Классическое и статистическое определение вероятности. Геометрическая вероятность.
Основным понятием теории вероятностей является понятие случайного события. Случайным событием называется событие, которое при осуществлении некоторых условий может произойти или не произойти. Например, попадание в некоторый объект или промах при стрельбе по этому объекту из данного орудия является случайным событием.
Событие называется достоверным, если в результате испытания оно обязательно происходит. Невозможным называется событие, которое в результате испытания произойти не может.
Случайные события называются несовместными в данном испытании, если никакие два из них не могут появиться вместе.
Случайные события образуют полную группу, если при каждом испытании может появиться любое из них и не может появиться какое-либо иное событие, несовместное с ними.
Рассмотрим полную группу равновозможных несовместных случайных событий. Такие события будем называть исходами. Исход называется благоприятствующим появлению события А, если появление этого события влечет за собой появление события А.
Вероятностью события A называют отношение числа m благоприятствующих этому событию исходов к общему числу n всех равновозможных несовместных элементарных исходов, образующих полную группу
Геометрическая вероятность - один из способов задания вероятности; пусть Ω - ограниченное множество евклидова пространства, имеющее объем λ(Ω) (соответственно длину или площадь в одномерной или двумерной ситуации), пусть ω - точка, взятая случайным образом из Ω, пусть вероятность, что точка будет взята из подмножества пропорциональна его объёму λ(x), тогда геометрическая вероятность подмножества определяется как отношение объёмов: Геометрическое определение вероятности часто используется в методах Монте-Карло, например, для приближённого вычисления значений многократных определённых интегралов.
Теоремы сложения и умножения вероятностей
Теоремы сложения и умножения вероятностей
Суммой двух событий А и В называется событие С, состоящее в появлении хотя бы одного из событий А или В.
Теорема сложения вероятностей
Вероятность суммы двух несовместимых событий равна сумме вероятностей этих событий:
Р (А + В) = Р (А) + Р (В).
В случае, когда события А и В совместны, вер-ть их суммы выражается формулой
Р (А +В) = Р (А) + Р (В) – Р (АВ),
где АВ – произведение событий А и В.
Два события называются зависимыми, если вероятность одного из них зависит от наступления или не наступления другого. в случае зависимых событий вводится понятие условной вероятности события.
Условной вероятностью Р(А/В) события А называется вероятность события А, вычисленная при условии, что событие В произошло. Аналогично через Р(В/А) обозначается условная вероятность события В при условии, что событие А наступило.
Произведением двух событий А и В называется событие С, состоящее в совместном появлении события А и события В.
Теорема умножения вероятностей
Вероятность произведения двух событий равна вер-ти одного из них, умноженной на условную вероятность другого при наличии первого:
Р (АВ) = Р(А) · Р(В/А), или Р (АВ) = Р(В) · Р(А/В).
Следствие. Вероятность совместного наступления двух независимых событий А и В равна произведению вероятностей этих событий:
Р (АВ) = Р(А) · Р(В).
Следствие. При производимых n одинаковых независимых испытаниях, в каждом из которых события А появляется с вероятностью р, вероятность появления события А хотя бы один раз равна 1 - (1 - р)n
Вероятность появления хотя бы одного события. Пример. Формула Бейеса.
Вероятность сделать хотя бы одну ошибку на странице тетради составляет р=0,1. В тетради 7 написанных страниц. Какова вероятность Р, что в тетради есть хотя бы одна ошибка?
Вероятность наступления события А, состоящего из событий А1, А2,…, Аn, независимых в совокупности, равна разности между единицей и произведением вероятностей противоположных событий Ǡ1, Ǡ2, ... Ǡn.
P(A) = 1 - q1q2…qn
Вероятность противоположного события q = 1 - p.
В частности, если все события имеют одинаковую вероятность равную р, то вероятность появления хотя бы одного из этих событий равна:
Р(А) = 1 – qn = 1 – (1 – p)n = 1 – (1 – 0,1)7 = 0,522
Ответ: 0,522
Формула Бейеса.
Предположим, что производится некоторый опыт, причем об условиях его проведения можно высказать n единственно возможных и несовместных гипотез , имеющих вероятности Пусть в результате опыта может произойти или не произойти событие А, причем известно, что если опыт происходит при выполнении гипотезы то Спрашивается, как изменятся вероятности гипотез, если стало известным, что событие А произошло? Иными словами, нас интересуют значения вероятностей На основании соотношений (4) и (5) имеем откуда 
Но по формуле полной вероятности Поэтому 
Формула (12) называется формулой Бейеса*.
6.Формула Бернулли. Примеры.
Формула Бернулли - формула в теории вероятностей, позволяющая находить вероятность появления события A при независимых испытаниях. Формула Бернулли позволяет избавиться от большого числа вычислений - сложения и умножения вероятностей - при достаточно большом количестве испытаний. Названа в честь выдающегося швейцарского математика Якоба Бернулли, выведшего формулу.
Формулировка
Теорема: Если Вероятность p наступления события Α в каждом испытании постоянна, то вероятность того, что событие A наступит k раз в n независимых испытаниях, равна: где. .
Доказательство
Так как в результате независимых испытаний, проведенных в одинаковых условиях, событие наступает с вероятностью , следовательно противоположное ему событие с вероятностью 
Обозначим наступление события в испытании с номером Так как условия проведения опытов одинаковые, то эти вероятности равны. Пусть в результате опытов событие наступает раз, тогда остальные раз это событие не наступает. Событие может появиться раз в испытаниях в различных комбинациях, число которых равно количеству сочетаний из элементов по Это количество сочетаний находится по формуле: 
При этом вероятность каждой комбинации равна произведению вероятностей: 
Применяя теорему сложения вероятностей несовместных событий, получим окончательную Формулу Бернулли:
Локальная и интегральная теоремы Лапласа. Примеры.
