Statistica
• Docente:
• Massimiliano Grosso
• Dipartimento di Ingegneria Chimica e Materiali Università
degli Studi di Cagliari
• E-mail: [email protected]
• Telefono: 070 675 5075
• Web: http://people.unica.it/massimilianogrosso
1
Motivazioni
• Esempi di applicazioni della statistica in problemi di interesse
ingegneristico:
– Analisi di misure sperimentali
– Verifica di qualità di prodotti di fabbrica
– Studi demoscopici
– Quantificazione rischi connessi ad un processo
– Altro …
2
Statistica - M.Grosso
Cenni Teoria della probabilità
1
Definizioni preliminari
• POPOLAZIONE
• Insieme di tutte le possibili osservazioni del processo che si
intende studiare
Esempi:
– Risultati delle elezioni politiche in un paese.
– Gradimenti dei telespettatori
– Misure sperimentali, in linea di principio infinite, che possono
essere effettuate su un dato processo
– “Qualità” di un prodotto industriale (es: resistenza urti
automobili, vita componenti elettronici, etc.)
• Gli elementi della popolazione presentano delle variazioni dovute a
numerosi fattori la cui influenza non può essere prevista
→variazioni di tipo casuale
3
Definizioni preliminari
• Si possono contemplare due differenti tipi di
popolazione:
– Popolazione di tipo discreto:
• Ogni elemento della popolazione può assumere
valori interi numerabili ma non dei valori
intermedi
• Esempi di popolazioni discrete:
– Tutti i possibili (infiniti) esiti del lancio di un
Popolazione:
infiniti lanci
dado (numeri interi da 1 a 6)
– Giorni di assenza dal lavoro di un impiegato in
Popolazione:
un’azienda nell’arco dell’anno solare (numeri
tutti i
interi compresi tra 1 e 250)
dipendenti
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Cenni Teoria della probabilità
2
Definizioni preliminari
• Popolazione di tipo continuo
• Ogni elemento della popolazione può assumere un
qualunque numero reale
• Esempi di popolazione di tipo continuo:
Popolazione:
altezze
abitanti
nazione
Popolazione:
infinite
misure
sperimentali
» Altezze (in cm) della popolazione di una
nazione
» Risultati di una misura di temperatura (o
di qualunque altra grandezza fisica)
5
Definizioni preliminari
• In genere non è possibile conoscere il dettaglio di tutta la
popolazione:
– La popolazione è costituita da un insieme infinito (come nel caso
delle possibili misure sperimentali)
– È dal punto di vista pratico impossibile (come nel caso dei
gradimenti televisivi e delle elezioni politiche)
– I dati di tutta la popolazione non sono disponibili (per esempio
nella raccolta dati da una centralina di monitoraggio per gli
inquinanti essi sono presi con una certa frequenza temporale)
– Non ha comunque senso applicativo (nel caso di analisi invasive,
esempio: crash test delle vetture)
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Cenni Teoria della probabilità
3
Definizioni preliminari
• CAMPIONE
• Insieme dei valori osservati. È pertanto un sottoinsieme della
popolazione
Esempi:
– I risultati rilasciati dai cosiddetti “exit poll”
– Il campione di telespettatori selezionati dall’auditel
– Il numero finito di prove sperimentali che si è, nella realtà,
effettuato (campagna sperimentale).
– “Qualità” misurata su un numero finito di articoli prodotti
dall’industria
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Definizioni preliminari
La statistica ha lo scopo di ottenere informazioni
sulla popolazione generica a partire dalle informazioni
ottenute dal suo sottoinsieme campione.
