Statistica economica
a.a. 2013/14
00B. Richiami di teoria della probabilità e
variabili casuali
Introduzione al concetto di probabilità
nelle strategie aziendali
L’azienda che vende articoli di abbigliamento per giovani
può essere interessata a conoscere le decisioni di
consumo dei giovani per la prossima stagione autunnoinverno.
In particolare la direzione marketing vuole studiare le
intenzioni di acquisto da parte dei consumatori di un nuovo
giaccone di pelle e verificare se il giaccone viene poi
effettivamente acquistato nel corso della stagione
invernale
Qual è la probabilità che un consumatore programmi l’acquisto di
un giaccone di pelle nella stagione autunno/inverno 2010/2011?
Qual è la probabilità che un consumatore acquisti effettivamente
il giaccone?
Qual è la probabilità che un consumatore pianifichi l’acquisto del
giaccone e lo acquisti effettivamente?
2
Probabilità
Grado di incertezza connesso al risultato
scaturito da una prova
Concetti primitivi di probabilità
Per prova si intende ogni esperimento soggetto ad incertezza
Per evento si intende uno dei possibili risultati della prova;
Per probabilità si intende un numero compreso tra 0 a 1 associato al
verificarsi di un evento
Legame tra esperimento, evento e probabilità:
L’esperimento genera l’evento con una certa probabilità;
3
Alcune nozioni di Probabilità
• Esperimento, spazio campionario, evento
Esperimento casuale: operazione (attività) la cui manifestazione o il cui risultato
non può essere previsto con certezza;
L’esempio classico che si fa per comprendere tale nozione è quella del lancio di un dado. Si tratta infatti di una
operazione la cui esecuzione può dar luogo ad uno dei seguenti risultati {1,2,3,4,5,6} ma non si è in grado di
prevedere con certezza il risultato che si avrà in un determinato lancio;
Evento elementare: uno dei possibili risultati di un esperimento aleatorio;
Spazio campionario Ω: insieme di
che un esperimento casuale può generare;
tutti
i
possibili
eventi
elementari
Lo spazio campionario ha pertanto le caratteristiche di esaustività (nel senso che comprende tutti i
possibili eventi elementari) e di mutua escludibilità dei risultati (il verificarsi di un dato evento
elementare esclude il verificarsi di tutti gli altri).
Nell’esempio del lancio di un dado lo spazio campionario Ω è costituito dagli eventi elementari
Ω={1,2,3,4,5,6} ;
4
Impostazione assiomatica della probabilità (Kolmogorov,
1933)
Nella definizione assiomatica di probabilità si fissano delle regole
(assiomi o postulati) che devono essere rispettate perché si possa
parlare di probabilità. Quantificarla, caso per caso, è un problema
distinto.
•Postulati del calcolo delle probabilità:
Siano Ei,, i=1,2,…,n eventi di Ω. La probabilità di un evento E è definita come
una funzione a valori reali P(E) definita sulla classe degli eventi dello spazio
campionario che soddisfa le seguenti proprietà:
i) P ( Ei ) ≥ 0 ∀Ei ⊂ Ω;
ii) P (Ω) = 1;
iii) P( Ei ∪ E j ) = P ( Ei ) + P ( E j ) se Ei ∩ E j = ∅ , ∀i ≠ j
Il valore della probabilità P(E) sarà quindi sempre compreso tra 0 e 1
5
Proprietà della probabilità fornite dai 3 postulati
A.
Per ogni evento A ∈ Ω:
P(A) = 1 − P(A)
B. La probabilità dell’evento impossibile ∅ (insieme vuoto) è
nulla:
P(∅) = 0
C.
Per ogni evento A ∈ Ω :
0 ≤ P(A) ≤ 1
D. Se A1 e A 2 sono due eventi di
Ω:
P(A1 ∪ A 2 ) = P(A1 ) + P(A 2 ) − P(A1 ∩ A 2 )
A1 ∩ A 2
A1
A2
6
Variabile casuale (o aleatoria)
Una variabile casuale (o variabile aleatoria) X è una funzione
definita sullo spazio campionario Ω che associa ad ogni
evento elementare ωi ⊂ Ω un numero reale
Variabile casuale discreta: una v.c. X si dice discreta se può assumere un
numero finito o una infinità numerabile di valori. Lo spazio campionario Ω su
cui è definita la v.c. sarà quindi discreto.
