Calcolo delle Probabilità
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- Aurelia Luciani
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1 Calcolo delle Probabilità Corso di Laurea Specialistica in SCIENZE DELLE PROFESSIONI SANITARIE DELLA RIABILITAZIONE Corso di Laurea Specialistica in SCIENZE DELLE PROFESSIONI SANITARIE AREA TECNICO ASSISTENZIALI Statistica Medica
2 Introduzione La probabilità è una costruzione matematica utilizzata per prendere decisioni in condizioni di incertezza; quest ultima interessa qualunque prova o esperimento che può dar luogo a più risultati possibili
3 Introduzione La probabilità è una costruzione matematica utilizzata per prendere decisioni in condizioni di incertezza; quest ultima interessa qualunque prova o esperimento che può dar luogo a più risultati possibili Esperimento o prova Una qualsiasi operazione il cui risultato non può essere previsto con certezza
4 Introduzione La probabilità è una costruzione matematica utilizzata per prendere decisioni in condizioni di incertezza; quest ultima interessa qualunque prova o esperimento che può dar luogo a più risultati possibili Esperimento o prova Una qualsiasi operazione il cui risultato non può essere previsto con certezza Evento elementare E Ogni possibile risultato dell esperimento
5 Introduzione La probabilità è una costruzione matematica utilizzata per prendere decisioni in condizioni di incertezza; quest ultima interessa qualunque prova o esperimento che può dar luogo a più risultati possibili Esperimento o prova Una qualsiasi operazione il cui risultato non può essere previsto con certezza Evento elementare E Ogni possibile risultato dell esperimento Spazio campionario Ω Insieme di tutti gli eventi elementari
6 Introduzione La probabilità è una costruzione matematica utilizzata per prendere decisioni in condizioni di incertezza; quest ultima interessa qualunque prova o esperimento che può dar luogo a più risultati possibili Esperimento o prova Una qualsiasi operazione il cui risultato non può essere previsto con certezza Evento elementare E Ogni possibile risultato dell esperimento Spazio campionario Ω Insieme di tutti gli eventi elementari Lancio di un dado Il lancio di un dado è un tipico esperimento o prova dal momento che può dar luogo a diversi risultati (le sei facce del dado) nessuno dei quali può essere previsto con certezza. In questo caso ciascuna faccia rappresenta un evento elementare e lo spazio campionario, che esaurisce per definizione è costituito dall insieme di tutte le 6 facce.
7 Algebra degli eventi Lo spazio campionario è definito da una regione chiusa al cui interno si inscrivono gli eventi.... E 1 Ω E 2
8 Algebra degli eventi Negazione Dato un evento E, l evento complementare o negazione, di seguito indicato con Ē, è quell evento che si verifica ogni qual volta non si è verificato l evento E Ω
9 Algebra degli eventi Negazione Dato un evento E, l evento complementare o negazione, di seguito indicato con Ē, è quell evento che si verifica ogni qual volta non si è verificato l evento E E Ω
10 Algebra degli eventi Negazione Dato un evento E, l evento complementare o negazione, di seguito indicato con Ē, è quell evento che si verifica ogni qual volta non si è verificato l evento E E Ē
11 Algebra degli eventi Negazione Dato un evento E, l evento complementare o negazione, di seguito indicato con Ē, è quell evento che si verifica ogni qual volta non si è verificato l evento E Esempio Esperimento: Lancio di un dado E Evento E: Uscita della faccia 3 Evento Ē: Uscita della faccia {1, 2, 4, 5, 6} Ē
12 Algebra degli eventi Unione Dati due eventi E 1 ed E 2, la loro Unione genera un nuovo evento E 3 = E 1 E 2, che si verifica ogni qual volta si verifica o l evento E 1, o l evento E 2 o entrambi gli eventi Ω
13 Algebra degli eventi Unione Dati due eventi E 1 ed E 2, la loro Unione genera un nuovo evento E 3 = E 1 E 2, che si verifica ogni qual volta si verifica o l evento E 1, o l evento E 2 o entrambi gli eventi E 1 E 2 Ω
14 Algebra degli eventi Unione Dati due eventi E 1 ed E 2, la loro Unione genera un nuovo evento E 3 = E 1 E 2, che si verifica ogni qual volta si verifica o l evento E 1, o l evento E 2 o entrambi gli eventi E 3 = E 1 E 2 Ω
