DamiRocK

260 прижившихся деревьев из 500: локальная теорема Муавра — Лапласа

Точный биномиальный расчёт и локальная нормальная аппроксимация для 260 успехов из 500 при p = 0,5. Абсолютная и относительная ошибки.

Когда требуется вероятность ровно одного значения биномиального счётчика, применяется локальное приближение. Нормальная функция распределения в одной точке отвечает на другой вопрос — о вероятности не превысить эту точку.

Условие

Садовник посадил 500 деревьев. Каждое приживается независимо с вероятностью 0,5. Нужно найти вероятность того, что приживутся ровно 260 деревьев, сначала точно, затем по локальной теореме Муавра — Лапласа, и вычислить ошибку приближения.

В исходном сборнике дано условие без заполненного решения. Ниже — редакционный расчёт.

Точная биномиальная вероятность

Пусть X — число прижившихся деревьев. Тогда X имеет распределение Bin(500; 0,5), а событие из условия — X = 260:

P(X = 260) = C(500; 260) · 0,5260 · 0,5240 = C(500; 260)/2500.

Численно получаем 0,02392329606, то есть примерно 2,39233%.

Число сочетаний учитывает, какие именно 260 деревьев прижились. Запись только одного произведения вероятностей описывала бы один заранее выбранный набор, а не все подходящие исходы.

Стандартизация

Параметры распределения равны:

E(X) = np = 250; Var(X) = np(1 − p) = 125; σ = √125.

Стандартизованное отклонение числа 260 от среднего:

z = (260 − 250)/√125 ≈ 0,894427.

Обозначим стандартную нормальную плотность через φ(z) = exp(−z²/2)/√(2π).

Локальное приближение

Для отдельного целого значения k локальная формула имеет вид:

P(X = k) ≈ φ((k − np)/√(np(1 − p)))/√(np(1 − p)).

Подставляем параметры нашей задачи:

P(X = 260) ≈ exp(−0,4)/√(250π) ≈ 0,02391868319.

Множитель 1/σ переводит стандартную нормальную плотность обратно к масштабу счётчика X. Забыв его, мы получили бы значение плотности, а не приближение вероятности одной целочисленной точки.

Фактическая точность

Абсолютная ошибка ≈ 0,00000461287.

Относительно точной вероятности ошибка равна примерно 0,01928%. В данном случае локальное приближение слегка занижает ответ и хорошо согласуется с точным расчётом.

Абсолютная ошибка в процентных пунктах составляет примерно 0,0004613. Это не то же самое, что относительная ошибка 0,01928%.

Почему здесь не используется Φ(z)

Функция Φ описывает накопленную вероятность. Для события «ровно 260» можно использовать другой подход — нормальное приближение интервала от 259,5 до 260,5 с поправкой на непрерывность. Но это уже не та локальная формула, которую просит применить условие.

В решении важно сохранять различие между φ — плотностью, Φ — функцией распределения и искомой биномиальной вероятностью.

Связанные материалы

Теория вероятностей и математическая статистика · Математика.

Борис Демешев и участники · probability_pro, задача 10.6 · CC BY 4.0. Условие адаптировано; решение и численная проверка редакции.

Reading preferences

Appearance
Contrast
More options

Saved only in this browser. Your device’s reduced-motion setting is always respected. Browser zoom works throughout the site.