная величина дискретная.

Если непрерывная.

Определение 3. Средним квадратическим отклонением называется число равное арифметическому значению корня квадратного из дисперсии.

Среднее квадратическое отклонение имеет те же самые единицы измерения, что и случайная величина.

Пример №1. Найти М(х), D(x), σ(x) , дискретной случайной величины, если

х i
p i	0.3	0.1	0.3	0.2	0.1

Решение.

Найдем дисперсию:

D(x)=(0-2,7) 2 0,3+(1-2,7) 2 0,1+(3-2,7) 2 0,3+(5-2,7) 2 0,2+(7-2,7) 2 0,1=5,41

или D(x)=M(x 2)-M 2 (x);

D(x) = 12,7-(2,7) 2 = 5,41

Пример №2. Найти M(х), D(x), σ(x) непрерывной случайной величины, если

0; если х<0

f(x)=

; если 0≤x<3

0; если х≥3

Решение. Найдем математическое ожидание:

Найдем дисперсию по формуле:

Найдем дисперсию по формуле: D(x) = М(х 2) - М 2 (х)

D(x)= 4,5-(2) 2 =4,5-4 = 0,5

Найдем среднее квадратическое отклонение:

Замечание. Числовые характеристики M(x) и D(x) имеют следующие свойства:

2 М(к х) = кМ(х)

3 М(х ± у) = М(х) ± М(у)
4. М(х ± с) = М(х) ± с

5 М(ху) = М(х)М(у), если х и у - независимые случайные величины

2. D(kx) = k 2 D(x)

3. D(x ± у) = D(x) ± D(y),если х и у - независимые случайные величины.

Математическое ожидание – это среднее значение случайной величины.

Математическим ожиданием дискретной случайной величины называют сумму произведений всех ее возможных значений на их вероятности:

Пример.

X -4 6 10
р 0,2 0,3 0,5

Решение: Математическое ожидание равно сумме произведений всех возможных значений X на их вероятности:

М (X) = 4*0,2 + 6*0,3 +10*0,5 = 6.

Для вычисления математического ожидания удобно расчеты проводить в Excel (в особенности когда данных много), предлагаем воспользоваться готовым шаблоном ().

Пример для самостоятельного решения (можете применить калькулятор).
Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X, заданной законом распределения:

X 0,21 0,54 0,61
р 0,1 0,5 0,4

Математическое ожидание обладает следующими свойствами.

Свойство 1. Математическое ожидание постоянной величины равно самой постоянной: М(С)=С.

Свойство 2. Постоянный множитель можно выносить за знак математического ожидания: М(СХ)=СМ(Х).

Свойство 3. Математическое ожидание произведения взаимно независимых случайных величин равно произведению математических ожиданий сомножителей: М (Х1Х2 ...Хп)=М (X1) М {Х2)*. ..*М (Xn)

Свойство 4. Математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме математических ожиданий слагаемых: М(Хг + Х2+...+Хn) = М{Хг)+М(Х2)+…+М(Хn).

Задача 189. Найти математическое ожидание случайной вели­ чины Z, если известны математические ожидания X н Y: Z = X+2Y, M(X) = 5, M(Y) = 3;

Решение: Используя свойства математического ожидания (математическое ожидание суммы равно сумме математических ожи­даний слагаемых; постоянный множитель можно вынести за знак математического ожидания), получим M(Z)=M(X + 2Y)=M(X) + M(2Y)=M(X) + 2M(Y)= 5 + 2*3 = 11.

190. Используя свойства мaтематического ожидания, доказать, что: а) М(Х - Y) = M(X)-М (Y); б) математическое ожидание отклонения X-M(Х) равно нулю.

191. Дискретная случайная величина X принимает три возможных значения: x1= 4 С вероятностью р1 = 0,5; xЗ = 6 С вероятностью P2 = 0,3 и x3 с вероятностью р3. Найти: x3 и р3, зная, что М(Х)=8.

