Survey
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
BÖLÜM 3. OLASILIK ve OLASILIK DAĞILIMLARI Rasgele Sonuçlu Deney: Sonuçlarının kümesi belli olan, ancak hangi sonucun ortaya çıkacağı önceden söylenemeyen bir işleme Rasgele Sonuçlu Deney veya kısaca Deney denir. Örnek Uzay: Bir deneyin tüm olabilir sonuçlarının kümesine Örnek Uzay denir. Genellikle harfi ile gösterilir. Olay: Örnek uzayın bir altkümesine Olay denir. Ayrık Olay: İki olay aynı anda meydana gelemiyorsa bu olaylara ayrık olaylar denir. Diğer bir ifadeyle kesişimleri boş küme olan olaylara ayrık olaylardenir. Olasılık: Her olaya 0 ile 1 arasında bir gerçel sayı tahsis eden bir fonksiyondur. Olasılık fonksiyonunun belirtildiği örnek uzaya olasılık uzayı denir. Örnek uzaydaki her noktaya (basit rasgele olay) ve her alt kümeye (bileşik rasgele olay) olasılık uzayında bir nokta (bir olasılık) karşılık gelir. Örnek 3.1 Bir zar atıldığında çift sayı gelmesi olasılığı nedir? Örnek uzay, yani tüm mümkün sonuçların kümesi, dır. olayı olsun. Buna göre, dir. 3.1 Olasılık Aksiyomları 1) Herhangi bir A olayı için 2) 3) ile ayrık olmayan iki olay ise 4) ile ayrık iki olay ise (Yani, ile ayrık iki olay ise dir.) 5) A olayı S örnek uzayının bir alt kümesi olsun. A olayının tümleyeninin olasılığı, dır. 3.2 Koşullu Olasılık Bir olayın, başka bir olayın meydana gelmesi koşulu altında ortaya çıkması olasılığıdır. olayı bilindiğinde olayının ortaya çıkması olasılığı, 39 ile gösterilir ve olayı verilmişken Eğer bir olayının ortaya çıkması bağımsız olaylardır ve olayının koşullu olasılığı olarak adlandırılır. olayının ortaya çıkmasına bağlı değilse dir. Bu durumda, dır. Aynı şekilde, dir. Örnek 3.2 ve iki olay olsun, öyleki; olmak üzere aşağıdaki olasılıkları hesaplayınız. a) b) c) a) b) c) Örnek 3.3 a) b) ve ve ayrık iki olay ise p’ yi bulunuz. bağımsız iki olay ise p’ yi bulunuz. a) ile ayrık iki olay ise olduğu biliniyor. Buna göre, dir. Buna göre, 40 ve olayları b) ile bağımsız iki olay ise dır. Buna göre; Örnek 3.4 Diş hekimliği fakültesinde okuyan öğrencilerin 0.30’ u biyoistatistikten, 0.20’ si biyokimyadan ve 0.15’ i hem biyoistatistik hem de biyokimyadan başarısız olmuştur. Öğrenciler içinden rasgele seçilen bir öğrenci, a) Biyoistatistikten başarısız ise, biyokimyadan da başarısız olması olasılığı nedir? b) Biyokimyadan başarısız ise, biyoistatistikten başarısız olma olasılığı nedir? A: Biyoistatistikten başarısız olma olayı B: Biyokimyadan başarısız olma olayı a) b) Örnek 3.5 Yapılan bir çalışmada hastaların 0.20’ si hem aspirin, hem de novaljin, 0.40’ ı sadece aspirin ve 0.30’ u da sadece novaljin kullanmaktadır. Rasgele seçilen bir hastanın aspirin kullandığı biliniyorsa, bu hastanın novaljin de kullanması olasılığı nedir? Aspirin kullanma olayı Novaljin kullanma olayı 3.3. Permütasyon ve Kombinasyon Permütasyon: n farklı elemandan r tanesinin bir sıralanması r’ li permütasyon (sıra düzen) olarak adlandırılır. ile gösterilir, 41 Örnek 3.6 a) a b c d b) olmak üzere 3’ lü permütasyonları nelerdir? b c abc d abd c b acb d acd d b adb c adc a c bac d bad c a bca d bcd d a bda c bdc a b cab d cbd b a cba d cbd d a cda b cdb a b dab c dac b a dba c dbc c a dca b dcb ’ nin 3’ lü permütasyonlarının sayısı; 4 3 2 a) Örnek 3.7 Bir eczacı, bir diş hekimi, bir doktor ve bir biyolog yan yana kaç farklı şekilde oturabilir? Örnek 3.8 Bir eczacı, bir diş hekimi, bir doktor, bir hemşire ve bir hastabakıcıdan sadece ikisi yan yana kaç farklı şekilde oturabilir? 