Показательное распределение

Содержание

Показательное распределение (Задание 6)

Показательным (его же называют экспоненциальным) распределением описывают время до случайного события, которое ничем не подготовлено заранее: срок службы лампы, время до отказа насоса или банкомата, промежуток между звонками на горячую линию, время ожидания ответа оператора. Если в условии задания 6 сказано «время безотказной работы имеет показательное распределение» или прямо выписана плотность вида λe−λx\lambda e^{-\lambda x} - это наш сюжет.

Хорошая новость: весь счёт первой части здесь держится на двух выражениях и одном приёме со степенью. Длинных выкладок не будет.

Плотность, «хвост» и функция распределения

Плотность показательного распределения и вероятность «прожить дольше t»

Из плотности получаются два выражения, которыми и решают задачи. Первое отвечает на вопрос «событие уже произошло?», второе - на вопрос «дожил ли?».

Функция распределения показательной величины
Две плотности с разной интенсивностью

Приём, который решает половину задач: степень вместо экспоненты

В первой части ЕГЭ нельзя пользоваться калькулятором, поэтому само число λ\lambda в задачах на «дожитие» находить не нужно и не требуется. Достаточно заметить, что e−λxe^{-\lambda x} - это степень.

Каждый отрезок длины t умножает вероятность на одно и то же число

Читать правило удобнее словами: каждый следующий промежуток той же длины умножает вероятность выживания на одно и то же число. Прожить два срока - значит прожить первый и потом ещё один такой же, а вероятности перемножаются.

Отсутствие последействия

Прибор, отработавший s, ничем не отличается от нового

Алгоритм решения

Примеры решения

Пример 1. Характеристики по плотности

Условие: Время ожидания ответа оператора службы поддержки (в минутах) имеет показательное распределение с плотностью f(t)=0,2e−0,2tf(t) = 0{,}2e^{-0{,}2t} при t⩾0t \geqslant 0 и f(t)=0f(t) = 0 при t<0t < 0. Найдите математическое ожидание времени ожидания. Ответ дайте в минутах.

Пример 2. Целая степень

Условие: Срок службы светодиодной лампы имеет показательное распределение. Вероятность того, что лампа проработает более 10001000 часов, равна 0,80{,}8. Найдите вероятность того, что лампа проработает более 30003000 часов.

Пример 3. Дробная степень - корень

Условие: Время безотказной работы банкомата имеет показательное распределение. Вероятность того, что банкомат проработает без сбоя более 1010 суток, равна 0,640{,}64. Найдите вероятность того, что он проработает без сбоя более 55 суток.

Пример 4. Прибор уже отработал

Условие: Время безотказной работы насоса имеет показательное распределение. Вероятность того, что новый насос проработает без отказа более 66 месяцев, равна 0,90{,}9. Насос уже отработал 1212 месяцев без отказа. Найдите вероятность того, что он проработает без отказа ещё более 1818 месяцев.

Пример 5. Вопрос про «не более»

Условие: Время ремонта устройства в мастерской имеет показательное распределение, в среднем ремонт занимает 2020 минут. Найдите вероятность того, что очередной ремонт займёт не более 2020 минут. Считайте, что e−1=0,37e^{-1} = 0{,}37.

Частые ошибки

Что запомнить

  • Плотность f(x)=λe−λxf(x) = \lambda e^{-\lambda x} при x⩾0x \geqslant 0; высота на старте равна λ\lambda, площадь под всей кривой равна 11.
  • P(X>t)=e−λtP(X > t) = e^{-\lambda t} - «дожил», P(X⩽t)=1−e−λtP(X \leqslant t) = 1 - e^{-\lambda t} - «уже произошло». Эти два числа в сумме дают 11.
  • E(X)=1λE(X) = \dfrac{1}{\lambda}, D(X)=1λ2D(X) = \dfrac{1}{\lambda^2}, σ(X)=1λ\sigma(X) = \dfrac{1}{\lambda}; среднее и стандартное отклонение совпадают.
  • Правило степени: P(X>kt)=(P(X>t))kP(X > kt) = \bigl(P(X > t)\bigr)^{k}. Для kk целого - степень, для k=12k = \dfrac{1}{2} - квадратный корень.
  • Отсутствие последействия: уже отработанное время вычёркивается, остаётся только добавка.
Проверь себя
  1. Плотность величины равна f(x)=0,5e−0,5xf(x) = 0{,}5e^{-0{,}5x} при x⩾0x \geqslant 0. Чему равно E(X)E(X)?
  2. Известно, что P(X>3)=0,6P(X > 3) = 0{,}6. Чему равно P(X>9)P(X > 9)?
  3. Прибор с показательным сроком службы отработал 55 лет. Чему равна вероятность того, что он проработает ещё более 22 лет?
  4. Какое равенство верно для показательного распределения?