Локальная и интегральная теоремы Лапласа
Локальная теорема Лапласа. Вероятность того, что в n независимых испытаниях, в каждом из которых вероятность появления события равна р(0 < р < 1), событие наступит ровно k раз (безразлично, в какой последовательности), приближенно равна (тем точнее, чем больше n) 
Для определения значений φ(x) можно воспользоваться специальной таблицей.
Интегральная теорема Лапласа. Вероятность того, что в n независимых испытаниях, в каждом из которых вероятность появления события равна р (0 < р < 1), событие наступит не менее k1 раз и не более k2 раз, приближенно равна
P(k1;k2)=Φ(x"") - Φ(x")
Здесь 
-функция Лапласа Значения функции Лапласа находят по специальной таблице.
Пример. Найти вероятность того, что событие А насту пит ровно 70 раз в 243 испытаниях, если вероятность появления этого события в каждом испытании равна 0,25.
Решение. По условию, n=243; k = 70; р =0,25; q= 0,75. Так как n=243 - достаточно большое число, воспользуемся локальной теоремой Лапласа: 
где х = (k-np)/ √npq.
Найдем значение х По таблице п найдем ф(1,37) =0,1561. Искомая вероятность
P(243)(70) = 1/6,75*0,1561 =0,0231.
Числовые характеристики дискретных величин. Примеры
Числовые характеристики дискретных случайных величин
Закон распределения полностью характеризует случайную величину. Однако, когда невозможно найти закон распределения, или этого не требуется, можно ограничиться нахождением значений, называемых числовыми характеристиками случайной величины. Эти величины определяют некоторое среднее значение, вокруг которого группируются значения случайной величины, и степень их разбросанности вокруг этого среднего значения.
Определение. Математическим ожиданием дискретной случайной величины называется сумма произведений всех возможных значений случайной величины на их вероятности.
Математическое ожидание существует, если ряд, стоящий в правой части равенства, сходится абсолютно.
С точки зрения вероятности можно сказать, что математическое ожидание приближенно равно среднему арифметическому наблюдаемых значений случайной величины.
Теоретические моменты. Примеры.
Идея этого метода заключается в приравнивании теоретических и эмпирических моментов. Поэтому мы начнем с обсуждения этих понятий.
Пусть 
-- независимая выборка из распределения зависящего от неизвестного параметра 
Теоретическим моментом -го порядка называется функция 
где -- случайная величина с функцией распределения . Особо отметим, что теоретический момент есть функция от неизвестных параметров, коль скоро распределение зависит от этих параметров. Будем считать, что математические ожидания существуют, по крайней мере, для Эмпирическим моментом -го порядка называется 
Отметим, что по своему определению эмпирические моменты являются функциями от выборки. Заметим, что 
-- это хорошо нам известное выборочное среднее.
Для того, чтобы найти оценки неизвестных параметров по методу моментов следует:
явно вычислить теоретические моменты , и составить следующую систему уравнений для неизвестных переменных
В этой системе рассматриваются как фиксированные параметры.
решить систему (35) относительно переменных Так как правая часть системы зависит от выборки, то в результате окажутся функциями от 
Это и есть искомые оценки параметров по методу моментов.
12.Неравенство Чебышева. Закон больших чисел.
Нера́венство Чебышева, известное также как неравенство Биенэме - Чебышева, это распространённое неравенство из теории меры и теории вероятностей. Оно было первый раз получено Биенэме (фран.) в 1853 году, и позже также Чебышевым. Неравенство, использующееся в теории меры, является более общим, в теории вероятностей используется его следствие.
Неравенство Чебышева в теории меры
Неравенство Чебышева в теории меры описывает взаимосвязь интеграла Лебега и меры. Аналог этого неравенства в теории вероятностей - неравенство Маркова. Неравенство Чебышева также используется для доказательства вложения пространства в слабое пространство
Формулировки
Пусть - пространство с мерой. Пусть также
Суммируемая на функция
Тогда справедливо неравенство:
В более общем виде:
Если - неотрицательная вещественная измеримая функция, неубывающая на области определения то В терминах пространства Пусть Тогда
Неравенство Чебышева в теории вероятностей
Неравенство Чебышева в теории вероятностей утверждает, что случайная величина в основном принимает значения, близкие к своему среднему. Говоря более точно, оно даёт оценку вероятности, что случайная величина примет значение, далёкое от своего среднего. Неравенство Чебышева является следствием неравенства Маркова.
Формулировки
Пусть случайная величина определена на вероятностном пространстве , а её математическое ожидание и дисперсия конечны. Тогда 
где Если , где - стандартное отклонение и , то получаем 
В частности, случайная величина с конечной дисперсией отклоняется от среднего больше, чем на стандартных отклонения, с вероятностью меньше Она отклоняется от среднего на стандартных отклонения с вероятностью меньше .
Закон больших чисел
Основными понятиями теории вероятностей являются понятия случайного события и случайной величины. При этом предсказать заранее результат испытания, в котором может появиться или не появиться то или иное событие или какое-либо определенное значение случайной величины, невозможно, так как исход испытания зависит от многих случайных причин, не поддающихся учету.
Однако при неоднократном повторении испытаний наблюдаются закономерности, свойственные массовым случайным явлениям. Эти закономерности обладают свойством устойчивости. Суть этого свойства состоит в том, что конкретные особенности каждого отдельного случайного явления почти не сказываются на среднем результате большой массы подобных явлений, а характеристики случайных событий и случайных величин, наблюдаемых в испытаниях, при неограниченном увеличении числа испытаний становятся практически не случайными.
