Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale Esercitazione 12 Statistica Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Alfonso Iodice D’Enza [email protected] Esercizio 3 Esercizio 4 Università degli studi di Cassino A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 1 / 27 Outline Esercitazione 12 A. Iodice 1 La variabile casuale Normale La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 2 / 27 Outline Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 1 La variabile casuale Normale 2 Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 2 / 27 Outline Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale 1 La variabile casuale Normale 2 Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 3 Approssimazione Binomiale-Normale Esercizio 3 Esercizio 4 Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 2 / 27 Variabile casuale Normale Esercitazione 12 Una v.c. continua X una v.c. Normale o Gaussiana, di parametri µ e σ 2 , se definita la funzione di densità A. Iodice La variabile casuale Normale 2 1 (x−µ) 1 f (x0 ) = √ e− 2 σ2 2πσ 2 Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 con −∞ < x < +∞, X ∼ N (µ, σ 2 ) E’ possibile definire il valore atteso e la varianza della Normale che corrispondono ai parametri della distribuzione, dal momento che E(X) = µ e V ar(X) = σ 2 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 3 / 27 Variabile casuale Standardizzata Esercitazione 12 A. Iodice Data la v.c. continua X Ñ (µ, σ 2 ), la standardizzazione di X, ovvero Z = X−µ rappresenta la Normale Standardizzata σ Z Ñ (0, 1), con funzione di densità La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale 1 2 1 φ(z) = √ e− 2 w dw ; −∞ < z < +∞ 2π Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 I valori della funzione di ripartizione (funzione di distribuzione cumulata) della normale standardizzata sono riportate sulle tavole statistiche. A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 4 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 5 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale In seguito ad uno studio interno di un istituto bancario è stato rilevato che i tempi di attesa per le operazioni di sportello si distribuiscono secondo una Normale con media pari a 20 e varianza pari a 9. Qual’è la probabilità che il tempo di attesa... Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 superi i 25 minuti; sia inferiore ai 16 minuti; sia compreso tra 18 e 21 minuti. A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 6 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 superi i 25 minuti; A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 7 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale superi i 25 minuti; Utilizzo delle tavole della normale la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercizio 1 Esercizio 2 z= Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () 25 − 20 3 = 1.667 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. Esercitazione 12 Statistica 8 / 27 La v.c. Normale superi i 25 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercitazione 12 A. Iodice z= La variabile casuale Normale 25 − 20 3 = 1.667 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 8 / 27 La v.c. Normale superi i 25 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercitazione 12 A. Iodice z= La variabile casuale Normale 25 − 20 3 = 1.667 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 8 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale superi i 25 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Utilizzo delle tavole della normale z= 25 − 20 Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 3 = 1.667 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. P (Z ≥ 1.66) = 1 − P (Z ≤ 1.66) = 1 − 0.95254 = 0.047 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 8 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 sia inferiore a 16 minuti; A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 9 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale sia inferiore a 16 minuti; Utilizzo delle tavole della normale la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercizio 1 Esercizio 2 z= Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () 16 − 20 3 = −1.33 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. Esercitazione 12 Statistica 10 / 27 La v.c. Normale sia inferiore a 16 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercitazione 12 A. Iodice z= La variabile casuale Normale 16 − 20 3 = −1.33 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 10 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale sia inferiore a 16 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Utilizzo delle tavole della normale z= 16 − 20 Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 3 = −1.33 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. P (Z ≥ −1.33) = P (Z ≤ 1.33) = 0.90824 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 10 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 sia compreso tra 18 e 21 minuti; A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 11 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale sia compreso tra 