Ad esempio nella prova “lancio simultaneo di due dadi” possiamo definire la v.c. X come la somma dei
punteggi ottenuti in ciascun dado. La variabile casuale può assumere 11 possibili valori interi (la somma dei
punteggi di due dadi può assumere valori compresi tra 2 e 12).
Variabile casuale continua: una v.c. X si dice continua se può assumere tutti i
valori compresi in un determinato intervallo di numeri reali. Lo spazio
campionario Ω su cui è definita la v.c. sarà quindi continuo.
Consideriamo la prova consistente nel rilevare il peso di una persona adulta. Lo spazio campionario di questa prova è continuo
poiché contiene una infinità non numerabile di eventi. La variabile casuale Y “peso” può assumere infatti tutti i valori reali compresi,
supponiamo tra 40 e 200 Kg.
Ancora, l’altezza in cm di uno studente universitario può essere un numero reale compreso tra 140 e 210;
7
Variabili casuali discrete
La funzione di probabilità di una v.c. X
mette in relazione i valori assunti da X con
le corrispondenti probabilità
Valori della v.c. X
P(x)
x1
x 2 ........ x i ....
P(x1 ) P(x 2 ) ........ P(x i ) ....
La f. di probabilità P associa ad ogni valore
xi la probabilità P(X=xi)
Proprietà:
P(X = xi ) ≥ 0
∑ P(X = x ) = 1
i
i
Esempio: costruzione della variabile casuale discreta “somma dei
punteggi ottenuti dal lancio di due dadi”
8
Funzione di ripartizione
La f. di ripartizione di una v.c. X mette in relazione i
valori assunti da X con le corrispondenti probabilità
cumulate
∑ P(X = w)
F(x) = P(X ≤ x) =
w≤ x
La f. di ripartizione F associa ad ogni valore x la
probabilità
P(X ≤ x)
Proprietà:
F(x) è non decrescente
lim F(x) = 0;
x → −∞
lim F(x) = 1
x →∞
F(x) è continua a destra
9
Misure sintetiche della distribuzione di
probabilità di una v.c. discreta
Valore medio o atteso (Expected Value)
E(X) = ∑ xiP(xi )
Confronta con la
formula della
media di una distr.
di freq. rel.
i
Varianza
V(X) =
2
∑ (x
2
i
− E(X)) P(xi )
σ =
K
x=
x j fj
∑
j=1
K
∑ (x
− x ) fj
2
j
j=1
i
Deviazione standard
SD(X) =
V(X)
Confronta con la
formula della
varianza di una distr.
di freq. rel.
10
Funzione di probabilità come distribuzione
delle freq. relative (1/2)
Nei primi 50 giorni
dell’anno 2009, il
direttore di una
concessionaria ha
registrato il numero di
auto vendute
giornalmente.
Il risultato di questa
operazione di conteggio
dà origine alla
seguente distribuzione
di frequenza
Valori
(numero
di auto
vendute)
Frequenze
assolute
Frequenze
relative
(numero di
giorni)
0
18
0,36
1
18
0,36
2
8
0,16
3
3
0,06
4
2
0,04
5
1
0,02
50
1,00
11
Funzione di probabilità come distribuzione
delle freq. relative (2/2)
Esperimento casuale:
scelta casuale di uno dei 50
giorni (campione di ampiezza
1)
Il numero di auto vendute nel
giorno scelto è una v.c.
La sua f. di probabilità
coincide con la distribuzione
delle frequenze relative
xi
(numero
di auto
vendute)
Frequenze
assolute
(numero di
giorni)
P(x)
0,36
0,16
Probabilità
P(X=xi)
0
18
0,36
1
18
0,36
2
8
0,16
3
3
0,06
4
2
0,04
5
1
0,02
50
1,00
0,06
0,04
0,02
0
1
2
3
4
5
In corrispondenza di ogni valore, la barra
verticale ha un’altezza proporzionale alla
probabilità.