15 Algebra degli eventi Unione Dati due eventi E 1 ed E 2, la loro Unione genera un nuovo evento E 3 = E 1 E 2, che si verifica ogni qual volta si verifica o l evento E 1, o l evento E 2 o entrambi gli eventi Esempio Esperimento: Lancio di un dado E 3 = E 1 E 2 Evento E 1 : Uscita della faccia 3 Evento E 2 : Uscita di un numero dispari Ω Evento E 3 = E 1 E 2 : Uscita della faccia {1, 3, 5}
16 Algebra degli eventi Intersezione Dati due eventi E 1 ed E 2, la loro Intersezione genera un nuovo evento E 3 = E 1 E 2, che si verifica ogni qual volta si verifica sia l evento E 1, che l evento E 2 E 1 E 2 Ω
17 Algebra degli eventi Intersezione Dati due eventi E 1 ed E 2, la loro Intersezione genera un nuovo evento E 3 = E 1 E 2, che si verifica ogni qual volta si verifica sia l evento E 1, che l evento E 2 E 3 = E 1 E 2 E 1 E 2 Ω
18 Algebra degli eventi Intersezione Dati due eventi E 1 ed E 2, la loro Intersezione genera un nuovo evento E 3 = E 1 E 2, che si verifica ogni qual volta si verifica sia l evento E 1, che l evento E 2 E 3 = E 1 E 2 E 1 E 2 Esempio Esperimento: Lancio di un dado Evento E 1 : Uscita di un numero > 3 Evento E 2 : Uscita di un numero dispari Ω Evento E 3 = E 1 E 2 : Uscita della faccia 5
19 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Incompatibilità Dati due eventi E 1 ed E 2, essi si dicono incompatibili se il verificarsi dell uno in una prova esclude la possibilità che l altro si verifichi: E 1 E 2 = E 1 E 2 Ω
20 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Incompatibilità Dati due eventi E 1 ed E 2, essi si dicono incompatibili se il verificarsi dell uno in una prova esclude la possibilità che l altro si verifichi: E 1 E 2 = Esempio Esperimento: Lancio di un dado Ω E 1 E 2 Evento E 1 : Uscita di un numero > 5 : {6} Evento E 2 : Uscita di un numero dispari : {1, 3, 5} E 3 = E 1 E 2 =
21 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Necessarietà Dati due eventi E 1 ed E 2, essi si dicono necessari se, in ogni prova, almeno uno deve verificarsi: E 1 E 2 = Ω Ω
22 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Necessarietà Dati due eventi E 1 ed E 2, essi si dicono necessari se, in ogni prova, almeno uno deve verificarsi: E 1 E 2 = Ω E 1 Ω E 2
23 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Necessarietà Dati due eventi E 1 ed E 2, essi si dicono necessari se, in ogni prova, almeno uno deve verificarsi: E 1 E 2 = Ω E 1 Ω E 2 Esempio Esperimento: Lancio di un dado Evento E 1 : Uscita di un numero pari : {2, 4, 6} Evento E 2 : Uscita di un numero dispari : {1, 3, 5} E 3 = E 1 E 2 ={1, 2, 3, 4, 5, 6}
24 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Necessarietà Dati due eventi E 1 ed E 2, essi si dicono necessari se, in ogni prova, almeno uno deve verificarsi: E 1 E 2 = Ω Ω
25 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Necessarietà Dati due eventi E 1 ed E 2, essi si dicono necessari se, in ogni prova, almeno uno deve verificarsi: E 1 E 2 = Ω E 1 Ω E 2 Esempio Esperimento: Lancio di un dado Evento E 1 : Uscita di un numero primo : {1, 2, 3, 5} Evento E 2 : Uscita di un numero pari : {2, 4, 6} E 3 = E 1 E 2 ={1, 2, 3, 4, 5, 6}
26 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Inclusione L evento E 1 è incluso nell evento E 2, se il verificarsi di E 1 implica il verificarsi di E 2 Ω
27 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Inclusione L evento E 1 è incluso nell evento E 2, se il verificarsi di E 1 implica il verificarsi di E 2 E 2 E 1 Ω
28 Algebra degli eventi - Relazioni tra eventi Inclusione L evento E 1 è incluso nell evento E 2, se il verificarsi di E 1 implica il verificarsi di E 2 Esempio Esperimento: Lancio di un dado Ω E 2 E 1 Evento E 1 : Uscita di un dispari : {1, 3, 5} Evento E 2 : Uscita di un numero primo : {1, 2, 3, 5} N.B. L inclusione non è una relazione simmetrica.
29 Definizioni di Probabilità La probabilità è un concetto primitivo, perché innato e sempre presente nelle regole di comportamento dell essere umano; D altra parte, la probabilità è una misura, perché associa al concetto primitivo una valutazione numerica
30 Definizioni di Probabilità La probabilità è un concetto primitivo, perché innato e sempre presente nelle regole di comportamento dell essere umano; D altra parte, la probabilità è una misura, perché associa al concetto primitivo una valutazione numerica Definizione Classica Dato un esperimento ed un evento E (sia esso elementare o composto), la probabilità di E, P(E) è il rapporto tra il numero di esiti favorevoli e il numero di esiti possibili, posto che tutti i risultati siano ugualmente possibili.