18 e 21 minuti; Utilizzo delle tavole della normale la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercizio 1 Esercizio 2 z1 = Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 18 − 20 3 = −0.66 e z1 = 21 − 20 3 = 0.33 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 12 / 27 La v.c. Normale sia compreso tra 18 e 21 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercitazione 12 A. Iodice z1 = La variabile casuale Normale 18 − 20 3 = −0.66 e z1 = 21 − 20 3 = 0.33 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 12 / 27 La v.c. Normale sia compreso tra 18 e 21 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Esercitazione 12 A. Iodice z1 = La variabile casuale Normale 18 − 20 3 = −0.66 e z1 = 21 − 20 3 = 0.33 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 12 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale sia compreso tra 18 e 21 minuti; la prima operazione da fare è standardizzare il problema Utilizzo delle tavole della normale z1 = 18 − 20 3 = −0.66 e z1 = 21 − 20 3 = 0.33 Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A questo punto è possibile utilizzare le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare la probabilità di interesse. P (−0.66 ≤ Z ≤ 0.33) = P (Z ≤ 0.33) − P (Z ≤ −0.66) = P (Z ≤ 0.33) − [1 − P (Z ≤ 0.66)] = 0.629 − (1 − .745) = 0.37 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 12 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale Si consideri una variabile casuale X distribuita secondo una Normale con µ = 8 e σ = 3. Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 indicare i quartili della distribuzione; Approssimazione BinomialeNormale indicare il 95o percentile; Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 13 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 Primo quartile A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 14 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 Secondo quartile=mediana=media A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 15 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 Terzo quartile A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 16 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 indicare i quartili della distribuzione Con l’aiuto delle tavole è necessario trovare i valori corrispondenti a A. Iodice Z0.25 Z0.5 Z0.75 La variabile casuale Normale Essendo una distribuzione Normale, la mediana coincide con la media quindi Z0.5 = 0.Utilizzando le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare i valori di Z restanti, Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 Quindi... per la simmetria della curva Normale risulta essere inoltre Z0.25 = −0.675. Per trovare i valori corrispondenti della variabile casuale X si utilizza la formula inversa di standardizzazione A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 17 / 27 La v.c. Normale indicare i quartili della distribuzione Con l’aiuto delle tavole è necessario trovare i valori corrispondenti a Esercitazione 12 A. Iodice Z0.25 Z0.5 Z0.75 La variabile casuale Normale Essendo una distribuzione Normale, la mediana coincide con la media quindi Z0.5 = 0.Utilizzando le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare i valori di Z restanti, Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 17 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 indicare i quartili della distribuzione Con l’aiuto delle tavole è necessario trovare i valori corrispondenti a A. Iodice Z0.25 Z0.5 Z0.75 La variabile casuale Normale Essendo una distribuzione Normale, la mediana coincide con la media quindi Z0.5 = 0.Utilizzando le tavole della distribuzione normale stardizzata per trovare i valori di Z restanti, Utilizzo delle tavole della normale Quindi... Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 = 0.675 per la P (Z ≤ Z0.75 ) = 0.75 da cui Z0.75 = 0.67+0.68 2 simmetria della curva Normale risulta essere inoltre Z0.25 = −0.675. Per trovare i valori corrispondenti della variabile casuale X si utilizza la formula inversa di standardizzazione X0.5 = 8 X0.25 = Z0.25 σ + µ = −0.675 × 3 + 8 = 5.975 X0.75 = Z0.75 σ + µ = 0.675 × 3 + 8 = 10.025 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 17 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 indicare il 95o percentile A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 18 / 27 La v.c. Normale indicare il 95o percentile Esercitazione 12 Con l’aiuto delle tavole è necessario trovare il valore corrispondente a 0.95 A. Iodice Ricorrendo alle tavole... La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 19 / 27 La v.c. Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale indicare il 95o percentile Con l’aiuto delle tavole è necessario trovare il valore corrispondente a 0.95 Utilizzo delle tavole della normale Quindi... Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Z0.95 = X Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () 1.64+1.65 2 = 1.645 Per ottenere il valore della variabile X0.95 = Z0.95 σ + µ = 1.645 × 3 + 8 = 12.935 Esercitazione 12 Statistica 19 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Esercitazione 12 Sia X una variabile casuale distribuita secondo una Binomiale di parametri n = 25 e p = 0.6. E possibile approssimare X con una v.c. continua Y ∼ N (µ∗ , σ 2∗ ) dove µ∗ = n × p = 25 × 0.6 = 15 A. Iodice La variabile casuale Normale σ 2∗ = n × p × (1 − p) = 25 × 0.6 × 0.4 = 6 √ σ ∗ = 6 = 2.45 Si supponga di essere interessati a P (X ≤ 13). calcolo Normale Utilizzo delle tavole della normale Per utilizzare l’approssimazione normale è necessario standardizzare il problema Esercizio 1 Esercizio 2 calcolo Binomiale X − µ∗ 13 − 15 Z = = = −0.82 dunque, Approssimazione σ∗ 2.45 Utilizzando il calcolo Binomiale si ha BinomialeP (X ≤ 13) ≈ P (Y ≤ 13) = P (Z ≤ −0.82) = 0.206 Normale 13 X Esercizio 3 25 x 25−x P (X ≤ 13) = × 0.6 × 0.4 = Esercizio 4 Effettuando una correzione di continuità pari a 0.5 x x=0 = 0.267 X + 0.5 − µ∗ 13.5 − 15 = = −0.61 σ∗ 2.45 P (X ≤ 13) ≈ P (Y ≤ 13.5) = P (Z ≤ −0.61) = 0.271 Z = Evidentemente 0.271 rappresenta un’approssimazione migliore di 0.267 rispetto a 0.206. A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 20 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Esercitazione 12 Probabilità calcolate con p.m.f. Binomiale e con al c.d.f. Normale: l’area in A. Iodice blue rappresenta la probabilità che si perderebbe approssimando senza correzione della continuità: in particolare l’area vale 0.267 − 0.206=0.061 La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 21 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale Si consideri l’esperimento consistente nel lancio di una moneta 120 volte. Trovare la probabilità che esca testa Utilizzo delle tavole della normale tra il 40% e il 60% dei lanci; Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale più di dei 5 8 del totale dei lanci. Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 22 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Esercitazione 12 tra il 40% e il 60% dei lanci; A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 23 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Esercitazione 12 tra il 40% e il 60% dei lanci; È possibile determinare tale probabilità in due modi diversi. Il primo modo consiste nell’utilizzare l’approssimazione della binomiale alla normale. La v.c. numero di teste in 120 lanci si distribuisce come una binomiale di parametri (n = 120, p = 12 ). Il numero di successi corrispondenti al 40% del totale di 120 prove è 48, mentre il 60% corrisponde a 72. A. Iodice La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale correzione della continuità Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 La v.c. numero di teste è discreta,anche se approssimata da una v.c. continua. Si è interessati alla probabilità che essa assuma valori compresi nell’interallo [47.5, 72.5] al fine di includere nel calcolo gli estremi 48 e 72. I parametri della normale cui si p approssima la binomiale sono µ = np = 120 × 12 = 60 e σ = np(1 − p) = 120 × 12 12 = 5.48. Standardizzando i valori z1 = 72.5 − 60 47.5 − 60 = −2.28 e z2 = = 2.28 5.48 5.48 Dalla simmetria della normale, segue che P (−2.28 <= X <= 2.28) = 2 × P (0 <= X <= 2.28) = 2 × 0.4887 = 0.9774. A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 24 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Il secondo metodo consiste nel ricorrere alla distribuzione delle proporzioni q p(1−p) campionarie, la cui media è data da µp = p e σp = . q N 0.25 Rispetto ai dati del problema µp = p = 0.5 e σp = = 0.0456. 120 Standardizzando il problema rispetto ai parametri della distribuzione campionaria Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale z1 = Utilizzo delle tavole della normale La probabilità corrispondente è P (−2.19 <= X <= 2.19) = 2 × P (0 <= X <= 2.19) = 2 × 0.4857 = 0.9714. Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 0.4 − 0.5 0.6 − 0.5 = −2.19 e z2 = = 2.19 0.0456 0.0456 correzione di continuità Il risultato non coincide con quanto ottenuto utilizzando l’approssimazione della binomiale alla normale perchè la v.c. proporzione è una variabile discreta. Per tenere conto di questo bisogna sottrarre (1/2N ) = 1/(2 × 120) = 0.00417 a 0.4 ed aggiungere la stessa quantità a 0.6. Pertanto gli estremi dell’intervallo di valori standardizzati è z1 = 0.4 − 0.00417 − 0.5 0.6 + 0.00417 − 0.5 = −2.28 e z2 = = 2.28 0.0456 0.0456 Che porta alla coincidenza tra i risultati nei due metodi. A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 25 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Esercitazione 12 più di dei A. Iodice 5 8 del totale dei lanci. La variabile casuale Normale Utilizzo delle tavole della normale Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 26 / 27 Approssimazione della Binomiale alla Normale Esercitazione 12 A. Iodice La variabile casuale Normale più di dei Utilizzo delle tavole della normale del totale dei lanci. La proporzione corrispondente a 58 = 0.6250. Standardizzando il problema tenendo conto del fatto che la proporzione è una variabile discreta si ottiene Esercizio 1 Esercizio 2 Approssimazione BinomialeNormale Esercizio 3 Esercizio 4 5 8 z= 0.6250 − 0.00417 − 0.5 = 2.65 0.0456 La probabilità corrispondente è P (z >= 2.65) = 1 − P (z < 2.65)=1-0.996=0.004 A. Iodice () Esercitazione 12 Statistica 27 / 27