42 Kombinasyon: Düzenleme sırasına bakılmaksızın n tane nesneden r tanesinin seçimi n’ nin r’ li kombinasyonu olarak adlandırılr ve ile gösterilir, Örnek 3.9 olmak üzere 3’ lü kombinasyonları nelerdir? olmak üzere 4’ tür. Kombinasyon formülü ile, Örnek 3.10 5 doktor ve 7 eczacıdan 2’ si doktor ve 3’ ü eczacı olmak üzere 5 kişilik bir komisyon kaç farklı şekilde seçilebilir? 5 doktordan 2 tanesinin seçilmesi, 7 eczacıdan 3 tanesinin seçilmesi, farklı durumda ortaya çıkabilir. O halde, söz konusu komisyon farklı şekilde oluşturulabilir. 3.4 Rasgele Değişken Rasgele Değişken: Bir örnek uzaydaki her rasgele olaya sayısal bir değer atayan bir fonksiyondur. Rasgele değişken gibi büyük harflerle gösterilir. Rasgele değişkenler kesikli rasgele değişken ve sürekli rasgele değişken olmak üzere ikiye ayrılır. Bir rasgele değişkeninin olanaklı değerlerinin sayısı sonlu veya sayılabilir ise kesikli rasgele değişken denir. Bir ’e rasgele değişkeninin olanaklı değerleri bir aralıktan ya da aralıklar koleksiyonundan oluşuyor ise ’ e sürekli rasgele değişken denir. kesikli bir rasgele değişken olduğunda, 43 fonksiyonuna rasgele değişkeninin olasılık fonksiyonu denir. Bir fonksiyonun olasılık fonksiyonu olabilmesi için aşağıdaki iki şartı sağlaması gerekir. 1. 2. sürekli bir rasgele değişken olduğunda, olacak şekilde bir fonksiyonu varsa bu yoğunluk fonksiyonu denir. Bir fonksiyonuna rasgele değişkeninin olasılık fonksiyonun olasılık yoğunluk fonksiyonu olabilmesi için aşağıdaki iki şartı sağlaması gerekir. 1. 2. 3.5 Beklenen Değer ve Varyans bir rasgele değişken olmak üzere, a) Kesikli rasgele değişkeni için değerine , b) Sürekli olduğunda) rasgele değişkeni için değerine, ( olduğunda) ’ in beklenen değeri denir. sayısına varyansı denir. ’ in noktasına göre ile gösterilir momenti denir. sayısına ’ in olmak üzere, dir. Beklenen değer, dağılımın merkezi hakkında, varyans merkez etrafında yayılım hakkında bilgi verir. 44 Not: bir rasgele değişken, ve birer rasgele değişken olmak üzere beklenen değer ve varyans için aşağıdaki özellikler yazılabilir. a. b. Örnek 3.11 rasgele değişkeninin olasılık fonksiyonu, olmak üzere, c. değerini hesaplayınız. d. e. f. g. h. a) fonksiyonunun olasılık fonksiyonu olması için, şartını sağlaması gerekir. Buna göre, olmalıdır. Yani, olmalıdır. Buna göre, 45 1 2 3 4 0.1 0.2 0.3 0.4 biçiminde yazılabilir. b) c) d) e) f) Örnek 3.12 rasgele değişkeninin olasılık yoğunluk fonksiyonu, olmak üzere, 46 a) değerini hesaplayınız. b) c) d) e) f) a) c) d) e) f) Örnek 3.13 , olmak üzere , beklenen değer ve varyansını bulunuz. 