MATH 20: PROBABILITY
Variance
- f
Discrete Random Variables Xingru Chen xingru.chen.gr@dartmouth.edu
XC 2020
MATH 20: PROBABILITY Variance of Discrete Random Variables - - PowerPoint PPT Presentation
MATH 20: PROBABILITY Variance of Discrete Random Variables Xingru Chen xingru.chen.gr@dartmouth.edu XC 2020 Important Distributions Hypergeometric Discrete Uniform Distribution Distribution = 1 $ &"$ % !"%
Variance
Discrete Random Variables Xingru Chen xingru.chen.gr@dartmouth.edu
XC 2020
๐ ๐ = 1 ๐
Discrete Uniform Distribution
๐ ๐ = ๐ = ๐!"#๐
Geometric Distribution
๐ ๐, ๐, ๐ = ๐ ๐ ๐$๐!"$
Binomial Distribution
โ ๐, ๐, ๐, ๐ฆ =
$ % &"$ !"% & !
Hypergeometric Distribution
๐ฃ ๐ฆ, ๐, ๐ = ๐ฆ โ 1 ๐ โ 1 ๐$๐%"$
Negative Binomial Distribution
๐ ๐ = ๐ = ๐$ ๐! ๐"'
Poisson Distribution
XC 2020
Bin Binomia ial ๐น ๐ = ๐๐ ๐น ๐ = 1 ๐ ๐น ๐ = ๐ ๐น ๐ = ๐ ๐ ๐ Ge Geometric Po Poisson Ne Negative binomi
๐ ๐, ๐, ๐ = ๐ ๐ ๐!๐"#! ๐ ๐ = ๐ = ๐"#$๐ ๐ ๐ = ๐ = ๐! ๐! ๐#% ๐ฃ ๐ฆ, ๐, ๐ = ๐ฆ โ 1 ๐ โ 1 ๐!๐&#! ๐น ๐ = ๐ ๐ ๐ Hy Hyper ergeo eomet etric ic โ ๐, ๐, ๐, ๐ฆ =
! & '#! "#& ' "
XC 2020
ยง A single standard Hershey's Kiss weighs 0.16
XC 2020
Ho How t to m mea easu sure t the q qualit ity
prod
cts? Same ๐, different ๐.
XC 2020
XC 2020
ยง Let ๐ be a numerically-valued random variable with expected value ๐ = ๐น(๐). Then the variance
๐, denoted by ๐(๐), is ๐ ๐ = ๐น((๐ โ ๐)().
Ex Expected value ๐ญ(๐) :
%โ)
๐ฆ๐(๐ฆ) Ex Expected value ๐ญ ๐(๐) :
%โ)
๐(๐ฆ)๐(๐ฆ) Va Variance ๐ ๐ :
%โ)
(๐ฆ โ ๐)*๐(๐ฆ)
XC 2020
ยง Let ๐ be a numerically-valued random variable with expected value ๐ = ๐น(๐). Then the variance
๐, denoted by ๐(๐), is ๐ ๐ = ๐น((๐ โ ๐)(). ยง Standard deviation
๐, denoted by ๐ธ(๐), is ๐ธ ๐ = ๐(๐). ยง We
write ๐ for ๐ธ(๐) and ๐( for ๐ ๐ .
Va Variance ๐ ๐ :
%โ)
(๐ฆ โ ๐)*๐(๐ฆ)
XC 2020
ยง Let ๐ be a numerically-valued random variable with expected value ๐ = ๐น(๐). Then the variance
๐, denoted by ๐(๐), is ๐ ๐ = ๐น((๐ โ ๐)(). ยง If ๐ is any random variable with ๐ = ๐น(๐), then ๐ ๐ = ๐น ๐( โ ๐(.