Пусть производится большая серия однотипных опытов. Исход каждого отдельного опыта является случайным, неопределенным. Однако, несмотря на это, средний результат всей серии опытов утрачивает случайный характер, становится закономерным.
Для практики очень важно знание условий, при выполнении которых совокупное действие очень многих случайных причин приводит к результату, почти не зависящему от случая, так как позволяет предвидеть ход явлений. Эти условия и указываются в теоремах, носящих общее название закона больших чисел.
Под законом больших чисел не следует понимать какой-то один общий закон, связанный с большими числами. Закон больших чисел - это обобщенное название нескольких теорем, из которых следует, что при неограниченном увеличении числа испытаний средние величины стремятся к некоторым постоянным.
К ним относятся теоремы Чебышева и Бернулли. Теорема Чебышева является наиболее общим законом больших чисел, теорема Бернулли - простейшим.
В основе доказательства теорем, объединенных термином "закон больших чисел", лежит неравенство Чебышева, по которому устанавливается вероятность отклонения от ее математического ожидания: 
Математическая формулировка
Нужно определить максимум линейной целевой функции (линейной формы) при условиях
Иногда на также накладывается некоторый набор ограничений в виде равенств, но от них можно избавиться, последовательно выражая одну переменную через другие и подставляя её во всех остальных равенствах и неравенствах (а также в функции ). Такую задачу называют «основной» или «стандартной» в линейном программировании.
Геометрический способ решения задач линейного программирования для двух переменных. Пример.
Областью решения линейного неравенства с двумя переменными 
является полуплоскость. Для того, чтобы определить, какая из двух полуплоскостей соответствует этому неравенству, нужно привести его к виду или Тогда искомая полуплоскость в первом случае расположена выше прямой a0 + a1x1 + a2x2 = 0, а во втором - ниже нее. Если a2=0, то неравенство (8) имеет вид 
; в этом случае получим либо - правую полуплоскость, либо - левую полуплоскость.
Областью решений системы неравенств является пересечение конечного числа полуплоскостей, описываемых каждым отдельным неравенством. Это пересечение представляет собой многоугольную область G. Она может быть как ограниченной, так и неограниченной и даже пустой (если система неравенств противоречива). 
Рис. 2
Область решений G обладает важным свойством выпуклости. Область называется выпуклой, если произвольные две ее точки можно соединить отрезком, целиком принадлежащим данной области. На рис. 2 показаны выпуклая область G1 и невыпуклая область G2. В области G1 две ее произвольные точки А1 и В1 можно соединить отрезком, все точки которого принадлежат области G1. В области G2 можно выбрать такие две ее точки А2 и В2, что не все точки отрезка А2В2 принадлежат области G2.
Опорной прямой называется прямая, которая имеет с областью по крайней мере одну общую точку, при этом вся область расположена по одну сторону от этой прямой. На рис. 2 показаны две опорные прямые l1 и l2, т. е. в данном случае прямые проходят соответственно через вершину многоугольника и через одну из его сторон.
Аналогично можно дать геометрическую интерпретацию системы неравенств с тремя переменными. В этом случае каждое неравенство описывает полупространство, а вся система - пересечение полупространств, т. е. многогранник, который также обладает свойством выпуклости. Здесь опорная плоскость проходит через вершину, ребро или грань многогранной области.
Основываясь на введенных понятиях, рассмотрим геометрический метод решения задачи линейного программирования. Пусть заданы линейная целевая функция f = c0 + c1x1 + c2x2 двух независимых переменных, а также некоторая совместная система линейных неравенств, описывающих область решений G. Требуется среди допустимых решений найти такое, при котором линейная целевая функция f принимает наименьшее значение.
Положим функцию f равной некоторому постоянному значению С: f = c0 + c1x1 + c2x2 = C. Это значение достигается в точках прямой, удовлетворяющих уравнению При параллельном переносе этой прямой в положительном направлении вектора нормали n(c1,c2) линейная функция f будет возрастать, а при ее переносе в противоположном направлении - убывать.
Предположим, что прямая, записанная в виде (9) , при параллельном переносе в положительном направлении вектора n первый раз встретится с областью допустимых решений G в некоторой ее вершине, при этом значение целевой функции равно С1, и прямая становится опорной. Тогда значение С1 будет минимальным, поскольку дальнейшее движение прямой в том же направлении приведет к увеличению значения f.
Таким образом, оптимизация линейной целевой функции на многоугольнике допустимых решений происходит в точках пересечения этого многоугольника с опорными прямыми, соответствующими данной целевой функции. При этом пересечение может быть в одной точке (в вершине многоугольника) либо в бесконечном множестве точек (на ребре многоугольника).
Алгоритм симплекс-метода для решения общей задачи линейного программирования. Таблица.
Алгоритмы решения
Наиболее известным и широко применяемым на практике для решения общей задачи линейного программирования (ЛП) является симплекс-метод. Несмотря на то, что симплекс-метод является достаточно эффективным алгоритмом, показавшим хорошие результаты при решении прикладных задач ЛП, он является алгоритмом с экспоненциальной сложностью. Причина этого состоит в комбинаторном характере симплекс-метода, последовательно перебирающего вершины многогранника допустимых решений при поиске оптимального решения.