47 rasgele değişkeninin Örnek 3.14 ve olmak üzere , 48 3.5. Bazı Kesikli Dağılımlar 3.5.1. Bernoulli Dağılımı Bir deneyde başarı ve başarısızlık diye nitelendirilen iki sonuçla ilgilenildiğinde bu deneye (iki sonuçlu) Bernoulli deneyi ya da Bernoulli denemesi denir. başarı olasılığı başarısızlık olasılığı başarı-başarısız/ sağlam-bozuk/ olumlu-olumsuz/ ölü-canlı Bernoulli dağılımının olasılık fonksiyonu şeklinde verilir. 0 1 Bernoulli dağılımın beklenen değer ve varyansı aşağıdaki gibidir: 3.5.2. Binom Dağılımı Başarı olasılığı olan bir Bernoulli denemesinin aynı şartlar altında (bağımsız olarak) n kez tekrarlanması ile oluşan deneye binom deneyi denir. Binom deneyinin aşağıdaki koşulları sağlaması gerekir: Deney süresince örneklemde denek sayısı ya da deneme sayısı değişmez olmalıdır. Denemeler birbirinden bağımsızdır. Her denemede iki olası sonuç vardır (istenen ve istenmeyen olay). Her denemede ilgilenilen olay olasılığı değişmezdir. Dolayısıyla istenmeyen olay olasılığı de değişmezdir. 49 Binom dağılımı kesikli bir olasılık dağılımıdır. olduğunda ile gösterilir. rasgele değişkeni binom dağılımına sahip Binom dağılımının olasılık fonksiyonu, şeklinde verilir. Binom dağılımının beklenen değer ve varyansı aşağıdaki gibidir: Çarpıklık katsayısı , basıklık katsayısı Örnek 3.15. Bir kutuda bulunan 10 tabletten 5 tanesi aspirindir. Bu kutudan yerine koyarak 3 tablet çekildiğinde 2 tanesinin aspirin olması olasılığı nedir? Çekilen tabletin aspirin olması Örnek 3.16. İlaç üreten bir firma ürettiği ilaçları ambalajlayarak satışa sunmaktadır. Ambalajlanan ilaç paketlerinin %10’unun istenen standarda uymadığı bilinmektedir. Bu ambalajlanmış ilaç paketlerinden 5 tanesi yerine koyularak rasgele olarak seçildiğinde, a) Hepsinin de ambalajının istenilen standarda uygun olması olasılığı nedir? b) Sadece 2’sinin ambalajının istenilen standarda uygun olması olasılığı nedir? c) En az 4’ünün ambalajının istenilen standarda uygun olması olasılığı nedir? d) En fazla 2’sini ambalajının istenilen standarda uygun olması olasılığı nedir? e) Ambalajı istenilen standarda uygun olması beklenen ilaç paketi sayısı nedir? Ambalajı istenilen standarda uyan ilaç paketi sayısı 50 a) b) c) d) e) Örnek 3.17. Belli bir ameliyatın başarılı sonuçlanması olasılığı %80’dir. Ameliyat edilen 10 hastadan, a) 6’ sının iyileşmesi olasılığı nedir? b) En az 9’ unun iyileşmesi olasılığı nedir? c) En fazla 7’ sinin iyileşmesi olasılığı nedir? d) Ameliyatı başarılı sonuçlanacak hastaların beklenen sayısını ve varyansını hesaplayınız. Ameliyat sonrası iyileşen hasta sayısı a) b) c) 51 daha önce bulunmuştu. d) 3.5.3. Poisson Dağılımı Bu dağılım, belirli bir aralıkta gerçekleşme olasılığının çok küçük olduğu durumlarda kullanılır. Örneğin Ankara’da Beşevler kavşağında bir gün içerisinde meydana gelen trafik kazaları, belli bir yılda meydana gelen doğal afetler, az rastlanan hastalıklar gibi. Denek sayısı olan n büyük iken p de çok küçük ise binom dağılımı poisson dağılımına yaklaşır. Genel olarak olduğu zaman binom dağılımı yerine poisson dağılımı kullanılabilir. Ayrıca n’ nin 20 den büyük olması koşulu vardır. rasgele değişkeni Poisson dağılımına sahipse, bu değişkenin olasılık fonksiyonu aşağıdaki gibidir: gerçekleşen ortalama olay sayısı olup dir. Poisson dağılımının beklenen değer ve varyansı aşağıdaki gibidir. Çarpıklık katsayısı , basıklık katsayısı Örnek 3.18. Bir şehirde ender rastlanan bir hastalıktan, bir hafta içinde ortalama ölen kişi sayısı 4’ dür. Belli bir hafta içinde bu hastalıktan, a) Hiç kimsenin ölmemesi b) En az 2 kişinin ölmesi c) 3 kişinin ölmesi olasılıklarını hesaplayınız. 