31 Definizioni di Probabilità La probabilità è un concetto primitivo, perché innato e sempre presente nelle regole di comportamento dell essere umano; D altra parte, la probabilità è una misura, perché associa al concetto primitivo una valutazione numerica Definizione Classica Dato un esperimento ed un evento E (sia esso elementare o composto), la probabilità di E, P(E) è il rapporto tra il numero di esiti favorevoli e il numero di esiti possibili, posto che tutti i risultati siano ugualmente possibili. Definizione Frequentista In n esperimenti, tutti effettuati nelle medesime condizioni, la probabilità di un evento E è il limite cui tende la frequenza relativa dell evento al crescere del numero di prove.
32 Definizioni di Probabilità La probabilità è un concetto primitivo, perché innato e sempre presente nelle regole di comportamento dell essere umano; D altra parte, la probabilità è una misura, perché associa al concetto primitivo una valutazione numerica Definizione Classica Dato un esperimento ed un evento E (sia esso elementare o composto), la probabilità di E, P(E) è il rapporto tra il numero di esiti favorevoli e il numero di esiti possibili, posto che tutti i risultati siano ugualmente possibili. Definizione Frequentista In n esperimenti, tutti effettuati nelle medesime condizioni, la probabilità di un evento E è il limite cui tende la frequenza relativa dell evento al crescere del numero di prove. Definizione Soggettivista...
33 Assiomi della Probabilità Qualunque sia la definizione utilizzata, la misura della probabilità deve soddisfare a tre fondamentali assiomi che definiscono 1 0 P(E i ) 1 E i Ω 2 P(Ω) = Un esempio Sono stati analizzati 2400 soggetti di una ipotetica popolazione; su ciascuno di questi è stato valutata l esito di un test psicometrico l AACHENER APHASIE TEST - AAT) per la diagnosi funzionale di e la reale presenza di deficit afasici del linguaggio. I risultati sono stati sintetizzati nella seguente tabella. La probabilità è un numero non negativo e non maggiore di 1 La probabilità associata all intero spazio campionario è pari a 1
34 Probabilità di eventi elementari P( Sì)=
35 Probabilità di eventi elementari P( Sì)= = 0.17
36 Probabilità di eventi elementari P( Sì)= = 0.17 P(AAT +)= = 0.33
37 Probabilità di eventi elementari P( Sì)= = 0.17 P(AAT +)= = 0.33 P( No)= = 0.83
38 Probabilità di eventi elementari P( Sì)= = 0.17 P(AAT +)= = 0.33 P( No)= = 0.83 P(AAT -)= = 0.67
39 Probabilità di eventi composti - Intersezione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
40 Probabilità di eventi composti - Intersezione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
41 Probabilità di eventi composti - Intersezione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
42 Probabilità di eventi composti - Intersezione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
43 Probabilità di eventi composti - Intersezione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
44 Probabilità di eventi composti - Intersezione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
45 Probabilità di eventi composti - Negazione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
46 Probabilità di eventi composti - Negazione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
47 Probabilità di eventi composti - Negazione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )=
48 Probabilità di eventi composti - Negazione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )= = 0.89
49 Probabilità di eventi composti - Negazione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )= = P(E 1 E 2 )= = 1 P(E 1 E 2 ) 2400
50 Probabilità di eventi composti - Negazione E 1 =AAT + E 2 = Sì P(E 1 E 2 )= = P(E 1 E 2 )= = 1 P(E 1 E 2 ) 2400 Dato un evento E 1, la probabilità della sua negazione P(E 1 ) è pari al complemento ad 1 della probabilità dell evento negato: P(E 1 ) = 1 P(E 1 )
51 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )=
52 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )=
53 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )=
54 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )=
55 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= = 1.5??? 2400 Violazione del primo assioma delle probabilità!!!
56 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )=
57 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )=
58 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )=
59 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= =
60 Probabilità di eventi composti - Unione Ω E 1 E 2 E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= =
61 Probabilità di eventi composti - Unione Ω E 1 E 2 E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= =
62 Probabilità di eventi composti - Unione Ω E 1 E 2 E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= =
63 Probabilità di eventi composti - Unione Ω E 1 E 2 E 1 E 2 E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= =
64 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= = = = 0.89
65 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= = = = 0.89 =P(AAT -)
66 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= = = = 0.89 =P(AAT -) +P( No)
67 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= = = = 0.89 =P(AAT -) +P( No) -P(AAT - No)
68 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= = = = 0.89 =P(AAT -) +P( No) -P(AAT - No) Principio delle probabilità totali Dati due eventi E 1 ed E 2, la probabilità della loro unione è pari alla somma delle probabilità degli eventi elementari meno la probabilità dell intersezione: P(E 1 E 2 ) = P(E 1 ) + P(E 2 ) P(E 1 E 2 )
69 Probabilità di eventi composti - Unione E 1 =AAT - E 2 = No P(E 1 E 2 )= = = = 0.89 Principio delle probabilità totali Nel caso in cui i due eventi E 1 ed E 2 sono incompatibili e tali quindi che P(E 1 E 2 ) = 0, allora: P(E 1 E 2 ) = P(E 1 ) + P(E 2 ) =P(AAT -) +P( No) -P(AAT - No)
70 Probabilità di eventi condizionati Coma cambia la valutazione della probabilità che un soggetto presenti disturbi afasici del linguaggio se è nota la diagnosi positiva del test AAT?