• Interpretazione grafica
Popolazione
Statistica
Campione
Selezione campione
(es.: campagne sperimentali)
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Cenni Teoria della probabilità
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4
Teoria delle Probabilità
•
•
•
•
•
•
•
Introduzione al concetto di processo aleatorio
Definizione Variabile Aleatoria
Definizione eventi
Definizione funzione di probabilità
Introduzione Assiomi di Kolmogoroff
Probabilità condizionata
Indipendenza stocastica
Motivazioni
• Il singolo esito di un processo aleatorio non è prevedibile a
priori, anche dopo ripetute esecuzioni nelle stesse condizioni
• Si possono comunque individuare delle regolarità nell’insieme dei
risultati di un numero elevato di ripetizioni dello stesso
esperimento
• ovvero si può modellare la casualità presente in una misura
sperimentale
• La modellazione dell’errore sperimentale è una modellazione di
tipo statistico
Modellazione Popolazione
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Cenni Teoria della probabilità
5
Introduzione concetto processo aleatorio
• Esempio: Lancio dei dadi, lancio di una moneta
– L’esito di tali processi è dominato completamente dalla
casualità: nei fatti ciascun esito è imprevedibile
• Esempio: Misura sperimentale:
– L’errore sperimentale non può essere controllato ed implica
una deviazione dal valore vero che si intende misurare non
noto a priori
Schema di
un
esperimento
Valore vero della
quantità misurata
+
Errore ε
y
Misura sperimentale
ottenuta
y+ε
sperimentale
Obiettivi
• Nei prossimi lucidi si intende fornire le conoscenze di base per
modellare un’esperienza aleatoria (come può essere l’esempio
preso in esame)
• Lo sviluppo di un modello statistico per un processo è
concettualmente ben distinto dallo sviluppo di un modello
matematico di tipo deterministico.
• Scopo finale: introduzione della funzione probabilità che regola il
processo aleatorio
• Sarà necessario fare qualche richiamo di teoria degli insiemi
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Cenni Teoria della probabilità
6
Teoria della Probabilità
Modellazione Esperimento Aleatorio
• Il modello matematico di un processo aleatorio ha lo
scopo di prevedere le regolarità (statistiche) di
un’esperienza, non il singolo esito!
• Esempi:
• Lancio di un dado
– Quale è, per esempio, la frequenza della comparsa
dei lati in cui sono rappresentati i numeri pari
• Lancio di una moneta
– La frequenza della comparsa della testa e/o della
croce
• Misure sperimentali
– Il modello matematico deve prevedere, se esiste, il
trend centrale delle misure sperimentali.
Teoria della Probabilità
Spazio campione - Definizione
• L’insieme di tutti i possibili risultati che può registrare una
esperienza aleatoria prende il nome di spazio campione Ω
• Uno spazio campione può essere finito o infinito, a seconda che
esso sia costituito da un numero finito o infinito di elementi.
• Esempi:
• Lancio dei dadi:
Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6}
• Risultato di una misura sperimentale:
esempio: Misura di una temperatura in un reattore
Ω = R+
• Nel primo caso lo spazio campione è un insieme discreto finito,
nel secondo caso è un insieme infinito continuo
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità
Evento
• Un evento E è un qualunque sottoinsieme dello spazio campione Ω
• Esempi:
• Numeri pari nel lancio dei dadi:
E = {2,4,6}
• Risultati sperimentali: temperature osservate superiori a 100°
E = {T>100.0}
• Oppure che si osservi la temperatura T = 173.5°
E = 173.5°
• L’ultimo evento introdotto è un evento elementare. Per definizione,
gli eventi elementari non possono essere l’unione di altri eventi
Teoria della Probabilità
Evento
• Si possono introdurre i concetti di eventi complementari secondo
le regole di insiemistica.
EC = Ω − E
• Nel caso dei dadi:
EC = {1,3,5}
• Nel caso del primo esempio di temperatura nel reattore:
EC={Τ ≤ 100.0}
• Un evento in cui non vi siano elementi si chiama evento
impossibile e si indica con il simbolo Ø.
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Cenni Teoria della probabilità
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Rappresentazione grafica degli eventi
Insiemistica - Diagrammi di Venn
A
E
ω
B
Ω
ω evento elementare
Ω
A « B
ωÕEŒΩ
B
A
B
A
Ω
Ω
A « B
A » B
Rappresentazione grafica degli eventi
Insiemistica - Diagrammi di Venn
B
A
E
Ω
Ω
Ec = Ω − E:
A − B
Ec: Evento complementare
A
B
B
A
Ω
A » B = Ø
Ω
BÃA
A e B mutuamente esclusivi
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della probabilità – Spazio
campione, Eventi, Spazio degli Eventi
• Il modello dell’esperimento aleatorio deve permettere la
previsione della frequenza con la quale si verifica ogni evento di
interesse
• L’evento Ω, evento certo, si verifica sempre
• L’evento Ø (insieme vuoto), evento impossibile, non si verifica
mai
• L’evento {ω} si chiama evento elementare
• Lo spazio degli eventi S è definito come l’insieme di tutti gli
eventi, elementari e non, associati ad un processo aleatorio.