Va Variance ๐ ๐ :
%โ)
(๐ฆ โ ๐)*๐(๐ฆ) :
%โ)
๐ฆ*๐(๐ฆ) โ :
%โ)
๐ฆ๐(๐ฆ)
XC 2020
Let ๐ be a numerically-valued random variable with expected value ๐ = ๐น(๐). ๐ ๐ = :
%โ)
(๐ฆ โ ๐)*๐(๐ฆ) = :
%โ)
(๐ฆ* โ 2๐๐ฆ + ๐*)๐(๐ฆ) = :
%โ)
๐ฆ*๐(๐ฆ) โ 2๐ :
%โ)
๐ฆ๐ ๐ฆ + ๐* :
%โ)
๐*๐ ๐ฆ
๐ ๐ = $
!โ#
(๐ฆ โ ๐)$๐(๐ฆ)
:
%โ)
๐ฆ๐ ๐ฆ = ๐
$
!โ#
๐ ๐ฆ = 1
๐ ๐ = :
%โ)
๐ฆ*๐(๐ฆ) โ 2๐ :
%โ)
๐ฆ๐ ๐ฆ + ๐* :
%โ)
๐*๐ ๐ฆ = ๐น ๐* โ 2๐* + ๐* = ๐น ๐* โ ๐* :
%โ)
๐ฆ*๐(๐ฆ) = ๐น(๐*)
XC 2020
Tos
a coi coin head
tail 1 or ๐ ๐ฆ = 1 2 ๐ = ๐น ๐ = 1 2 ๐( = ๐ ๐ = โฏ
XC 2020
Tos
a coi coin head
tail 1 or ๐ ๐ฆ = 1 2 ๐ = ๐น ๐ = 1 2 ๐( = ๐ ๐ = 1 4
XC 2020
Rol
a dice ce 1, 2, 3, 4, 5,
6 ๐ ๐ฆ = 1 6 ๐ = ๐น ๐ = 7 2 ๐( = ๐ ๐ = โฏ
XC 2020
Rol
a dice ce 1, 2, 3, 4, 5,
6 ๐ ๐ฆ = 1 6 ๐ = ๐น ๐ = 7 2 ๐( = ๐ ๐ = 91 6 โ 49 4 = 35 12
XC 2020
What is the expected number
dice tosses needed to get two consecutive six's?
Number
tosses 2, 3, 4, โฆ ๐น ๐ = ๐น ๐ 1 ๐ 1 + ๐น ๐ 2 + ๐น ๐ 3 ๐ 3 + ๐น ๐ 4 ๐ 4 + ๐น ๐ 5 ๐ 5 + ๐น ๐ 6 ๐(6) ๐น ๐ = 5 6 ๐น ๐ 1 + 1 6 ๐น ๐ 6 = 5 6 1 + ๐น ๐ + 1 6 (5 6 ๐น ๐ 61 + 1 6 ๐น(๐|66)) ๐น ๐ = 5 6 1 + ๐น ๐ + 1 6 [5 6 2 + ๐น ๐ + 2 6]
XC 2020
๐ญ ๐ ๐ฎ๐ ๐ธ(๐ฎ๐) ๐ญ ๐ ๐ฎ๐ ๐ธ(๐ฎ๐) ๐ญ ๐ ๐ฎ๐ ๐ธ(๐ฎ๐) ๐ญ ๐ ๐ฎ๐ ๐ธ(๐ฎ๐) ๐ญ ๐ ๐ฎ๐ ๐ธ(๐ฎ๐) ๐ญ ๐ ๐ฎ๐ ๐ธ(๐ฎ๐)
XC 2020
Consider the general Bernoulli trial
usual, we let ๐ = 1 if the
is a success and 0 if it is a failure. Expect cted value ๐ญ(๐) M
&โ0
๐ฆ๐(๐ฆ) = 1ร๐ + 0ร 1 โ ๐ = ๐ Ber Bernoulli t tria ial ๐ ๐ฆ = O ๐, ๐ = 1 1 โ ๐, ๐ = 0 Variance ce ๐ ๐ ๐น ๐( โ ๐( = โฏ
XC 2020
Consider the general Bernoulli trial
usual, we let ๐ = 1 if the
is a success and 0 if it is a failure. Expect cted value ๐ญ(๐) M
&โ0
๐ฆ๐(๐ฆ) = 1ร๐ + 0ร 1 โ ๐ = ๐ Ber Bernoulli t tria ial ๐ ๐ฆ = O ๐, ๐ = 1 1 โ ๐, ๐ = 0 Variance ce ๐ ๐ ๐น ๐( โ ๐( = ๐ โ ๐(
XC 2020
Bin Binomia ial ๐น ๐ = ๐๐, ๐ ๐ = ๐๐๐ ๐น ๐ = $
1,
๐ ๐ = $#1
1%
๐น ๐ = ๐, ๐ ๐ = ๐ ๐น ๐ = ๐ 2
1,
๐ ๐ = ๐ 2
1%
Ge Geometric Po Poisson Ne Negative binomi
๐ ๐, ๐, ๐ = ๐ ๐ ๐!๐"#! ๐ ๐ = ๐ = ๐"#$๐ ๐ ๐ = ๐ = ๐! ๐! ๐#% ๐ฃ ๐ฆ, ๐, ๐ = ๐ฆ โ 1 ๐ โ 1 ๐!๐&#! ๐น ๐ = ๐ !