71 Probabilità di eventi condizionati Coma cambia la valutazione della probabilità che un soggetto presenti disturbi afasici del linguaggio se è nota la diagnosi positiva del test AAT? In assenza di informazioni sull esito dell AAT... P( Sì)= = 0.17
72 Probabilità di eventi condizionati Coma cambia la valutazione della probabilità che un soggetto presenti disturbi afasici del linguaggio se è nota la diagnosi positiva del test AAT? In assenza di informazioni sull esito dell AAT... P( Sì)= = 0.17 Se è noto l esito positivo dell AAT...
73 Probabilità di eventi condizionati Coma cambia la valutazione della probabilità che un soggetto presenti disturbi afasici del linguaggio se è nota la diagnosi positiva del test AAT? L informazione apriori condiziona la scelta dei casi possibili che sono ora costituiti solo dai soggetti con diagnosi positiva. In assenza di informazioni sull esito dell AAT... P( Sì)= = 0.17 Se è noto l esito positivo dell AAT...
74 Probabilità di eventi condizionati Coma cambia la valutazione della probabilità che un soggetto presenti disturbi afasici del linguaggio se è nota la diagnosi positiva del test AAT? L informazione apriori condiziona la scelta dei casi possibili che sono ora costituiti solo dai soggetti con diagnosi positiva. In assenza di informazioni sull esito dell AAT... P( Sì)= = 0.17 Se è noto l esito positivo dell AAT... P( Sì AAT +)= = 0.31
75 Probabilità di eventi condizionati Coma cambia la valutazione della probabilità che un soggetto presenti disturbi afasici del linguaggio se è nota la diagnosi positiva del test AAT? L informazione apriori condiziona la scelta dei casi possibili che sono ora costituiti solo dai soggetti con diagnosi positiva. In assenza di informazioni sull esito dell AAT... P( Sì)= = 0.17 Se è noto l esito positivo dell AAT... P( Sì AAT +)= = 0.31 Probabilità condizionata di essere affetti da disturbi afasici dato che l AAT è risultato positivo
76 Probabilità di eventi condizionati P( Sì AAT +)= = 0.31 = 250/ /2400
77 Probabilità di eventi condizionati P( Sì AAT +)= = 0.31 = 250/2400 P( Sì AAT +) = 800/2400
78 Probabilità di eventi condizionati P( Sì AAT +)= = 0.31 = 250/2400 P( Sì AAT +) = 800/2400 P(AAT+)
79 Probabilità di eventi condizionati P( Sì AAT +)= = 0.31 = 250/2400 P( Sì AAT +) = 800/2400 P(AAT+) Probabilità condizionata Dati due eventi E 1 ed E 2, la probabilità che si verifichi E 1 condizionato ad E 2, P(E 1 E 2 ) è pari al rapporto tra la probabilità dell intersezione dei due eventi e la probabilità dell evento condizionante: P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 )
80 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta
81 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 )
82 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 )
83 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 2 E 1 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 1 )
84 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 2 E 1 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 1 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 )
85 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 2 E 1 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 1 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) Ma cosa accade se i due eventi E 1 ed E 2 sono tra loro indipendenti, se cioè il verificarsi dell uno non ha alcuna influenza sul verificarsi o meno dell altro???
86 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 2 E 1 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 1 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) Ma cosa accade se i due eventi E 1 ed E 2 sono tra loro indipendenti, se cioè il verificarsi dell uno non ha alcuna influenza sul verificarsi o meno dell altro??? Esempio... E 1 =Uscita di testa nel secondo lancio di una moneta E 2 =Uscita di testa nel primo lancio di una moneta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 ) P(E 2 E 1 ) = P(E 2 )
87 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 2 E 1 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 1 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) Eventi Indipendenti P(E 1 E 2 ) = P(E 1 )
88 Relazioni tra probabilità condizionata e congiunta P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 2 ) P(E 2 E 1 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) = P(E 1 E 2 ) P(E 1 ) P(E 1 E 2 ) = P(E 2 E 1 ) P(E 1 ) Eventi Indipendenti P(E 1 E 2 ) = P(E 1 ) Eventi Indipendenti P(E 1 E 2 ) = P(E 1 ) P(E 2 )
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