192. Дан перечень возможных значений дискретной случайной величины X: x1 = -1, х2 = 0, x3= 1 также известны математические ожидания этой величины и ее квадрата: M(Х) = 0,1, М(Х^2)=0,9. Найти вероятности p1, p2,p3 соответствующие возможным значениям xi

194. В партии из 10 деталей содержится три нестандартных. Наудачу отобраны две детали. Найти математическое ожидание дискретной случайной величины X - числа нестандартных деталей среди двух отобранных.

196. Найти математическое ожидание дискретной слу­чайной величины X-числа таких бросаний пяти игральных костей, в каждом из которых на двух костях по­ явится по одному очку, если общее число бросаний равно двадцати.

Математическое ожидание биномиального распределения равно произведению числа испытаний на вероятность появления события в одном испытании:

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Математическое ожидание и дисперсия - bezbotvy

✪ Теория вероятностей 15: Математическое ожидание

✪ Математическое ожидание

✪ Математическое ожидание и дисперсия. Теория

✪ Математическое ожидание в трейдинге

Субтитры

Определение

Пусть задано вероятностное пространство (Ω , A , P) {\displaystyle (\Omega ,{\mathfrak {A}},\mathbb {P})} и определённая на нём случайная величина X {\displaystyle X} . То есть, по определению, X: Ω → R {\displaystyle X\colon \Omega \to \mathbb {R} } - измеримая функция . Если существует интеграл Лебега от X {\displaystyle X} по пространству Ω {\displaystyle \Omega } , то он называется математическим ожиданием, или средним (ожидаемым) значением и обозначается M [ X ] {\displaystyle M[X]} или E [ X ] {\displaystyle \mathbb {E} [X]} .

M [ X ] = ∫ Ω X (ω) P (d ω) . {\displaystyle M[X]=\int \limits _{\Omega }\!X(\omega)\,\mathbb {P} (d\omega).}

Основные формулы для математического ожидания

M [ X ] = ∫ − ∞ ∞ x d F X (x) ; x ∈ R {\displaystyle M[X]=\int \limits _{-\infty }^{\infty }\!x\,dF_{X}(x);x\in \mathbb {R} } .

Математическое ожидание дискретного распределения

P (X = x i) = p i , ∑ i = 1 ∞ p i = 1 {\displaystyle \mathbb {P} (X=x_{i})=p_{i},\;\sum \limits _{i=1}^{\infty }p_{i}=1} ,

то прямо из определения интеграла Лебега следует, что

M [ X ] = ∑ i = 1 ∞ x i p i {\displaystyle M[X]=\sum \limits _{i=1}^{\infty }x_{i}\,p_{i}} .

Математическое ожидание целочисленной величины

P (X = j) = p j , j = 0 , 1 , . . . ; ∑ j = 0 ∞ p j = 1 {\displaystyle \mathbb {P} (X=j)=p_{j},\;j=0,1,...;\quad \sum \limits _{j=0}^{\infty }p_{j}=1}

то её математическое ожидание может быть выражено через производящую функцию последовательности { p i } {\displaystyle \{p_{i}\}}

P (s) = ∑ k = 0 ∞ p k s k {\displaystyle P(s)=\sum _{k=0}^{\infty }\;p_{k}s^{k}}

как значение первой производной в единице: M [ X ] = P ′ (1) {\displaystyle M[X]=P"(1)} . Если математическое ожидание X {\displaystyle X} бесконечно, то lim s → 1 P ′ (s) = ∞ {\displaystyle \lim _{s\to 1}P"(s)=\infty } и мы будем писать P ′ (1) = M [ X ] = ∞ {\displaystyle P"(1)=M[X]=\infty }