Teoria della probabilità –Spazio degli
Eventi
• Esempio: nel caso del lancio del dado lo spazio S di tutti i
possibili eventi
– S = {{1}, {2}, {3}, {4}, {5}, {6}, {1,2}, {2,3}, …, {5,6}, {1,2,3},
{2,3,4}, … , {1,2,3,4,5,6}}
• In generale S gode delle seguenti proprietà:
– ΩœS
– A œ S → AC œ S
– A1, A2 œ S → A1 » A2 œ S
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità – Definizione
Probabilità – Approccio frequentista
• Il concetto di probabilità emerge direttamente dal concetto di
frequenza relativa.
• Consideriamo il caso dei lanci dei dadi ed effettuiamo 10 lanci.
2, 3, 6, 3, 2, 2, 2, 2, 6, 5
• È possibile valutare la percentuale di volte che si è verificato un
dato evento elementare tramite la sua frequenza relativa:
f ({ω}) =
N ({ω})
N
• Essendo
– N({ω}) il numero di volte che si verifica l’evento {ω}
– N il numero totale di esperienze
Teoria della Probabilità – Definizione
Probabilità – Approccio frequentista
• Si può rappresentare la frequenza relativa su un istogramma:
0.6
frequenza
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1
2
3
4
5
6
• È possibile anche valutare le frequenze relative di altri eventi
diversi da quelli elementari
• Esempio: Pari e Dispari
0.8
f
0.6
0.4
0.2
0.0
(1, 3, 5)
(2, 4, 6)
Dispari/Pari
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità – Definizione
Probabilità – Approccio frequentista
• Considerando un campione di dati sperimentali di dimensioni
maggiori (per esempio n=50), si ottiene un istogramma per le
frequenze relative di questo tipo:
0 .2 5
frequenza
0 .2 0
0 .1 5
0 .1 0
0 .0 5
0 .0 0
1
2
3
4
5
6
• All’aumentare del numero di prove sperimentali emerge una certa
struttura nel grafico
Teoria della Probabilità – Definizione
Probabilità – Approccio frequentista
• Teoricamente per n → ∞ la struttura della frequenza relativa
non cambia più.
0 .2 0
frequenza
0 .1 6
0 .1 2
0 .0 8
0 .0 4
0 .0 0
1
2
3
4
5
6
• La frequenza con cui si verifica un evento elementare rimane
costante all’aumentare delle prove.
• Questo è vero anche per tutti gli elementi dello spazio degli
eventi S (per esempio: numeri pari/dispari etc.)
Statistica - M.Grosso
Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità
Definizione Probabilità
Definizione frequentista della funzione probabilità:
• È possibile quindi definire in modo rigoroso la funzione
probabilità del processo casuale in esame:
P(E ) = lim f (E ) = lim
N →∞
N →∞
N (E )
N
• Si definisce spazio delle probabilità la tripletta (Ω, S, P(·))
• Per definizione la funzione di probabilità è una funzione:
P( ⋅ ) : E ∈ S → [0,1]
Teoria della Probabilità
Assiomi di Kolmogoroff (1933)
• Una volta introdotto il concetto di probabilità per un evento di
un processo stocastico, tutta la teoria della probabilità può
essere sviluppate partendo da tre assiomi fondamentali:
1.
0 ≤ P(E) ≤1 ∀E
2.
P(Ω ) = 1
3.
P ( A ∪ B ) = P ( A) + P (B )
se A ∩ B = 0
Nel caso di spazi campioni infiniti la 3. può essere scritta:
⎛
3 bis. P ⎜
⎝
∞
UE
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Cenni Teoria della probabilità
j =1
j
⎞
⎟ = ∑ P(Ej )
⎠ j
se
Ei ∩ Ek = 0 ∀ i, k
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Teoria della Probabilità
Assiomi di Kolmogoroff (1933)
• Sfruttando gli assiomi di Kolmogoroff è possibile ricavare tutte
le proprietà della probabilità:
• Esempio – Regola per insiemi complementari
( )
P AC = 1 − P ( A )
• Dimostrazione:
A ∪ AC = Ω
e
A ∩ AC = 0
( )
P(Ω ) = 1 = P( A) + P AC
Teoria della Probabilità
Proprietà da Assiomi di Kolmogoroff
• Altre proprietà che possono essere ricavate:
1. Regola di addizione per un numero finito di eventi mutualmente
esclusivi:
Ai ∩ Ak = 0 ∀ i, k
n
n
⇒ P⎛⎜ U Aj ⎞⎟ = ∑ P( Aj )
⎝ j =1 ⎠ j =1
2. Regola di addizione per eventi arbitrari
P ( A ∪ B ) = P ( A) + P (B ) − P ( A ∩ B )
3. Probabilità dell’evento impossibile: P(Ø) = 0
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità
Proprietà da Assiomi di Kolmogoroff
4. Probabilità per insiemi inclusi:
P ( A) ≤ P ( B )
A, B ∈ S e A ⊂ B ⇒
5. Disuguaglianza di Boole:
A1 , A2 ,K, An ,∈ S
⇒ in generale :
n
n
P⎛⎜ U Ai ⎞⎟ ≤ ∑ P( Ai )
⎝ i =1 ⎠ i =1
6. Altre proprietà che si possono ricavare:
P( A ∩ B ) ≤ P( A)P(B )
P( A)P(B ) ≥ P( A) + P(B ) − 1
Teoria della Probabilità
Definizione Probabilità Condizionata
• Probabilità che si verifichi B se A si è verificato:
P (B A) =
P( A ∩ B )
P ( A)
1)
• In maniera analoga si può definire la probabilità dell’evento A
condizionato dall’evento B.