52 , a) b) c) Örnek 3.19. Acil servise saat 1400-1500 arasında her 15 dakikada ortalama 3 ambulans gelmektedir. Saat 1400-1500 arasında herhangi bir 15 dakika içinde acil servise, a) Hiç araç gelmemesi b) En az 1 araç gelmesi c) 4 araç gelmesi d) 5 araç gelmesi e) En çok 2 araç gelmesi olasılıklarını bulunuz. , a) b) c) d) e) Örnek 3.20. Bir ülkedeki her 100000 ölüm vakasında ortalama 3 tanesi gıda zehirlenmesinden ortaya çıkmaktadır. Belirli bir zaman dilimindeki 200000 ölüm vakasında gıda zehirlenmesinden dolayı, 53 a) Sıfır ölüm vakasına b) 6 ölüm vakasına c) 6,7 ya da 8 ölüm vakasına, rastlama olasılıklarını hesaplayınız. a) b) c) 3.5.4. Geometrik Dağılım Arka arkaya n kez tekrarlanan bir Bernoulli deneyinde ilk istenen sonucun (başarı ya da başarısızlık) elde edilmesi için yapılan deney sayısı olan ’ e geometrik rasgele değişken denir. Bu değişkenin dağılımı geometrik dağılım adını alır. rasgele değişkeni geometrik dağılıma sahipse, biçiminde gösterilir. rasgele değişkeninin olasılık fonksiyonu, biçimindedir. Geometrik dağılımın beklenen değer ve varyansı aşağıdaki gibidir. 54 Örnek 3.21. Bir torbada 8 beyaz, 4 siyah top bulunmaktadır. Her defasında yerine konularak bir top çekiliyor. a) Beyaz topun ilk defa 5’inci çekilişte çıkma olasılığı nedir? b) rasgele değişkeni beyaz bir top çekmek için yapılan deney sayısı ise değişkenin beklenen değer ve varyansı nedir? rasgele : İlk başarıya ulaşıncaya kadar yapılan deney sayısı a) b) Örnek 3.22. Bir sınıfta sigara içen öğrenci olma olasılığı 0.40’ dır. Devam çizelgesinde ismi belirlenen öğrenciye sigara içip içmediği soruluyor. 4’ üncü sırada sorulan öğrencinin ilk sigara içen öğrenci olma olasılığı nedir? : İlk başarıya ulaşıncaya kadar yapılan deneme sayısı 55 3.6. Bazı Sürekli Dağılımlar 3.6.1 Normal Dağılım Normal dağılım hem uygulamalı hem de teorik istatistikte kullanılan oldukça önemli bir dağılımdır. Normal dağılımın istatistikte önemli bir yerinin olmasının nedeni, yapılan birçok gözlem sonucunun, çan biçiminde bir dağılım vermesi ve çoğu dağılımın denek sayısı arttıkça normal dağılıma yaklaşmasıdır. Sürekli bir rasgele değişkeninin olasılık yoğunluk fonksiyonu, biçiminde olduğunda, rasgele değişkenine normal dağılıma sahiptir denir ve biçiminde gösterilir. Burada ve dağılımın parametreleridir. kitle ortalaması kitle varyansı dır. Aynı varyansa ( ) fakat farklı ortalamalara sahip normal dağılımlı rasgele değişkenlere ilişkin olasılık yoğunluk fonksiyonlarının grafiği aşağıda verildiği gibidir, 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 -15 -10 -5 0 5 56 10 15 Aynı kitle ortalaması ( ) ve farklı ( varyanslara sahip normal dağılımlı rasgele değişkenlere ilişkin olasılık yoğunluk fonksiyonlarının grafikleri aşağıdaki gibidir, 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -15 -10 -5 0 5 10 15 Normal Dağılımın Özellikleri; a) Normal dağılım olasılık yoğunluk fonksiyonunun yani in altında kalan alan 1 dir. b) Normal dağılım ortalamaya göre simetriktir. Yani, dir. c) Normal dağılıma sahip bir rasgele değişkeninin aritmetik ortalaması, ortancası ve tepe değeri birbirlerine eşit ve ’ dür. d) Deneklerin, ’ sı ’ sı ’ sı ’ü sınırları içinde yer alırlar. 