',
๐ ๐ = "! '#! ('#")
'%('#$)
Hy Hyper ergeo eomet etric ic โ ๐, ๐, ๐, ๐ฆ =
! & '#! "#& ' "
XC 2020
Po Poisson Distribution ๐ ๐ = ๐ = ๐$ ๐! ๐"' ๐น ๐ = ๐, ๐ ๐ = ๐ Bi Binomial Dist stribution ๐ ๐, ๐, ๐ = ๐ ๐ ๐$๐!"$ ๐น ๐ = ๐๐, ๐ ๐ = ๐๐๐
๐ = %5
",
๐ข = 1, ๐ โ โ, ๐ โ 0
XC 2020
Bin Binomia ial ๐น ๐ = ๐๐ ๐ ๐, ๐, ๐ = ๐ ๐ ๐!๐"#! Variance ce ๐ ๐ ๐น ๐( โ ๐( = M
&โ0
๐ฆ(๐ ๐ฆ โ ๐( M
&โ0
๐ฆ(๐ ๐ฆ = M
!67 "
๐( ๐ ๐ ๐!๐"#! = M
!6$ "
๐( ๐ ๐ ๐!๐"#! = M
!6$ "
๐( ๐! ๐! ๐ โ ๐ ! ๐!๐"#! = M
!6$ "
๐๐๐ (๐ โ 1)! (๐ โ 1)! ๐ โ ๐ ! ๐!#$๐"#! = ๐๐ M
!6$ "
(๐ โ 1 + 1) ๐ โ 1 ๐ โ 1 ๐!#$๐"#! = ๐๐ M
867 "#$
๐ ๐ โ 1 ๐ ๐8๐"#$#8 + ๐๐ M
867 "#$ ๐ โ 1
๐ ๐8๐"#$#8
XC 2020
Bin Binomia ial ๐น ๐ = ๐๐ ๐ ๐, ๐, ๐ = ๐ ๐ ๐!๐"#! Variance ce ๐ ๐ ๐น ๐( โ ๐( = M
&โ0
๐ฆ(๐ ๐ฆ โ ๐( ยง โ&โ0 ๐ฆ(๐ ๐ฆ = ๐ ๐ โ 1 ๐( โ86$
"#$ "#( 8#$ ๐8#$๐"#$#8 + ๐๐ = ๐ ๐ โ 1 ๐( + ๐๐
ยง ๐( = ๐(๐( ยง โ&โ0 ๐ฆ(๐ ๐ฆ โ ๐( = ๐ ๐ โ 1 ๐( + ๐๐ โ ๐(๐( = ๐๐(1 โ ๐)
XC 2020
๐น ๐ = ๐ Po Poisson ๐ ๐ = ๐ = ๐! ๐! ๐#% Variance ce ๐ ๐ ๐น ๐( โ ๐( = M
&โ0
๐ฆ(๐ ๐ฆ โ ๐( M
&โ0
๐ฆ(๐ ๐ฆ = M
!67 9:
๐( ๐! ๐! ๐#% = M
!6$ 9:
๐ ๐! ๐! ๐#% = M
!6$ 9:
๐๐ ๐!#$ (๐ โ 1)! ๐#% = M
!6$ 9:
๐(๐ โ 1 + 1) ๐!#$ (๐ โ 1)! ๐#% = ๐ M
867 9:
๐ ๐8 ๐! ๐#% + ๐ M
867 9: ๐8
๐! ๐#%
XC 2020
๐น ๐ = ๐ Po Poisson ๐ ๐ = ๐ = ๐! ๐! ๐#% Variance ce ๐ ๐ ๐น ๐( โ ๐( = M
&โ0
๐ฆ(๐ ๐ฆ โ ๐( ยง โ&โ0 ๐ฆ(๐ ๐ฆ = ๐ โ867
9: ๐ %& 8! ๐#% + ๐ โ867 9: %& 8! ๐#% = ๐( โ86$ 9: %&'( (8#$)! ๐#% + ๐ = ๐( + ๐
ยง ๐( = ๐( ยง โ&โ0 ๐ฆ(๐ ๐ฆ โ ๐( = ๐( + ๐ โ ๐( = ๐
