Scrivere su ogni foglio NOME e COGNOME. Le risposte devono essere giustificate sui fogli protocollo e riportate nel foglio RISPOSTE.

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1 CORSO DI CALCOLO DELLE PROBABILITÀ (o modulo) - PROVA d esame del 3/luglio/ Laurea Quadriennale in Matematica - (Prof. Nappo) Scrivere su ogni foglio NOME e COGNOME. Le risposte devono essere giustificate sui fogli protocollo e riportate nel foglio RISPOSTE. ESERCIZIO Gli studenti prenotati per un esame orale sono 0. Il professore sceglie a caso una lettera tra le 2 dell alfabeto e inizia gli esami dal primo (in ordine alfabetico) studente il cui cognome inizia con quella lettera o con la prima lettera successiva a quella estratta (ricominciando dalla A se necessario). Il primo giorno effettua esami e gli altri li lascia al giorno dopo. I cognomi dei 0 studenti sono: Casati, De Carli, De Stefanis, Diodato, Gentili, Girolami, Innocenti, Marini, Politi, Urbani. a) Calcolare le probabilità di M = {Marini effettua l esame il primo giorno}, U = {Urbani effettua l esame il primo giorno}, D = {Diodato effettua l esame il primo giorno}, b) Sapendo che Marini è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Urbani? b2) Sapendo che Marini è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Diodato? b3) Sapendo che Urbani è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Diodato? c) Gli eventi M ed U sono indipendenti? c2) Gli eventi M e D sono indipendenti? c3) Gli eventi M, U e D sono (globalmente ovvero mutualmente) indipendenti? d) Sapendo che Diodato è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Urbani? d2) Sapendo invece che Urbani è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Marini? ESERCIZIO 2 In una produzione industriale di un certo tipo di pezzi, vi è una eguale probabilità che un generico pezzo sia buono o difettoso. Se un pezzo è difettoso, vi è una probabilità del 60% che sia comunque funzionante; i pezzi buoni sono ovviamente funzionanti. Ciascun pezzo si comporta in modo indipendente dall altro. a) Calcolare la probabilità che un pezzo sia funzionante. a2) Verificato che un pezzo è funzionante, calcolare la probabilità che sia difettoso. b) Calcolare (=scrivere l espressione) la probabilità che tra 00 pezzi ce ne siano 90 funzionanti. b2) Calcolare (=scrivere l espressione) la probabilità che tra 00 pezzi ce ne siano almeno 90 funzionanti. b3) Posto X il numero di pezzi funzionanti tra 00 esaminati, individuare la legge di X, e calcolare il suo valore atteso E(X) e la sua varianza V ar(x). c) Scrivere in termini di X l evento {tra 00 pezzi ce ne sono almeno 90 funzionanti}, e calcolarne approssimativamente la probabilità. d) FACOLTATIVO Posto Y il numero (minimo) di pezzi che si devono esaminare per ottenerne funzionanti, individuare la legge di Y e calcolare il suo valore atteso E(Y ). (suggerimento: si consideri successo all i sima prova se l i simo pezzo esaminato è funzionante, e si interpreti Y come numero di prove necessarie per...)

2 ESERCIZIO 3 Siano X ed Y due variabili aleatorie indipendenti, entrambe uniformi in (0, ). a) Calcolare P (X 2, Y 2 ). b) Posto U = X + Y calcolare la densità f U (u) di U, distinguendo i casi u < 0, 0 < u <, < u < 2 e u > 2. c) Posto U = X + Y, V = Y 3, calcolare la densità congiunta f U,V (u, v) di U e V. d) Spiegare perché le variabili aleatorie U e V non sono indipendenti. d2) Calcolare la densità condizionata f V U (v u) di V dato U = u, per 0 < u < e per < u < 2. 2

3 CORSO DI CALCOLO DELLE PROBABILITÀ (o modulo) - FOGLIO RISPOSTE - PROVA d esame del 3/luglio/ Laurea Quadriennale in Matematica - (Prof. Nappo) NOME... COGNOME... ESERCIZIO a) P (M ) = P (U ) = P (D ) = b)... b2)... b3)... c) Gli eventi M ed U sono indipendenti? SI NO c2) Gli eventi M e D sono indipendenti? SI NO c3) Gli eventi M, U e D sono (globalmente) indipendenti? SI NO d)... d2)... ESERCIZIO 2 a) La probabilità che un pezzo sia funzionante... a2) Verificato che un pezzo è funzionante, la probabilità che sia difettoso... b) La probabilità che tra 00 pezzi ce ne siano 90 funzionanti b2) La probabilità che tra 00 pezzi ce ne siano almeno 90 funzionanti b3) Posto X il numero di pezzi funzionanti tra 00 esaminati, individuare la legge di X, e calcolare il suo valore atteso E(X) e la sua varianza V ar(x). c) {tra 00 pezzi ce ne sono almeno 90 funzionanti} = {...}, approssimativamente la probabilità è... d) FACOLTATIVO La legge di Y è... E(Y )... ESERCIZIO 3 a) P (X 2, Y 2 ) =... b) f U (u) =... per u < 0, f U (u) =... 0 < u <, f U (u) =... < u < 2 f U (u) =... u > 2. c) f U,V (u, v) = d) SVOLTO NON SVOLTO d2) per 0 < u < f V U (v u) = per < u < 2 f V U (v u) =