Первый полиномиальный алгоритм, метод эллипсоидов, был предложен в 1979 году советским математиком Л. Хачияном, разрешив таким образом проблему, долгое время остававшуюся нерешённой. Метод эллипсоидов имеет совершенно другую, некомбинаторную, природу, нежели симплекс-метод. Однако в вычислительном плане этот метод оказался неперспективным. Тем не менее, сам факт полиномиальной сложности задач привёл к созданию целого класса эффективных алгоритмов ЛП - методов внутренней точки, первым из которых был алгоритм Н. Кармаркара, предложенный в 1984 году. Алгоритмы этого типа используют непрерывную трактовку задачи ЛП, когда вместо перебора вершин многогранника решений задачи ЛП осуществляется поиск вдоль траекторий в пространстве переменных задачи, не проходящих через вершины многогранника. Метод внутренних точек, который, в отличие от симплекс-метода, обходит точки из внутренней части области допустимых значений, использует методы логарифмических барьерных функций нелинейного программирования, разработанные в 1960-х годах Фиако (Fiacco) и МакКормиком (McCormick).
24.Особые случаи в симплекс-методе: вырожденное решение, бесконечное множество решений, отсутствие решения. Примеры .
Использование метода искусственного базиса для решения общей задачи линейного программирования. Пример.
Метод искусственного базиса.
Метод искусственного базиса используется для нахождения допустимого базисного решения задачи линейного программирования, когда в условии присутствуют ограничения типа равенств. Рассмотрим задачу:
max{F(x)=∑cixi|∑ajixi=bj, j=1,m; xi≥0}.
В ограничения и в функцию цели вводят так называемые «искусственные переменные» Rj следующим образом:
∑ajix+Rj=bj, j=1,m;F(x)=∑cixi-M∑Rj
При введении искусственных переменных в методе искусственного базиса в функцию цели им приписывается достаточно большой коэффициент M, который имеет смысл штрафа за введение искусственных переменных. В случае минимизации искусственные переменные прибавляются к функции цели с коэффициентом M. Введение искусственных переменных допустимо в том случае, если в процессе решения задачи они последовательно обращаются в нуль.
Симплекс-таблица, которая составляется в процессе решения, используя метод искусственного базиса, называется расширенной. Она отличается от обычной тем, что содержит две строки для функции цели: одна – для составляющей F = ∑cixi, а другая – для составляющей M ∑Rj Рассмотрим процедуру решения задачи на конкретном примере.
Пример 1. Найти максимум функции F(x) = -x1 + 2x2 - x3 при ограничениях:
x1≥0, x2≥0, x3≥0 .
Применим метод искусственного базиса. Введем искусственные переменные в ограничения задачи
2x1 + 3x2 + x3 + R1 = 3;
x1 + 3x3 + R2 = 2 ;
Функция цели F(x)-M ∑Rj= -x1 + 2x2 - x3 - M(R1+R2).
Выразим сумму R1 + R2 из системы ограничений: R1 + R2 = 5 - 3x1 - 3x2 - 4x3, тогда F(x) = -x1 + 2x2 - x3 - M(5 - 3x1 - 3x2 - 4x3) .
При составлении первой симплекс-таблицы (табл. 1) будем полагать, что исходные переменные x1, x2 , x3 являются небазисными, а введенные искусственные переменные – базисными. В задачах максимизации знак коэффициентов при небазисных переменных в F- и M-строках изменяется на противоположный. Знак постоянной величины в M-строке не изменяется. Оптимизация проводится сначала по M-строке. Выбор ведущих столбца и строки, все симплексные преобразования при испльзовании метода искусственного базиса осуществляются как в обычном симплекс-методе. 
Максимальный по абсолютному значению отрицательный коэффициент (-4) определяет ведущий столбец и переменную x3, которая перейдет в базис. Минимальное симплексное отношение (2/3) соответствует второй строке таблицы, следовательно, переменная R2 должна быть из базиса исключена. Ведущий элемент обведен контуром. 
В методе искусственного базиса искусственные переменные, исключенные из базиса, в него больше не возвращаются, поэтому столбцы элементов таких переменных опускаются. Табл. 2. сократилась на 1 столбец. Осуществляя пересчет этой таблицы, переходим к табл. 3., в которой строка M обнулилась, ее можно убрать. После исключения из базиса всех искусственных переменных получаем допустимое базисное решение исходной задачи, которое в рассматриваемом примере является оптимальным:
x1=0; x2=7/9; Fmax=8/9.
Если при устранении M-строки решение не является оптимальным, то процедура оптимизации продолжается и выполняется обычным симплекс-методом. Рассмотрим пример, в котором присутствуют ограничения всех типов:≤,=,≥
Двойственные симметричные задачи линейного программирования. Пример.
Определение двойственной задачи
Каждой задаче линейного программирования можно определенным образом сопоставить некоторую другую задачу (линейного программирования), называемую двойственной или сопряженной по отношению к исходной или прямой задаче. Дадим определение двойственной задачи по отношению к общей задаче линейного программирования, состоящей, как мы уже знаем, в нахождении максимального значения функции при условиях
называется двойственной по отношению к задаче (32) – (34). Задачи (32) – (34) и (35) – (37) образуют пару задач, называемую в линейном программировании двойственной парой. Сравнивая две сформулированные задачи, видим, что двойственная задача составляется согласно следующим правилам:
1. Целевая функция исходной задачи (32) – (34) задается на максимум, а целевая функция двойственной (35) – (37) – на минимум.
2. Матрица 
составленная из коэффициентов при неизвестных в системе ограничений (33) исходной задачи (32) – (34), и аналогичная матрица 
в двойственной задаче (35) – (37) получаются друг из друга транспонированием (т. е. заменой строк столбцами, а столбцов – строками).
3. Число переменных в двойственной задаче (35) – (37) равно числу ограничений в системе (33) исходной задачи (32) – (34), а число ограничений в системе (36) двойственной задачи – числу переменных в исходной задаче.
4. Коэффициентами при неизвестных в целевой функции (35) двойственной задачи (35) – (37) являются свободные члены в системе (33) исходной задачи (32) – (34), а правыми частями в соотношениях системы (36) двойственной задачи – коэффициенты при неизвестных в целевой функции (32) исходной задачи.