La somma di tutte le barre è pari a 1
x
12
Funzione di ripartizione
Calcolo dei valori caratteristici
Probabilità
P(x)
Probabilità
cumulate
F(x)
xiP(xi)
(xi-E(X))2 P(xi)
0
0,36
0,36
0
0,45
1
0,36
0,72
0,36
0,01
2
0,16
0,88
0,32
0,12
3
0,06
0,94
0,18
0,21
4
0,04
0,98
0,16
0,33
5
0,02
1,00
0,10
0,30
1,12
1,42
x
(numero
di auto
vendute)
1,00
F(2)=0,88
La probabilità di vendere al massimo 2
auto in un giorno qualsiasi è pari a 0,88
∑ x P(x ) = 1,12
V(X) = ∑ (x − E(X)) P(x ) = 1,42
E(X) =
i
i
i
2
i
i
i
SD(X) =
V(X) = 1,19
13
Modelli per variabili casuali discrete
• Variabile casuale di Bernoulli
La v.c. di Bernoulli trae origine da una prova nella quale ha interesse
esclusivamente verificare se un certo evento si è o meno verificato. La
v.c. generata assume, convenzionalmente, valore 1 se l’evento si è
verificato (successo) e valore 0 se invece l’evento non si è verificato
(insuccesso).
Tutte le prove che producono solo due possibili risultati generano v.c. di
Bernoulli: il lancio di una moneta, il sesso di un nascituro, il superamento
o meno di un certo livello di inflazione, il superamento di un esame
universitario, la decisione di acquistare (o meno) un determinato
prodotto
14
V.c. di Bernoulli
Evento
A
A
Valore della v.c.
1
0
Probabilità
π
1- π
La sua funzione di probabilità può essere espressa come
P ( X = x ) = π x (1 − π)1− x
per x = 0,1
Valori sintetici
E(X) = ∑ x ⋅ f (x) = 1 ⋅ π + 0 ⋅ (1 − π) = π
x
V(X) = ∑ (x − E(X)) 2 ⋅ f (x) = (1 − π) 2 ⋅ π + (0 − π) 2 ⋅ (1 − π) =
x
= π(1 − π)
15
• Variabile casuale Binomiale
La v.c. Binomiale può essere ottenuta come la somma di v.c. di Bernoulli
indipendenti e identicamente distribuite. Pertanto se per n volte si ripete
nelle medesime condizioni lo schema successo-insuccesso si genera una
sequenza di n sottoprove indipendenti a ciascuna delle quali si può
associare una v.c. di Bernoulli.
Lo schema binomiale può essere assimilato all’estrazione con ripetizione
di n palline da un’urna che ne contiene H di cui b bianche e H-b nere dove
p=b/H indica la probabilità (costante) di estrarre una pallina bianca in
ciascuna estrazione.
16
Variabile casuale binomiale
Si effettuano n prove. In ognuna si può presentare l’evento A o
“successo” con probabilità p oppure l’evento A o “insuccesso” con
probabilità 1- p. Il risultato di ogni prova non è influenzato dalle
prove precedenti né influisce su quelle successive.
La v.c. binomiale esprime il numero di successi in n prove, a
prescindere dall’ordine con cui si presentano.
La sua funzione di probabilità è
n x
P ( X ) = ⋅ π (1 − π )n − x
x
X~Bin(n,p),
X=0,1,2,…n
0<π<1
x! = 1 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ ... ⋅ (x − 1) ⋅ x
n
n!
=
Si assume che: 0! = 1
x
!
(
n
−
x
)
!
coefficiente binomiale x
ovvero, considerando l’espressione del coefficiente binomiale:
n!
P( X ) =
⋅ π x (1 − π )n − x
x! n − x!
17
Quindi la v.c. binomiale :
è una variabile casuale discreta, che può assumere tutti i
valori interi compresi tra 0 (nessun successo) e n (tutte le
prove hanno avuto successo);
è caratterizzata da due parametri: π (la probabilità di un
successo in una singola prova) e n (il numero totale di
prove);
può essere vista come la somma di n v.c. bernoulliane
simili (stesso parametro π) e indipendenti.