4 CORSO DI CALCOLO DELLE PROBABILITÀ (o modulo) - SOLUZIONI PROVA d esame del 3/luglio/ Laurea Quadriennale in Matematica - (Prof. Nappo) ESERCIZIO Gli studenti prenotati per un esame orale sono 0. Il professore sceglie a caso una lettera tra le 2 dell alfabeto e inizia gli esami dal primo (in ordine alfabetico) studente il cui cognome inizia con quella lettera o con la prima lettera successiva a quella estratta (ricominciando dalla A se necessario). Il primo giorno effettua esami e gli altri li lascia al giorno dopo. I cognomi dei 0 studenti sono: Casati, De Carli, De Stefanis, Diodato, Gentili, Girolami, Innocenti, Marini, Politi, Urbani. a) Calcolare le probabilità di M = {Marini effettua l esame il primo giorno}, U = {Urbani effettua l esame il primo giorno}, D = {Diodato effettua l esame il primo giorno}, RISPOSTA a) L evento M si verifica solo se esce una tra le lettere E, F, G, H, I, L, M, (infatti in questi casi Marini viene esaminato il primo giorno, mentre se esce una lettera tra A e D oppure tra la N e la Z allora Marini non viene esaminato il primo giorno). L evento U si verifica solo se esce una tra le lettere H, I, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, (infatti in questi casi Urbani viene esaminato il primo giorno, mentre se esce una lettera tra A e G oppure tra la V e la Z allora Urbani non viene esaminato il primo giorno). L evento D si verifica solo se esce una tra le lettere A, B, C, D oppure Q, R, S, T, U, V, Z, (infatti in questi casi Diodato viene esaminato il primo giorno, mentre se esce una lettera tra E e P allora Diodato non viene esaminato il primo giorno). Quindi P (M ) = 7/2 = /3, P (U ) = 2/2 = 4/7, P (D ) = /2. b) Sapendo che Marini è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Urbani? b2) Sapendo che Marini è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Diodato? b3) Sapendo che Urbani è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Diodato? RISPOSTA b) L evento M U si verifica solo se esce una tra le lettere H, I, L, M, l evento M e l evento D sono incompatibili, ed infine l evento U D si verifica solo se esce una tra le lettere Q, R, S, T, U. Quindi P (U M ) = P (M U ) P (M ) P (D M ) = P (M D ) P (M ) P (D U ) = P (U D ) P (U ) = 4/2 7/2 = 4 7, = 0, = /2 2/2 = 2 c) Gli eventi M ed U sono indipendenti? c2) Gli eventi M e D sono indipendenti? c3) Gli eventi M, U e D sono (globalmente ovvero mutualmente) indipendenti? 4

5 RISPOSTA c) Gli eventi M ed U sono indipendenti, in quanto P (U M ) = P (U ) = 4 7, invece gli eventi M e D non sono indipendenti in quanto o equivalentemente P (D M ) = 0 P (D )(= 2 > 0), P (D M ) = 0 P (D )P (M )(> 0). Di conseguenza anche gli eventi M, U e D non sono indipendenti, in quanto dovrebbero valere tutte le seguenti condizioni i) P (M U ) = P (M )P (U ), ii) P (M D ) = P (M )P (D ), iii) P (D U ) = P (D )P (U ), iv) P (M U D ) = P (M )P (U )P (D ), mentre, come abbiamo appena visto la ii) non è verificata. d) Sapendo che Diodato è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Urbani? d2) Sapendo invece che Urbani è stato esaminato il primo giorno, qual è la probabilità che lo sia stato anche Marini? RISPOSTA d) Per calcolare P (U D ) si potrebbe procedere direttamente al calcolo come nei casi precedenti, oppure utilizzando la formula di Bayes P (U D ) = P (D U ) P (D ) = /2 /2 = P (U D ) = P (D U )P (U ) P (D ) = (/2)(2/2) /2 =. Lo stesso vale per il calcolo di P (M U ), ma qui è importante notare che avendo già mostrato che U ed M sono indipendenti, si può immediatamente affermare che P (M U ) = P (M ), infatti P (M U ) = P (U M )P (M ) P (U ) = P (U )P (M ) P (U ) = P (M ). ESERCIZIO 2 In una produzione industriale di un certo tipo di pezzi, vi è una eguale probabilità che un generico pezzo sia buono o difettoso. Se un pezzo è difettoso, vi è una probabilità del 60% che sia comunque funzionante; i pezzi buoni sono ovviamente funzionanti. Ciascun pezzo si comporta in modo indipendente dall altro. a) Calcolare la probabilità che un pezzo sia funzionante. a2) Verificato che un pezzo è funzionante, calcolare la probabilità che sia difettoso. RISPOSTA a) Posto B l evento il pezzo è buono, D = B c l evento il pezzo è difettoso ed F l evento il pezzo è funzionante, si ha che F = F (B D) = (F B) (F D) = B (F D),