5. Если переменная xj исходной задачи (32) – (34) может принимать только лишь положительные значения, то j–е условие в системе (36) двойственной задачи (35) – (37) является неравенством вида “? ”. Если же переменная xj может принимать как положительные, так и отрицательные значения, то 1 – соотношение в системе (54) представляет собой уравнение. Аналогичные связи имеют место между ограничениями (33) исходной задачи (32) – (34) и переменными двойственной задачи (35) – (37). Если i – соотношение в системе (33) исходной задачи является неравенством, то i–я переменная двойственной задачи . В противном случае переменная уj может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Двойственные пары задач обычно подразделяют на симметричные и несимметричные. В симметричной паре двойственных задач ограничения (33) прямой задачи и соотношения (36) двойственной задачи являются неравенствами вида “ ”. Таким образом, переменные обеих задач могут принимать только лишь неотрицательные значения.
Связь между переменными прямой и двойственной задачи. Пример.
30.Экономическая интерпретация двойственных задач. Значение нулевых оценок в решении экономической задачи. Примеры .
Исходная задача I имела конкретный экономический смысл: основные переменные хi обозначали количество произведенной продукции i-го вида, дополнительные переменные обозначали количество излишков соответствующего вида ресурсов, каждое из неравенств выражало собой расход определенного вида сырья в сравнении с запасом этого сырья. Целевая функция определяла прибыль при реализации всей продукции. Предположим теперь, что предприятие имеет возможность реализовывать сырье на сторону. Какую минимальную цену надо установить за единицу каждого вида сырья при условии, чтобы доход от реализации всех его запасов был не меньше дохода от реализации продукции, которая может быть выпущена из этого сырья.
Переменные у1, у2, у3 будут обозначать условную предполагаемую цену за ресурс 1, 2, 3 вида соответственно. Тогда доход от продажи видов сырья, расходуемых на производство одной единицы продукции I, равен: 5у1 + 1· у3. Т. к. цена продукции I типа равна 3 ед., то 5у1 + у3 3, в силу того, что интересы предприятия требуют, чтобы доход от продажи сырья был не меньше, чем от реализации продукции. Именно в силу такого экономического толкования система ограничений двойственной задачи принимает вид: 
А целевая функция G = 400y1 + 300y2 + 100y3 подсчитывает условную суммарную стоимость всего имеющегося сырья. Понятно, что в силу I теоремы двойственности F(x*) = G(y*) равенство означает, что максимальная прибыль от продажи всей готовой продукции совпадает с минимальной условной ценой ресурсов. Условные оптимальные цены уi показывают наименьшую стоимость ресурсов, при которой выгодно обращать эти ресурсы в продукцию, производить.
Еще раз обратим внимание на то, что уi - это лишь условные, предполагаемые, а не реальные цены на сырье. Иначе читателю может показаться странным, что например, у1* = 0. Этот факт вовсе не означает, что реальная цена первого ресурса нулевая, ничего бесплатного в этом мире нет. Равенство нулю условной цены означает лишь, что этот ресурс не израсходован полностью, имеется в излишке, недефицитен. Действительно, посмотрим на первое неравенство в системе ограничений задачи I, в котором подсчитывается расход первого ресурса: 5х1* + 0,4х2* + 2х3* + 0,5х4* = 66 < 400. его избыток составляет х5 = 334 ед. при данном оптимальном плане производства. Этот ресурс имеется в избытке, и поэтому для производителя он недефицитен, его условная цена равна 0, его не надо закупать. Наоборот, ресурс 2 и 3 используются полностью, причем у3 = 4 а у2 = 1, т. е. сырье третьего вида более дефицитно, чем второго, его условная цена больше. Если производитель продукции имел бы возможность приобретать дополнительно сырье к уже имеющемуся, с целью получения максимального дохода от производства, то увеличив сырье второго вида на единицу, он бы получил дополнительно доход в у2 денежных единиц, с увеличением на единицу сырья третьего вида, значение целевой функции увеличилось бы еще на у3 единицы.
Если перед производителем стоит вопрос, "выгодно ли производить какую-либо продукцию при условии, что затраты на единицу продукции составят 3, 1, 4 единиц 1, 2, 3-го видов сырья соответственно, а прибыль от реализации равна 23 единицам", то в силу экономического истолкования задачи ответить на этот вопрос несложно, поскольку затраты и условные цены ресурсов известны. Затраты равны 3, 1, 4, а цены у1* = 0, у2* = 1, у3* = 4. Значит, можно посчитать суммарную условную стоимость ресурсов, необходимых для производства этой новой продукции: 3 · 0 + 1 · 1 + 4 · 4 = 17 < 23. значит продукцию производить выгодно, т. к. прибыль от реализации превышает затраты на ресурсы, в противном случае ответ бы на этот вопрос был отрицательным.
31.Использование оптимального плана и симплекс-таблицы для определения интервалов чувствительности исходных данных.
32.Использование оптимального плана и симплекс-таблицы для анализа чувствительности целевой функции. Пример.
Транспортная задача и ее свойства. Пример.
Теория вероятностей – математическая наука, изучающая закономерности случайных явлений. Под случайными явлениями пони-маются явления с неопределенным исходом, происходящие при неоднократном воспроизведении определенного комплекса условий.
Например, при бросании монеты нельзя предсказать, какой стороной она упадет. Результат бросания монеты случаен. Но при дос-таточно большом числе бросаний монеты существует определенная закономерность (герб и решетка выпадут примерно одинаковое число раз).
Основные понятия теории вероятностей
Испытание (опыт, эксперимент) - осуществление некоторого определенного комплекса условий, в которых наблюдается то или иное явление, фиксируется тот или иной результат.