VALORE ATTESO
E ( X ) = E ( X1 + X 2 + K + X n ) = π + π + ........ + π = nπ
VARIANZA
V ( X ) = V ( X1 + X 2 + K + X n ) = π(1 − π) + π(1 − π) + ..... + π(1 − π ) = nπ(1 − π )
18
Esempio distribuzione Binomiale
Gli ordini di un’azienda sono classificati come
corretti o non corretti
Estrazione di un campione di 5 ordini
(assimilabile a 5 estrazioni indipendenti con
reimmissione)
π=0,8 prob. che un ordine sia corretto (nota
dal comportamento passato)
Qual è la probabilità di avere 3 ordini corretti?
X~Binomiale(0,8;5)
x = 0,1,2,...,5
5
P(X = 3) = 0,83 (1 − 0,8)5−3 = 0,20
3
19
Esempio distribuzione Binomiale
Qual è la probabilità di avere almeno 3 ordini
corretti?
X~Binomiale(0,8;5)
x = 0,1,2,...,5
P(X ≥ 3) = P(X = 3) + P(X = 4) + P(X = 5) =
5 3
5
5 5
5 −3
4
5− 4
= 0,8 (1 − 0,8) + 0,8 (1 − 0,8) + 0,8 (1 − 0,8)5−5 =
3
4
5
= 0,20 + 0,41 + 0,33 = 0,94
Qual è la probabilità di avere al massimo 2
ordini corretti?
P(X ≤ 2) = 1 − P(X ≥ 3) = 1 − 0,94 = 0,06
20
La v.c. Binomiale in Excel
La funzione
DISTRIB.BINOM(x;n;π;cumul) calcola le
probabilità della distribuzione binomiale
x è il numero di successi
n è il numero delle prove
π è la prob. di successo in una singola prova
cumul={0;1}
Se cumul=0, si ottiene la f. di probabilità
P(X=x)
Se cumul=1, si ottiene la f. di probabilità
cumulata P(X ≤ x)
21
Variabile casuale continua
Variabile casuale continua: una v.c. X si dice continua se può assumere tutti i valori
compresi in un determinato intervallo di numeri reali. Lo spazio campionario Ω su cui è
definita la v.c. sarà quindi continua.
Le variabili casuali continue presentano una maggiore complessità poiché
per esse non è possibile elencare tutti i valori che la v.c. assume, essendo
una infinità non numerabile;
Occorre quindi assegnare la probabilità ad intervalli sull’asse reale e
derivare poi le probabilità degli eventi che interessano;
Esempi di v.c. continua
Dall’insieme dei debiti verso i fornitori di un’azienda, il revisore estrae casualmente un
valore. Questo importo è una v.c. continua
Dall’elenco dei dipendenti di una ditta, l’Ufficio Stipendi ne estrae casualmente uno e
legge il suo salario. Il salario di un dipendente estratto a caso è una v.c. continua
22
Variabile casuale continua
Nell’ambito delle v.c. continue piuttosto che assegnare una
misura di probabilità ai singoli valori, ha senso pertanto assegnare
una misura di probabilità a tutti i possibili intervalli sull’asse reale;
Definiamo funzione di densità della v.c. continua X la
funzione f(x) per cui l’area sottesa alla funzione,
corrispondente ad un certo intervallo, è proporzionale alla
probabilità che X assuma un valore in quell’intervallo.
Si definisce funzione di ripartizione di una v.c. continua X
la funzione F(x) che fa corrispondere ai valori x le probabilità
cumulate P(X≤x).