6 e che quindi P (F ) = P (B (F D)) = P (B) + P (F D) = P (B) + P (F D)P (D). Dai dati del problema sappiamo che P (B) = P (D) (e ovviamente P (B) + P (D) = ) e perciò P (B) = P (D) = /2, e inoltre sappiamo che P (F D) = 60/00 = 3/. Di conseguenza Infine P (F ) = P (B) + P (F D)P (D) = P (D F ) = P (F D)P (D) P (F ) = = 4. = 3 8. b) Calcolare (=scrivere l espressione) la probabilità che tra 00 pezzi ce ne siano 90 funzionanti. RISPOSTA b) Si ha che P (tra 00 pezzi ce ne siano 90 funzionanti) = ( ) 00 P (F ) 90 ( P (F )) 0 = 90 ( ) ( 4 ) 90 ( ) 0 b2) Calcolare (=scrivere l espressione) la probabilità che tra 00 pezzi ce ne siano almeno 90 funzionanti. RISPOSTA b2) Si ha che P (tra 00 pezzi ce ne siano almeno 90 funzionanti) 00 ( ) ( ) 00 4 k ( ) ( 00 k 89 ( 00 = = k h k=90 h=0 ) ( 4 ) h ( ) ) 00 h b3) Posto X il numero di pezzi funzionanti tra 00 esaminati, individuare la legge di X, e calcolare il suo valore atteso E(X) e la sua varianza V ar(x). RISPOSTA b3) Chiaramente X = S 00 conta il numero di successi (successo corrisponde a il pezzo è funzionante ) tra 00 prove indipendenti con p = P (F ) = 4/, quindi la legge di X è Bin(00, 4/), ovvero ( 00 P (X = k) = k ) ( 4 ) k ( ) 00 k, k = 0,,..., 00, e inoltre E(X) = 00p = 00 4 = 80 V ar(x) = 00p( p) = 00 4 = 6 c) Scrivere in termini di X l evento {tra 00 pezzi ce ne sono almeno 90 funzionanti}, e calcolarne approssimativamente la probabilità. 6

7 RISPOSTA c) Si tratta di calcolare P (X 90). Tenendo conto che ( ) S 00 00p 90 00p P (X 90) = P (S 00 00) = P 00p( p) 00p( p) = P ( ) ( S = P S 00 0 ), dove S00 = S 00 00p = S 00 E(S 00 ), per il teorema centrale del limite si ha 00p( p) come si ottiene dalle tavole. V ars00 P (S 00 2.) = P (Z 2.) = Φ(2.) = , d) FACOLTATIVO Posto Y il numero (minimo) di pezzi che si devono esaminare per ottenerne funzionanti, individuare la legge di Y e calcolare il suo valore atteso E(Y ). (suggerimento: si consideri successo all i sima prova se l i simo pezzo esaminato è funzionante, e si interpreti Y come numero di prove necessarie per...) RISPOSTA d) Completando il suggerimento si ha che Y rappresenta numero di prove necessarie per ottenere per la prima volta successi e quindi Y segue una legge di Pascal di parametri m = e p = 4/, ovvero e inoltre ( k P (Y = k) = 4 ) ( 4 ) ( ) k, k =, 6,..., E(Y ) = p = 4 = 2 4 come si puo ottenere facilmente considerando che Y si può considerare come la somma di cinque variabili aleatorie geometriche di parametro p = 4/: e quindi Y = , E(Y ) = E( i ) = i= dove coincide con il tempo di primo successo T, ovvero = T è il numero di prove necessarie per ottenere il primo successo; 2 è il numero di prove, dopo il primo successo, necessarie per ottenere il secondo successo; e così via fino a che è il numero di prove, dopo il quarto successo, necessarie per ottenere il quinto successo. ESERCIZIO 3 Siano X ed Y due variabili aleatorie indipendenti, entrambe uniformi in (0, ). a) Calcolare P (X 2, Y 2 ). RISPOSTA a) Ovviamente, per l indipendenza di X e Y si ha i= p, P (X 2, Y 2 ) = P (X 2 )P (Y 2 ), ( e poiché P (X 2 ) = P (Y 2 ) = 2 = 2 I (0,)(x) dx = ) 2 0 dx = 2 si ha P (X 2, Y 2 ) = = 4,