Например: подбрасывание игральной кости с выпадением числа очков; перепад температуры воздуха; метод лечения заболевания; некоторый период жизни человека.
Случайное событие (или просто событие) – исход испытания.
Примеры случайных событий:
выпадение одного очка при подбрасывании игральной кости;
обострение ишемической болезни сердца при резком повышении температуры воздуха летом;
развитие осложнений заболевания при неправильном выборе метода лечения;
поступление в вуз при успешной учебе в школе.
События обозначают прописными буквами латинского алфа-вита: A , B , C , …
Событие называется достоверным , если в результате испытания оно обязательно должно произойти.
Событие называется невозможным , если в результате испы-тания оно вообще не может произойти.
Например,если в партии все изделия стандартные, то извлечение из неё стандартного изделия - событие достоверное, а извлечение при тех же условиях бракованного изделия – событие невозможное.
КЛАССИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ
Вероятность является одним из основных понятий теории вероятностей.
Классической
вероятностью
события
называется отношение числа случаев,
благоприятствующих событию
,
к общему числу случаев, т.е.
, (5.1)
где
- вероятность события
,
-
число случаев, благоприятствующих
событию
,
-
общее число случаев.
Свойства вероятности события
Вероятность любого события заключена между нулем и единицей, т.е.
Вероятность достоверного события равна единице, т.е.
.
Вероятность невозможного события равна нулю, т.е.
.
(Предложить решить несколько простых задач устно).
СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ
На практике часто при оценке вероятностей событий основываются на том, насколько часто будет появляться данное событие в произведенных испытаниях. В этом случае используется статистическое определение вероятности.
Статистической
вероятностью события
называется предел относительной частоты
(отношение числа случаев m
, благоприятствующих появлению события
,
к общему числу
произведенных испытаний), когда число
испытаний стремится к бесконечности,
т.е.
где
- статистическая вероятность события
,
- число испытаний, в которых появилось
событие
,
-
общее число испытаний.
В отличие от классической вероятности, статистическая вероятность является характеристикой опытной. Классическая вероятность служит для теоретического вычисления вероятности события по заданным условиям и не требует, чтобы испытания проводились в действительности. Формула статистической вероятности служит для экспериментального определения вероятности события, т.е. предполагается, что испытания были проведены фактически.
Статистическая вероятность приблизительно равна относительной частоте случайного события, поэтому на практике за статистическую вероятность берут относительную частоту, т.к. статистическую вероятность практически найти нельзя.
Статистическое определение вероятности применимо к случайным событиям, которые обладают следующими свойствами:
Теоремы сложения и умножения вероятностей
Основные понятия
а) Единственно возможные события
События
называют единственно возможными, если
в результате каждого испытания хотя бы
одно из них наверняка наступит.
Эти события образуют полную группу событий.
Например, при подбрасывании игрального кубика, единственно возможными являются события выпадения граней с одним, двумя, тремя, четырьмя, пятью и шестью очками. Они образуют полную группу событий.
б) События называют несовместными , если появление одного из них исключает появление других событий в одном и том же испытании. В противном случае их называют совместными.
в)
Противоположными
называют два единственно возможных
события, образующих полную группу.
Обозначают
и
.
г ) События называют независимыми , если вероятность наступления одного из них не зависит от совершения или несовершения других.
Действия над событиями
Суммой нескольких событий называется событие, состоящее в наступлении хотя бы одного из данных событий.
Если
и
– совместные события, то их сумма
или
обозначает наступление или события A,
или события B,
или обоих событий вместе.
Если
и
– несовместные события, то их сумма
означает наступление или события
,
или события
.
Сумму
событий обозначают:
Произведением (пересечением) нескольких событий называется событие, состоящее в совместном наступлении всех этих событий.
Произведение
двух событий обозначают
или
.
Произведение
событий обозначают
Теорема сложения вероятностей несовместных событий
Вероятность суммы двух или нескольких несовместных событий равна сумме вероятностей этих событий:
Для двух событий;
-
для
событий.
Следствия:
а)
Сумма вероятностей противоположных
событий
и
равна единице:
Вероятность
противоположного события обозначают
:
.
б)
Сумма вероятностей
событий, образующих полную группу
событий, равна единице:
или
.
Теорема сложения вероятностей совместных событий
Вероятность суммы двух совместных событий равна сумме вероятностей этих событий без вероятностей их пересечения, т.е.
Теорема умножения вероятностей
а) Для двух независимых событий:
б) Для двух зависимых событий
где
– условная вероятность события
,
т.е. вероятность события
,
вычисленная при условии, что событие
произошло.
в)
Для
независимых событий:
.
г)
Вероятность наступления хотя бы одного
из событий
,образующих
полную группу независимых событий:
Условная вероятность
Вероятность
события
,
вычисленная при условии, что произошло
событие
,
называется условной вероятностью
события
и обозначается
или
.
При
вычислении условной вероятности по
формуле клас-сической вероятности число
исходов
и
подсчитывается с учетом того, что до
совершения события
произошло событие
.
Случайность наступления событий связана с невозможностью предсказать заранее исход того или иного испытания. Однако, если рассматривать, например, испытание: многократное бросание монеты, ω 1 , ω 2 , … , ω n , то получается, что приблизительно в половине исходов (n / 2) обнаруживается определённая закономерность, которая соответствует понятию вероятности.
Под вероятностью события А понимается некоторая числовая характеристика возможности наступления события А . Обозначим эту числовую характеристику р (А ). Существуют несколько подходов к определению вероятности. Основными из них являются статистический, классический и геометрический.
