DamiRocK

Случайная остановка двенадцатичасовых часов: распределение показания

Часы останавливаются в случайный момент от 0 до 16 часов. Плотность показания, вероятность до двух часов, среднее, дисперсия и ковариация.

После полного оборота часовая стрелка показывает те же значения второй раз. Поэтому равномерный момент остановки не обязательно даёт равномерное показание на двенадцатичасовом циферблате.

Научная визуализация Равномерная случайная остановка часов
Θ~U(0,2π); время на 12-часовом циферблате равномерно при равномерном моменте остановки
Равномерный момент остановки отображается в равномерный угол на циферблате; детали модели читаются из условия.

Условие и адаптация модели

В исходной шуточной задаче часы останавливаются в случайный момент через X часов после полуночи, где X равномерна на [0; 16]. Здесь сохраняется математическая модель без сюжетного предположения о причине остановки. Явно используем двенадцатичасовой циферблат: Y = X mod 12, 0 ≤ Y < 12; показание 12 обозначаем нулём.

Найдите P(Y < 2), плотность Y, E(Y), Var(Y) и Cov(X, Y). В источнике решения нет; ниже — редакционный расчёт.

Два прообраза и один прообраз

Для показаний 0 < y < 4 существуют два момента остановки: X = y и X = y + 12. Каждый даёт плотность 1/16. Для 4 < y < 12 возможен только X = y.

fY(y) = 1/8 при 0 < y < 4;
fY(y) = 1/16 при 4 < y < 12.

Вне [0; 12] плотность нулевая. Проверка: 4/8 + 8/16 = 1. Значения в отдельных граничных точках на вероятности не влияют.

Вероятность показания меньше двух

Это соответствует моментам X в [0; 2) или [12; 14). Их суммарная длина 4 часа из 16:

P(Y < 2) = 1/4.

Расчёт по плотности даёт тот же результат: ∫₀² (1/8) dy = 1/4.

Среднее и дисперсия

Интегрируем по двум участкам:

E(Y) = ∫₀⁴ y/8 dy + ∫₄¹² y/16 dy = 5.

E(Y²) = ∫₀⁴ y²/8 dy + ∫₄¹² y²/16 dy = 112/3.

Следовательно, Var(Y) = 112/3 − 25 = 37/3 в квадратных часах. Среднее показание не равно 6: ранняя часть циферблата наблюдается вдвое чаще поздней.

Ковариация времени и показания

На [0; 12] произведение XY равно X², а на [12; 16] — X(X − 12). Поэтому:

E(XY) = [∫₀¹² x² dx + ∫₁₂¹⁶ x(x − 12) dx]/16 = 130/3.

Так как E(X) = 8, получаем Cov(X, Y) = 130/3 − 8 · 5 = 10/3.

Y полностью определяется X, но преобразование не монотонно на всём отрезке: в момент 12 часов показание возвращается к нулю. Поэтому свойства линейного преобразования к этой паре не применяются.

Преобразование с несколькими прообразами · Математика.

Б. Демешев и участники · probability_pro, 9.16 · CC BY 4.0. Сюжет адаптирован; период циферблата уточнён, решение 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.