XC 2020
๐น(๐ + ๐) = ๐น(๐) + ๐น(๐) ๐น(๐๐) = ๐๐น(๐). ๐น(๐๐ + ๐) = ๐๐น(๐) + ๐
XC 2020
ยง If ๐ is any random variable and ๐ is any constant, then ๐ ๐๐ = ๐(๐(๐), ๐ ๐ + ๐ = ๐(๐). Variance ce ๐ ๐ = ๐น ๐( โ ๐( = ๐น ๐( โ [๐น ๐ ]( ๐ ๐๐ = ๐น (๐๐)( โ [๐น ๐๐ ]( ๐น(๐๐ + ๐) = ๐๐น(๐) + ๐
XC 2020
ยง If ๐ is any random variable and ๐ is any constant, then ๐ ๐๐ = ๐(๐(๐), ๐ ๐ + ๐ = ๐(๐). Variance ce ๐ ๐ = ๐น ๐( โ ๐( = ๐น ๐( โ [๐น ๐ ]( ๐ ๐๐ = ๐น (๐๐)( โ ๐น ๐๐
( = ๐น ๐(๐( โ ๐๐น ๐ (
= ๐(๐น ๐( โ ๐( ๐น ๐
( = ๐( ๐น ๐( โ ๐น ๐ (
= ๐(๐ ๐ ๐น(๐๐ + ๐) = ๐๐น(๐) + ๐
XC 2020
ยง If ๐ is any random variable and ๐ is any constant, then ๐ ๐๐ = ๐(๐(๐), ๐ ๐ + ๐ = ๐(๐). Variance ce ๐ ๐ = ๐น ๐ โ ๐ ( = ๐น ๐ โ ๐น(๐) ( ๐ ๐ + ๐ = ๐น ๐ + ๐ โ ๐น(๐ + ๐) ( ๐น(๐๐ + ๐) = ๐๐น(๐) + ๐
XC 2020
ยง If ๐ is any random variable and ๐ is any constant, then ๐ ๐๐ = ๐(๐(๐), ๐ ๐ + ๐ = ๐(๐). Variance ce ๐ ๐ = ๐น ๐ โ ๐ ( = ๐น ๐ โ ๐น(๐) ( ๐ ๐ + ๐ = ๐น ๐ + ๐ โ ๐น(๐ + ๐) ( = ๐น ๐ + ๐ โ ๐น ๐ โ ๐ ( = ๐น ๐ โ ๐น ๐
(
= ๐(๐). ๐น(๐๐ + ๐) = ๐๐น(๐) + ๐
XC 2020
๐ ๐๐ = ๐(๐(๐) ๐ ๐ + ๐ = ๐(๐) ๐(๐๐ + ๐) = ๐(๐(๐)
XC 2020
๐ + ๐ ๐๐ Ne Need
๐น(๐๐) = ๐น(๐)๐น(๐) โฆ
Do Do not need
๐น(๐ + ๐) = ๐น(๐) + ๐น(๐) โฆ โฆ ๐พ(๐ + ๐) = ๐พ(๐) + ๐พ(๐)
XC 2020
๐ + ๐ ๐๐ Ne Need
๐น(๐๐) = ๐น(๐)๐น(๐) ๐(๐ + ๐) = ๐(๐) + ๐(๐) โฆ
Do Do not need
๐น(๐ + ๐) = ๐น(๐) + ๐น(๐) โฆ โฆ
XC 2020
Let ๐ and ๐ be random variables with finite expected values. And ๐ and ๐ are independent random variables.