P(A B ) =
P( A ∩ B )
P (B )
2)
• La 1) e la 2) sono valide se, rispettivamente, P(A)≠0 e P(B)≠0
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità
Definizione Probabilità Condizionata
•
Le probabilità condizionate sono delle funzioni probabilità
dato che soddisfano gli assiomi di Kolmogoroff per un
qualunque insieme M
1. P(A|M) ≥ 0 per ogni evento A
2. P(Ω|M) = 1
3. Nel caso A e B disgiunti
–
•
•
P(A » B|M) = P(A|M) + P(B|M)
Se B ΠA allora P(A|B) = 1
Se {Ai … M}, Ai = 1,2, … sono mutualmente esclusivi, allora
P(A1 » A2 » … |M) = P(A1|M) + P(A2|M) + …
Teoria della Probabilità
Probabilità condizionata
• Esempio:
• Uno scatola contiene 10 viti di cui 3 difettose. Estraiamo due viti
a caso. Determinare la probabilità che nessuna vite estratta sia
difettosa
•
•
•
•
Evento A: Prima vite non difettosa
Evento B: Seconda vite non difettosa
P(A)=7/10
Una volta estratta 1 vite restano nella scatola 9 viti quindi:
P(B|A)=6/9=2/3
• La probabilità che anche la seconda vite sia difettosa è quindi:
P(A…B)=P(A) P(B|A)=47%
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità
Indipendenza stocastica
• La nozione di indipendenza stocastica di eventi è fondamentale
nella teoria della probabilità e nella pratica della
sperimentazione:
Definizione: Due eventi si dicono indipendenti se:
P ( A ∩ B ) = P ( A) P ( B )
• Dalla definizione di probabilità condizionata:
P(A…B)=P(B) P(A|B)
• Nel caso in cui P(A…B)=P(A) P(B) si ottiene:
P(A|B)=P(A).
• Ovvero qualunque cosa accada a B essa non dà informazioni su A.
Quindi A e B sono indipendenti
Teoria della Probabilità
Indipendenza stocastica
• Esempio:
• Riesaminiamo l’esempio delle viti considerando di reimmettere
nella scatola la vite estratta inizialmente.
• Intuitivamente, questo implica la perdita di informazione
acquisita con il precedente risultato
• P(A) = P(B) = 0.7
• P(A…B) = P(A) P(B) = 49 %
• Nota: Non si devono confondere eventi disgiunti con eventi
indipendenti.
• Infatti due eventi disgiunti non sono indipendenti:
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Cenni Teoria della probabilità
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Teoria della Probabilità
Indipendenza stocastica
• Da notare la profonda differenza concettuale tra i due esempi
• Nel primo caso, il verificarsi di un evento condiziona la
probabilità degli eventi successivi.
• Nel secondo caso, il reimmettere la vite nel contenitore azzera
le informazioni acquisite nella prima esperienza.
• Informazioni pregresse, da un punto di vista logico, possono
implicare dipendenza tra i dati sperimentali.
Teoria della Probabilità - Indipendenza
stocastica – Esempi con i diagrammi di Venn
B
A
B
A
Ω
P(A|B) = 1
P(B|A) = P(A…B)/P(A) = P(B)/P(A)
B
A
Ω
A
B
Ω
P(A|B) ≠ P(A)
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Cenni Teoria della probabilità
Ω
P(A|B) = P(B|A) = 0
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