57 %68.26 %95.46 %99.74 %100 e) Normal dağılım için dağılım fonksiyonu; olarak tanımlanır. Bu fonksiyon belli bir değerinden daha küçük olma olasılıklarını verir. Dağılım fonksiyonu kullanılarak, olasılıkları hesaplanabilir. Dağılım fonksiyonunun şekli aşağıdaki gibidir. 58 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.50.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -15 -10 -5 0 5 10 15 ve olan normal dağılıma standart normal dağılım denir. Standart normal dağılıma sahip rasgele değişken genellikle Z harfi ile gösterilir. rasgele değişkeninin olasılık yoğunluk fonksiyonu, dır. normal dağılıma sahip bir rasgele değişken olmak üzere, rasgele değişkeni standart normal dağılıma sahip bir rasgele değişken olur ve bu durumda, dır. Buna standartlaştırma işlemi denir. Simetri özelliğinden, biçiminde yazılabilir. Standart normal dağılım için dağılım fonksiyonundan bulunan olasılıkları veren tablolar düzenlenmiştir. Bu tablolar kullanılarak belli bir z değerine karşılık gelen olasılık bulunabildiği gibi, belli bir olasılığa karşılık gelen z değeri de bulunabilir. Örnek 3.23. Standart normal dağılıma sahip hesaplayınız. a) b) c) 59 değişkeni için aşağıda istenilen olasılıkları a) 0 0.42 2.53 b) 0 1 c) -1.56 0 60 2,53 Örnek 3.24 Bir hastanede belli bir hastalıkla ilgili bulunan hastaların tansiyonlarının ortalaması 15 ve varyansı 9 olan normal dağılıma sahip oldukları bilinmektedir. Bu hastalar içinden rasgele seçilen bir hastanın tansiyonunun, a) 11 den küçük b) 12 den büyük c) 9 ile 16 arasında olması olasılıklarını hesaplayınız. olduğu biliniyor. Buna göre, a) -4 -3 -2 -1.33 0 1 2 3 4 b) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 c) -4 -3 -2 -1 0.33 1 2 3 4 Örnek 3.25. Bir doğumevinde doğan bebeklerin ağırlıklarının ortalamasının 3.2 kg ve standart sapmasının ise 0.3 kg olan bir normal dağılım gösterdiği bilinmektedir. Buna göre; a) Bu doğumevinde doğan bebeklerin 3.2 kg ile 3.9 kg arasında olması olasılığı nedir? b) Bu doğumevinde doğan bebeklerin 3.2 kg'dan daha hafif olması olasılığı nedir? c) Bu doğumevinde doğan bebeklerin 2.8 kg ile 3.6 kg arasında olması olasılığı nedir? d) Bir günde ortalama 200 bebeğin doğduğu kabul edilirse bu bebeklerden kaç tanesinin ağırlığı 4 kg’ dan daha fazladır? e) Bebeklerden en ağır %2.5’ i hangi ağırlığın üzerindedir? f) Bebeklerden en hafif %5’ i hangi ağırlıktan daha düşüktür? 