๐ ๐ + ๐ = ๐น ๐ + ๐ ( โ ๐ + ๐ ( = ๐น ๐( + 2๐๐ + ๐( โ ๐ + ๐ ( = ๐น ๐( + 2๐น ๐๐ + ๐น ๐( โ ๐( โ 2๐๐ โ ๐(
๐ ๐ = ๐น ๐( โ ๐(
๐น ๐ = ๐
๐น(๐๐) = ๐น(๐)๐น(๐)
๐ ๐ + ๐ = ๐น ๐* + 2๐น ๐ ๐น ๐ + ๐น ๐* โ ๐* โ 2๐๐ โ ๐* = ๐น ๐* + 2๐๐ + ๐น ๐* โ ๐* โ 2๐๐ โ ๐* = ๐น ๐* โ ๐* + ๐น ๐* โ ๐* = ๐ ๐ + ๐(๐) ๐น ๐ = ๐ ๐น ๐ + ๐ = ๐ + ๐
XC 2020
ยง If ๐ is any random variable and ๐ is any constant, then ๐ ๐๐ = ๐(๐(๐), ๐ ๐ + ๐ = ๐(๐). ยง Let ๐ and ๐ be two in independent random
๐(๐ + ๐) = ๐(๐) + ๐(๐). ยง It can be shown that the variance
the sum
any number
mutually independent random variables is the sum
the individual variances.
XC 2020
ยง Let ๐$, ๐(, โฏ , ๐" be an independent trials process with ๐น ๐
< = ๐ and
๐ ๐
< = ๐(.
Let ๐" = ๐$ + ๐( + โฏ + ๐" be the sum, and ๐ต" = =)
" be
the
๐ ๐๐ = ๐*๐(๐) independent ๐(๐ + ๐) = ๐(๐) + ๐(๐).
๐น ๐" = โฏ
๐ ๐" = โฏ
XC 2020
ยง Let ๐$, ๐(, โฏ , ๐" be an independent trials process with ๐น ๐
< = ๐ and
๐ ๐
< = ๐(.
Let ๐" = ๐$ + ๐( + โฏ + ๐" be the sum, and ๐ต" = =)
" be
the
๐ ๐๐ = ๐$๐(๐) independent ๐(๐ + ๐) = ๐(๐) + ๐(๐).
= ๐น ๐" = ๐๐ = ๐ ๐" = ๐๐(
๐น ๐ต" = โฏ
๐ ๐ต" = โฏ, ๐ธ ๐ต" = โฏ
XC 2020
ยง Let ๐$, ๐(, โฏ , ๐" be an independent trials process with ๐น ๐
< = ๐ and
๐ ๐
< = ๐(.
Let ๐" = ๐$ + ๐( + โฏ + ๐" be the sum, and ๐ต" = =)
" be
the
= ๐น ๐" = ๐๐ = ๐ ๐" = ๐๐(
๐น ๐ต" = ๐
๐ ๐ต" = >%
" ,
๐ธ ๐ต" = >
"
XC 2020
Ber Bernoulli t tria ial ๐ ๐ฆ = O ๐, ๐ = 1 1 โ ๐, ๐ = 0 ๐ญ ๐ = ๐ ๐ ๐ = ๐ โ ๐(
Bin Binomia ial n independent Bernoulli trials = ๐น ๐" = ๐๐ = ๐ ๐" = ๐๐(
XC 2020
ยง Let ๐$, ๐(, โฏ , ๐" be an independent trials process with ๐น ๐
< = ๐ and
๐ ๐
< = ๐(.
ยง Let ๐" = ๐$ + ๐( + โฏ + ๐" be the sum, and ๐ต" = =)
" be
the
๐น ๐ต" = ๐
๐ ๐ต" = >%
" ,
๐ธ ๐ต" = >
"
๐ โ +โ ๐ ๐ต" โ โฏ ๐ธ ๐ต" โ โฏ
XC 2020