Теперь возьмём производящую функцию Q (s) {\displaystyle Q(s)} последовательности «хвостов» распределения { q k } {\displaystyle \{q_{k}\}}

q k = P (X > k) = ∑ j = k + 1 ∞ p j ; Q (s) = ∑ k = 0 ∞ q k s k . {\displaystyle q_{k}=\mathbb {P} (X>k)=\sum _{j=k+1}^{\infty }{p_{j}};\quad Q(s)=\sum _{k=0}^{\infty }\;q_{k}s^{k}.}

Эта производящая функция связана с определённой ранее функцией P (s) {\displaystyle P(s)} свойством: Q (s) = 1 − P (s) 1 − s {\displaystyle Q(s)={\frac {1-P(s)}{1-s}}} при | s | < 1 {\displaystyle |s|<1} . Из этого по теореме о среднем следует, что математическое ожидание равно просто значению этой функции в единице:

M [ X ] = P ′ (1) = Q (1) {\displaystyle M[X]=P"(1)=Q(1)}

Математическое ожидание абсолютно непрерывного распределения

M [ X ] = ∫ − ∞ ∞ x f X (x) d x {\displaystyle M[X]=\int \limits _{-\infty }^{\infty }\!xf_{X}(x)\,dx} .

Математическое ожидание случайного вектора

Пусть X = (X 1 , … , X n) ⊤ : Ω → R n {\displaystyle X=(X_{1},\dots ,X_{n})^{\top }\colon \Omega \to \mathbb {R} ^{n}} - случайный вектор. Тогда по определению

M [ X ] = (M [ X 1 ] , … , M [ X n ]) ⊤ {\displaystyle M[X]=(M,\dots ,M)^{\top }} ,

то есть математическое ожидание вектора определяется покомпонентно.

Математическое ожидание преобразования случайной величины

Пусть g: R → R {\displaystyle g\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} } - борелевская функция , такая что случайная величина Y = g (X) {\displaystyle Y=g(X)} имеет конечное математическое ожидание. Тогда для него справедлива формула:

M [ g (X) ] = ∑ i = 1 ∞ g (x i) p i {\displaystyle M\left=\sum \limits _{i=1}^{\infty }g(x_{i})p_{i}} ,

если X {\displaystyle X} имеет дискретное распределение;

M [ g (X) ] = ∫ − ∞ ∞ g (x) f X (x) d x {\displaystyle M\left=\int \limits _{-\infty }^{\infty }\!g(x)f_{X}(x)\,dx} ,

если X {\displaystyle X} имеет абсолютно непрерывное распределение.

Если распределение P X {\displaystyle \mathbb {P} ^{X}} случайной величины X {\displaystyle X} общего вида, то

M [ g (X) ] = ∫ − ∞ ∞ g (x) P X (d x) {\displaystyle M\left=\int \limits _{-\infty }^{\infty }\!g(x)\,\mathbb {P} ^{X}(dx)} .

В специальном случае, когда g (X) = X k {\displaystyle g(X)=X^{k}} , Математическое ожидание M [ g (X) ] = M [ X k ] {\displaystyle M\left=M} называется k {\displaystyle k} -тым моментом случайной величины.

Простейшие свойства математического ожидания

• Математическое ожидание числа есть само число.

M [ a ] = a {\displaystyle M[a]=a} a ∈ R {\displaystyle a\in \mathbb {R} } - константа;

• Математическое ожидание линейно, то есть

M [ a X + b Y ] = a M [ X ] + b M [ Y ] {\displaystyle M=aM[X]+bM[Y]} , где X , Y {\displaystyle X,Y} - случайные величины с конечным математическим ожиданием, а a , b ∈ R {\displaystyle a,b\in \mathbb {R} } - произвольные константы; 0 ⩽ M [ X ] ⩽ M [ Y ] {\displaystyle 0\leqslant M[X]\leqslant M[Y]} ; M [ X ] = M [ Y ] {\displaystyle M[X]=M[Y]} . M [ X Y ] = M [ X ] M [ Y ] {\displaystyle M=M[X]M[Y]} .