61 a) Bu doğumevinde doğan bebeklerin %49.01’ inin ağırlığı 3.2 kg ile 3.9 kg arasındadır. Bu doğumevinde doğan bebeklerin 3.2 kg’ dan daha hafif olması olasılığı %50'dir. c) Bu doğumevinde doğan bebeklerin %81.64’ ünün doğum ağırlığı 2.8 kg ile 3.6 kg arasındadır. d) Yani, bir günde doğan 200 bebeğin ’ inin ağırlığı 4 kg’ dan daha fazladır. Bu durumda doğum ağırlığı 4 kg’ dan daha fazla olan bebek sayısı 200×0.0038=0.76, yaklaşık olarak l’ dir. e)Bu soruda standart normal dağılım tablosuna tersten bakmak gerekir. Yani, elimizde belli bir değerden büyük olması olasılığı varken bu değerin tablodan belirlenmesi gerekir. Bu değere z diyelim, 0 z ve tablodan 0.975 olasılığına karşılık gelen nokta arandığında z=1.96 olarak bulunur. olduğundan, olup 62 dır. Yani bu doğumevinde doğan bebeklerin %2.5’ inin ağırlığı 3.788 kilonun üzerindedir. f) Aynı e şıkkı gibi burada da olasılıktan noktaya geçmek gerekir. z 0 Belli bir z değerinden küçük kalma olasılığı 0.05 olduğundan aranılan değer tablonun negatif kısmındadır. Bu değere – denilirse, simetriklik özelliğinden, olup, dir. Tablodan 0.95 olasılığına karşılık gelen nokta arandığında en yakın 0.9495 olasılığı ile 1.64 noktası ve 0.9505 olasılığı ile 1.65 noktası bulunur. 0.95 olasılığına karşılık gelen noktayı bulmak için 1.64 ile 1.65 noktalarının ortalamasını almak gerekir. Buna göre, dir. Aranılan nokta – idi. Buna göre, olup, dir. Yani, bu doğumevinde doğan bebeklerin %5’ inin ağırlığı 2.7065 kilonun altındadır. Binom Dağılımına Normal Dağılım Yaklaşımı rasgele değişkeni binom dağılımına sahip ise, bu değişkenini olasılık fonksiyonu, 63 biçiminde idi. çok küçük iken deney sayısı yani dağılımına yaklaştığı daha önce ifade edilmişti. arttığında binom dağılımının poisson çok küçük değilse ve dağılımdan yararlanarak olasılıkları hesaplamak güçleşir. de büyükse binom iken binom olasılıkları normal dağılıma yaklaştırılabilir. Bu dağılımın ortalaması ve varyansı, binom dağılımından biçiminde hesaplanır. Bu durumda olur. Bu nedenle de büyükse binom dağılımına sahip çok küçük değilse ve değişkeninin belli bir değerden küçük ya da büyük olması ve ya herhangi iki değer arasında yer alması olasılıkları standart normal dağılım tablosu kullanılarak hesaplanabilir. Fakat binom dağılımı kesikli ve normal dağılım sürekli olduğundan standart normale dönüştürme yapılırken düzeltme işlemi yapılması gerekir. Bu düzeltme işlemi değeri kullanılarak yapılır. Olasılık hesaplarında yapılacak bu süreklilik düzeltmesi aşağıdaki tabloda verilmiştir. İstenen Olasılık Süreklilik Düzeltmesi Bu durumda standartlaştırma işlemi, olmak üzere, şeklinde olacaktır. Örnek 3.26. Alkol bağımlılığı ile ilgili yapılan araştırmalarda alkolik anne babadan doğan çocuklarda alkol bağımlılığı oranının %80 olduğu saptanmıştır. 23-45 yaş grupları arasından 200 kişi seçilmiştir. Buna göre 64 a) b) c) d) olasılıklarını bulunuz. Buna göre, = Olasılığının çözümü binom formülü kullanılarak, eşitliğinden hesaplanabilir. Görüldüğü gibi bu işlem oldukça uzundur. Oysaki normal dağılıma yaklaşım ile standart normal dağılım tablosu kullanılarak daha az işlemle sonuca ulaşılabilir. Buna göre, b) 65 c) d) Örnek 3.27 Bir ilaç hastaların %60’ ında etkili olmaktadır. 30 hasta bu ilaçla tedavi edildiğinde iyileşmeyen hasta sayısının 6’ dan az olması olasılığı nedir? Burada yine, binom dağılımına normal dağılım yaklaşımı kullanılacak. Buna göre, İyileşmeyen hasta sayısı olmak üzere olacaktır. İstenen olasılık, 66