23
Funzione di densità
f(x) funzione di densità
− ∞ < X < +∞
b
f(x)
P(a ≤ X ≤ b) = ∫ f(x)dx
a
è l’area colorata
al di sotto della
curva compresa
tra i valori a e b
Proprietà:
f(x) ≥ 0
+∞
∫ f(x)dx = 1
−∞
P(X = a) = 0
X
24
Funzione di ripartizione
x
F(x) = P(X ≤ x) =
∫ f(w)dw
−∞
Proprietà:
F(x) è non decrescente
lim F(x) = 0; lim F(x) = 1
x → −∞
F(x)
x →∞
1
F(x1 )
P(x1 ≤ x ≤ x 2 )
F(x1 )
0
x1 x 2
x
25
Misure sintetiche della
distribuzione di probabilità di una
v.c. continua
Valore medio o atteso (Expected Value)
+∞
E(X ) =
∫ xf (x)dx
−∞
Varianza
+∞
V(X) =
2
(
x
−
E
(
x
)
)
f(x)dx
∫
Confronta con la
formula del valore
medio di una v.c.
discreta
V(X) =
E(X) = ∑ xiP(xi )
i
2
(
x
−
E
(
X
)
)
P(xi )
∑ i
i
−∞
Deviazione standard
SD(X) =
V(X)
Confronta con la
formula della
varianza di una v.c.
discreta
26
Modelli per variabili casuali
continue
• Variabile casuale normale (o di Gauss)
La variabile casuale normale (o di Gauss) occupa un ruolo
centrale nel calcolo delle probabilità e nella statistica.
La v.c. Normale approssima la distribuzione empirica di moltissimi
fenomeni reali, come il peso e l’altezza di una popolazione;
Le vendite totali o la produzione complessiva spesso seguono una
distribuzione Normale, e questo conduce a molte applicazioni di questa v.c.
nel marketing e nella gestione della produzione.
La v.c. Normale è anche punto di riferimento per stabilire
confronti, dedurre risultati e controllare allontanamenti da tale
distribuzione.
27
Modelli per variabili casuali continue
• Variabile casuale normale (o di Gauss)
Una v.c. X si dice Normale (oppure v.c. di Gauss) con parametri µ (valore atteso)
e σ2 (varianza) e viene indicata con X~N(µ; σ2) se è definita su tutto l’asse reale con
funzione di densità:
f ( x) =
1
2πσ
2
e
1 x−µ
−
2 σ
2
, -∞ < x < +∞
Momenti della distribuzione normale:
E( X ) = µ
Var ( X ) = σ 2
Asym( X ) = 0
Kurt ( X ) = 3
28
Distribuzione Normale
29
Principali caratteristiche della v.c. Normale:
La funzione di densità di una v.c. Normale ha una forma
campanulare simmetrica rispetto al suo valore medio
(che è anche mediana e moda) in corrispondenza del
quale si presenta il massimo della funzione di densità;
La maggior parte delle osservazioni si addensano intorno alla
media; ve ne sono poche molto più grandi o molto più piccole
della media;
Descrive la distribuzione degli errori casuali (o accidentali);
30
Proprietà della v.c. Normale:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
La curva è simmetrica, con asse di simmetria x = µ
Media, moda e mediana coincidono: µ = M e = M d
E’ crescente nell’intervallo ( −∞, µ) e decrescente
nell’intervallo (µ, ∞)
Ha due punti di flesso in x = µ − σ e x = µ + σ
E’ concava nell’intervallo (µ − σ, µ + σ) e convessa
altrove
Ha come asintoto l’asse delle x
µ
7.
∞
∫ f (x)dx = ∫ f (x)dx = 0,5
−∞
µ
La
v.c.