8 b) Posto U = X + Y calcolare la densità f U (u) di U, distinguendo i casi u < 0, 0 < u <, < u < 2 e u > 2. RISPOSTA b) È noto che f U (u) = + L integrando è diverso da zero solo se ovvero se e solo se f X (x)f Y (u x)dx = + 0 < x < e inoltre 0 < u x <, I (0,) (x)i (0,) (u x)dx. 0 < x < e inoltre u < x < u, (0 < x e u < x) e inoltre (x < e x < u) o in altre parole se e solo se max(0, u ) < x e inoltre x < min(, u). ( ) Da ciò si deduce immediatamente che, sia per u < 0, che per u > 2, si ha f U (u) = 0 in quanto l insieme delle x che verifica entrambe le relazioni in (*) è vuoto [alternativamente si può ottenere lo stesso risultato considerando che U assume valori compresi tra 0 e 2, quindi la densità deve necessariamente essere nulla al di fuori di (0, 2)]. Per 0 < u < si ottiene che (*) equivale a 0 < x e x < u, ovvero f U (u) = u 0 I (0,) (x)i (0,) (u x)dx = u, mentre, per < u < 2 si ottiene che (*) equivale a u < x e x <, ovvero f U (u) = u I (0,) (x)i (0,) (u x)dx = (u ) = 2 u. c) Posto U = X + Y, V = Y 3, calcolare la densità congiunta f U,V (u, v) di U e V. RISPOSTA c) Posto u(x, y) = x + y, e v(x, y) = y 3, si ottiene che la funzione inversa e che det x(u, v) = u v 3, e y(u, v)) = v 3, (u, v) (x, y) (x, y) = det che è diverso da zero in tutto (0, ) (0, ). Quindi ( ) 0 3y 2 = 3y 2, f U,V (u, v) = f X,Y (x(u, v), y(u, v)) det (u,v) (x,y) (x(u, v), y(u, v)) 8

9 si scrive come f U,V (u, v) = I (0,) (x(u, v)) I (0,) (y(u, v)) 3y(u, v) 2 = I (0,) (u v 3 ) I(0,) (v 3 ) x=u v 3,y=v 3 ovvero o meglio f U,V (u, v) = f U,V (u, v) = 0 3v 2 3, per 0 < u v 3 < e 0 < v 3 <, altrove 3v 2 3 f U,V (u, v) = f U,V (u, v) = 0 3v 2 3 = 3 v 2 3, per 0(= 0 3 ) < v < (= 3 ) e (u ) 3 < v < u 3, cioè per max(0, (u ) 3 ) < v < min(, u 3 ), altrove d) Spiegare perché le variabili aleatorie U e V non sono indipendenti. d2) Calcolare la densità condizionata f V U (v u) di V dato U = u, per 0 < u < e per < u < 2. RISPOSTA d) Il fatto che U e V non sono indipendenti è conseguenza del fatto che la densità congiunta non si fattorizza in un prodotto di due funzioni una della sola u e una della sola v. Questo è anche implicato dal fatto che f V U (v u) f V (v): per 0 < u < mentre per < u < 2 f V U (v u) = f U,V (u, v) f U (u) = 3 v 2 3 I (0,u 3 )(v) u, f V U (v u) = f U,V (u, v) f U (u) = 3 v 2 3 I ((u ) 3,)(v) 2 u. Per vedere che f V U (v u) f V (v) non è necessario calcolare esplicitamente f V (v): basta notare che f V U (v u) dipende (come funzione) dal parametro u, mentre se fosse f V U (v u) = f V (v), non ci sarebbe alcuna dipendenza da u. Si noti in aggiunta che i casi u < 0 e u > 2 non sono stati considerati perché per tali valori f U (u) = 0. Se si avesse f U,V (u, v) = f U (u)f V (v), allora si avrebbe che l insieme {(u, v) tali che f U,V (u, v) 0} sarebbe un prodotto cartesiano, in quanto coinciderebbe con l insieme Invece in questo caso {(u, v) tali che f U (u) 0 e f V (v) 0} = {u tali che f U (u) 0} {v tali che f V (v) 0}. {(u, v) tali che f U,V (u, v) 0} = {(u, v) tali che 0 < u < e 0 < v < u 3, oppure < u < 2 e (u ) 3 < v < }, che non è un prodotto cartesiano, come si può facilmente vedere (si consiglia di disegnare tale insieme). 9