Пусть произведено n испытаний и при этом некоторое событие А наступило n A раз. Число n A называется абсолютной частотой (или просто частотой) события А , а отношение называется относительной частотой наступления события А. Относительная частота любого события характеризуется следующими свойствами:
Основанием для применения методов теории вероятностей к изучению реальных процессов является объективное существование случайных событий, обладающих свойством устойчивости частот. Многочисленные испытания изучаемого события А показывают, что при больших n относительная частота (А ) остаётся примерно постоянной.
Статистическое определение вероятности заключается в том, что за вероятность события А принимается постоянная величина р(А), вокруг которой колеблются значения относительных частот (А ) при неограниченном возрастании числа испытаний n .
Замечание 1 . Отметим, что пределы изменения вероятности случайного события от нуля до единицы выбраны Б. Паскалем для удобства ее вычисления и применения. В переписке с П. Ферма Паскаль указывал, что в качестве указанного промежутка можно было выбрать любой промежуток, например от нуля до ста и другие промежутки. В приведенных ниже задачах в данном пособии вероятности иногда указываются в процентах, т.е. от нуля до ста. В этом случае приведенные в задачах проценты необходимо переводить в доли, т.е. делить на 100.
Пример 1. Проведено 10 серий бросаний монеты, по 1000 бросаний в каждой. Величина (А ) в каждой из серий равна 0,501; 0,485; 0,509; 0,536; 0,485; 0,488; 0,500; 0,497; 0,494; 0,484. Эти частоты группируются около р (А ) = 0,5.
Этот пример подтверждает, что относительная частота (А ) примерно равна р (А ), т.е.
Понятие вероятности события относится к фундаментальным понятиям теории вероятностей. Вероятность - это количественная мера возможности появления случайного события А. Обозначается она Р(А) и имеет следующие свойства.
Вероятность есть положительное число, заключенное в интервале от нуля до единицы:
Вероятность невозможного события равна нулю
Вероятность достоверного события равна единице
Классическое определение вероятности. Пусть = { 1 , 2 ,…, n } - пространство элементарных событий, которые описывают все возможные элементарные исходы и образуют полную группу несовместных и равновозможных событий. Пусть событию А соответствует подмножество m элементарных исходов
эти исходы называют благоприятствующими событию А. В классическом определении вероятности полагают, что вероятность любого элементарного исхода
а вероятность события А, которому благоприятствуют m исходов, равна
Отсюда определение:
Вероятностью события А называют отношение числа благоприятствующих этому событию исходов к общему числу всех равновозможных несовместных элементарных исходов, образующих полную группу. Вероятность определяется формулой
где m - число элементарных исходов, благоприятствующих событию А, а _ число всех возможных элементарных исходов испытания.
Классическое определение вероятности дает возможность в некоторых задачах аналитически вычислить вероятность события.
Пусть проводится опыт, в результате которого могут наступить те или иные события. Если эти события образуют полную группу попарно несовместных и равновозможных событий, то говорят, что опыт обладает симметрией возможных исходов и сводится к "схеме случаев". Для опытов, которые сводятся к схеме случаев, применима классическая формула вероятности.
Пример 1.13. В лотерее разыгрывается 1000 билетов, среди которых 5 выигрышных. Определить вероятность того, что при покупке одного билета лотереи будет получен выигрыш
Элементарным событием этого опыта является покупка билета. Каждый билет лотереи неповторим, так как имеет свой номер, и купленный билет не возвращается обратно. Событие А заключается в том, что куплен выигрышный билет. При покупке одного из 1000 билетов всевозможных исходов этого опыта будет =1000, исходы образуют полную группу несовместных событий. Число исходов, благоприятных событию А, будет равно =5. Тогда вероятность получить выигрыш, купив один билет, равна
Р(А) = = 0.005
Для непосредственного подсчета вероятностей удобно применять формулы комбинаторики. Покажем это на примере задачи выборочного контроля.
Пример 1.14 Пусть имеется партия из изделий, среди них есть бракованных. Для контроля отбирается часть из изделий. Какова вероятность того, что среди отобранных изделий будет ровно бракованных
Элементарным событием в этом опыте является выбор элементного подмножества из исходного элементного множества. Выбор любой части изделий из партии в изделий можно считать равновозможными событиями, поэтому данный опыт сводится к схеме случаев. Для вычисления вероятности события А={среди изделий бракованных, если они отбирались из партии в изделий с бракованными} можно применить классическую формулу вероятности. Число всех возможных исходов опыта - это число способов, которыми можно отобрать изделий из партии в, оно равно числу сочетаний из элементов по: . Событие, благоприятное событию А, состоит из произведения двух элементарных событий: {из бракованных изделий выбраны }{из _ стандартных изделий выбраны _}. Число таких событий, в соответствии с правилом умножения комбинаторики, будет
Тогда искомая вероятность
Например, пусть =100, =10, =10, =1. Тогда вероятность того, что среди отобранных 10 изделий будет ровно одно бракованное, равна
Статистическое определение вероятности. Для того, чтобы применить в условиях данного опыта классическое определение вероятности, необходимо, чтобы опыт соответствовал схеме случаев и для большинства реальных задач эти требования практически невыполнимы. Однако вероятность события - это объективная реальность, которая существует независимо от того, применимо или нет классическое определение. Возникает необходимость в другом определении вероятности, применимом тогда, когда опыт не отвечает схеме случаев.
Пусть эксперимент заключается в проведении серии испытаний, повторяющих один и тот же опыт, и пусть событие А наступило раз в серии из опытов. Относительной частотой события W(A) называют отношение числа опытов, в которых наступило событие А, к числу всех проведенных опытов
Экспериментально доказано, что частота обладает свойством устойчивости: если число опытов в серии достаточно велико, то относительные частоты события А в различных сериях одного и того же эксперимента мало отличаются друг от друга.