Normale
approssima
la
distribuzione
moltissimi fenomeni reali, come il peso e l’altezza di una
empirica
di
popolazione
31
Distribuzione Normale
32
Distribuzione Normale Standardizzata
Partendo da una X ~ N(µ;σ2) qualunque,
con la trasformazione di standardizzazione
Z=
X − E(X) X − µ
=
SD(X)
σ
si ottiene la distribuzione Normale Standardizzata
Z ~ N(0;1), che ha la seguente funzione di densità
f (z ) =
1
− z
1
e 2
2π
2
33
34
F. di ripartizione della Normale
Standardizzata
Proprietà di Φ(z)
Φ(z) = P(Z ≤ z)
corrisponde
all’area colorata al
di sotto della f. di
densità compresa
tra -∞ e z
Φ(0) = P(z ≤ 0) = 0,5
35
Proprietà di Φ(z)
Area totale=1
Φ(z) = P(Z ≤ z)
36
Proprietà di Φ(z)
Per la
simmetria di Z
intorno allo 0,
le due aree
colorate sono
equivalenti
Φ(−z) = 1 − Φ(z)
Φ(−z)
1 − Φ(z)
37
Proprietà di Φ(z)
La differenza
1 − Φ(z) = P(Z > z)
La differenza
1 − Φ(z) = P(Z > z)
38
Tavola di Φ(z)
z
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,0
0,5000
0,5040
0,5080
0,5120
0,5160
0,5199
0,5239
0,5279
0,5319
0,5359
0,1
0,5398
0,5438
0,5478
0,5517
0,5557
0,5596
0,5636
0,5675
0,5714
0,5753
0,2
0,5793
0,5832
0,5871
0,5910
0,5948
0,5987
0,6026
0,6064
0,6103
0,6141
0,3
0,6179
0,6217
0,6255
0,6293
0,6331
0,6368
0,6406
0,6443
0,6480
0,6517
0,4
0,6554
0,6591
0,6628
0,6664
0,6700
0,6736
0,6772
0,6808
0,6844
0,6879
0,5
0,6915
0,6950
0,6985
0,7019
0,7054
0,7088
0,7123
0,7157
0,7190
0,7224
0,6
0,7257
0,7291
0,7324
0,7357
0,7389
0,7422
0,7454
0,7486
0,7517
0,7549
0,7
0,7580
0,7611
0,7642
0,7673
0,7704
0,7734
0,7764
0,7794
0,7823
0,7852
0,8
0,7881
0,7910
0,7939
0,7967
0,7995
0,8023
0,8051
0,8078
0,8106
0,8133
0,9
0,8159
0,8186
0,8212
0,8238
0,8264
0,8289
0,8315
0,8340
0,8365
0,8389
1,0
0,8413
0,8438
0,8461
0,8485
0,8508
0,8531
0,8554
0,8577
0,8599
0,8621
1,1
0,8643
0,8665
0,8686
0,8708
0,8729
0,8749
0,8770
0,8790
0,8810
0,8830
1,2
0,8849
0,8869
0,8888
0,8907
0,8925
0,8944
0,8962
0,8980
0,8997
0,9015
1,3
0,9032
0,9049
0,9066
0,9082
0,9099
0,9115
0,9131
0,9147
0,9162
0,9177
1,4
0,9192
0,9207
0,9222
0,9236
0,9251
0,9265
0,9279
0,9292
0,9306
0,9319
1,5
0,9332
0,9345
0,9357
0,9370
0,9382
0,9394
0,9406
0,9418
0,9429
0,9441
(continua)
Valori di z>0
sulla prima
colonna (fino
alla prima cifra
decimale) e
sulla prima riga
(seconda cifra
decimale).
All’incrocio,
all’interno della
tabella si legge
il valore della f.
di ripartizione
Φ(0,43) = 0,6664
Per z<0
Φ(−0,27) = 1 − Φ(0,27) = ?
39
La v.c. Normale Stand. in Excel
La funzione DISTRIB.NORM.ST(z) per ogni
z calcola il valore della f. di ripartizione Φ(z)
La funzione INV.NORM.ST(prob) per ogni
valore della f. di ripartizione Φ(z) calcola lo z
corrispondente
40
Calcolo di P(z1<Z<z2)
P(z1 < Z < z2 )
P(z1<Z<z2) come differenza di aree
41
Esempio di calcolo di P(x1<X<x2)
Il tasso di rendimento X di un insieme di titoli
segue una distribuzione Normale con µ=4,5%
e σ=2%
X ~ N(4.5;22)
Calcolare P(0,5 < X < 8,5)
Le probabilità sono tabulate per Z
Che relazione c’è tra X e Z?
Z=
X−µ
=
X − 4,5
2
σ
8,5 − 4,5
0,5 − 4,5
P (0,5 < X < 8,5 ) = P
<Z <
=
2
2
= P (− 2 < Z < 2 ) = 0,9544
42
Curtosi
ipernormale
Normale
iponormale
1
γ
=
Indice di curtosi di Pearson
nσ 4
n
4
(
x
−
x
)
∑ i
i=1
Indice di curtosi di Fisher = γ − 3
43