Статистической вероятностью события называют число, к которому стремятся относительные частоты, если число опытов неограниченно возрастает
В отличие от априорной (вычисленной до опыта) классической вероятности статистическая вероятность является апостериорной (полученной после опыта).
Пример 1.15 Метеорологические наблюдения в течении 10 лет в некоторой местности показали, что число дождливых дней в июле было в разные года равно: 2; 4; 3; 2; 4; 3; 2; 3; 5; 3. Определить вероятность того, что какой-либо определенный день июля будет дождливым
Событие А заключается в том, что определенный день июля, например, 10 июля, пойдет дождь. Выданная статистика не содержит информации о том, в какие конкретно дни июля шел дождь, поэтому можно считать, что все дни равновозможные для этого события. Пусть один год - это одна серия испытаний из 31 одного дня. Всего серий 10. Относительные частоты серий равны:
Частоты различны, но наблюдается их группировка возле числа 0.1. Это число и можно принять за вероятность события А. Если за одну серию испытаний принять все дни июля за десять лет, то статистическая вероятность события А будет равна
Геометрическое определение вероятности. Это определение вероятности обобщает классическое определение на случай, когда пространство элементарных исходов включает несчетное множество элементарных событий, и появления каждого из событий одинаково возможно. Геометрической вероятностью события А называется отношение меры (А) области, благоприятствующей появлению события, к мере () всей области
Если области представляют собой а) длины отрезков, б) площади фигур, в) объемы пространственных фигур, то геометрические вероятности соответственно равны
Пример 1.16. Рекламные объявления развешены с интервалом в 10 метров вдоль торгового ряда. Широта обзора у некоторого покупателя составляет 3 метра. Какова вероятность того, что он не заметит рекламу, если он движется перпендикулярно торговому ряду и пересечь ряд может в любой точке?
Участок торгового ряда, расположенный между двумя объявлениями, можно представить как отрезок прямой АВ (рис. 1.6). Тогда для того, чтобы покупатель заметил объявления, он должен пройти через отрезки прямых АС или ДВ, равные 3м. Если же он пересечет торговый ряд в одной из точек отрезка СД, длина которого 4м, то он не заметит рекламы. Вероятность этого события будет
Вероятностью наступления события A называется число, равное отношению числа случаев, благоприятствующих событию A , к общему числу случаев (исходов, шансов или элементарных событий).
Вероятность (Р )
Где n ‒ общее число случаев, m ‒ число случаев, благоприятствующих событию А .
Вероятность невозможного события:
Вероятность достоверного события:
Вероятность любого случайного события:
0 ≤ P (A ) ≤ 1
Статистическое определение вероятности
Статистической вероятностью события A называется относительная частота появления события в n ‒ произведенных испытаниях.
Опытная (экспериментальная) вероятность:
Следовательно,– есть доля тех фактически произведённых испытаний, в которых событиеA появилось. При ,P (A ) ≈ (A )
Пример 1.
В коробке лежит 7 синих, 8 красных и 5 зеленых шаров.
Решение:
Событие A ‒ шар зеленый;
Пример 2.
В коробке лежат 100 электроламп, из них 5 бракованных.
Решение:
Событие A ‒ на удачу, выбранные 2 электролампы исправны.
Пример 3.
В коробке лежит 10 шаров: 6 белых и 4 черных.
Найти:
Вероятность того, что из пяти взятых наугад шаров будет 4 белых.
Решение:
Найдем число благоприятных исходов: число способов, которыми можно взять 4 белых шара из 6 имеющихся шаров, равно:
Общее число исходов определяется числом сочетаний из 10 по 5:
Искомая вероятность P = 15/252 ≈ 0,06.
Геометрическая вероятность , то есть вероятность попадания точки в некоторую область, отрезок, часть плоскости.
Геометрической вероятностью события A называют отношение меры области, благоприятствующей появлению события A , к мере всей области.
где mes ‒мера (длина, площадь, объём области).
4.Алгебра событий. Операции над случайными событиями.
Определение 1. Суммой двух событий A и B называется событие C , состоящее в осуществлении хотя бы одного из событий A или B .
Возможны два случая:
1. Если A и B несовместны, тогда A +B означает, что произойдет или A , или В .
2. Если A и B совместны, тогда A +B означает, что произойдет или A , или B , или A и B одновременно.
Определение 2. Произведением двух событий A и B называется событие C , состоящее в одновременном осуществлении событий A и B .
Пример 1. Из колоды карт наудачу вынули одну карту.
Событие A ‒ карта дама.
Событие B ‒ карта пиковой масти.
Тогда A + B ‒ вынутая карта или дама, или карта пиковой масти, или пиковая дама.
AB ‒ вынутая карта пиковая дама.
Правило произведения событий.
Если какой ни будь объект A можно выбрать m ‒ способами и после каждого такого выбора другой объект B можно выбрать k ‒ способами, то пары объектов «A и B одновременно» можно выбрать mk ‒ способами.
Пример 2.
В лотерее из 50 билетов 8 выигрышных билетов.
Найти вероятность того, что среди первых 5‒ти наугад выбранных билетов 2 будут выигрышными.
Решение:
50 ‒ 8 = 42 ‒ билета невыигрышных.
Событие A ‒ среди первых 5‒ти билетов 2 выигрышных.
Пример3.
В ящике находится 10 стандартных и 5 нестандартных деталей.
Какова вероятность, что среди наугад взятых 6 деталей будет 4 стандартных и 2 нестандартных?
Решение:
Общее число исходов равно
Число благоприятных исходов определяется произведением
где первый сомножитель соответствует числу вариантов изъятия из ящика 4‒х стандартных деталей из 10, а второй ‒ числу вариантов изъятия из ящика 2‒х нестандартных деталей из пяти. Отсюда следует, что искомая вероятность равна
