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Probabilità e statistica: un percorso in 20 capitoli

Dagli esperimenti casuali a Bayes, dalle distribuzioni agli intervalli di confidenza: una dispensa unica con indice e venti capitoli apribili.

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Probabilità e statistica: un percorso in 20 capitoli

105 min

La probabilità nasce dagli esperimenti casuali e arriva fino alla lettura critica dei dati. Questa dispensa segue il percorso passo dopo passo: eventi, conteggio, probabilità condizionata, variabili aleatorie, distribuzioni e inferenza statistica. I venti capitoli appartengono a un unico articolo: scegli un titolo nell’indice per aprire il relativo box, oppure procedi in ordine.

Capitolo 1 – Esperimenti casuali, eventi e spazio campionario

1. Perché nasce la probabilità

In molti problemi matematici, conoscendo le condizioni iniziali, possiamo determinare con certezza il risultato.

Per esempio:

\[ 7+5=12 \]

oppure, se un'automobile viaggia a velocità costante di 80 km/h per 2 ore, percorre:

\[ 80\cdot2=160\text{ km} \]

Esistono però situazioni nelle quali non siamo in grado di prevedere con certezza ciò che accadrà.

Se lanciamo una moneta, non sappiamo in anticipo se uscirà testa oppure croce.

Se lanciamo un dado, sappiamo che il risultato sarà uno dei numeri:

\[ 1,2,3,4,5,6 \]

ma non sappiamo quale.

La probabilità nasce proprio per studiare matematicamente situazioni di questo tipo.

Non cerca necessariamente di prevedere con certezza il singolo risultato, ma cerca di misurare quanto sia plausibile che un determinato risultato si verifichi.


2. Esperimento deterministico ed esperimento casuale

Esperimento deterministico

Un esperimento è detto deterministico quando, nelle stesse condizioni, produce sempre lo stesso risultato.

Per esempio:

  • calcolare \(5+7\);
  • lasciare cadere un oggetto in condizioni ideali;
  • calcolare l'area di un quadrato di lato 4 cm.

Il risultato è completamente determinato dalle condizioni iniziali.

Esperimento casuale

Un esperimento casuale, detto anche esperimento aleatorio, è un esperimento del quale conosciamo i possibili risultati, ma non possiamo sapere con certezza quale di essi si verificherà prima di effettuare l'esperimento.

Esempi:

  • lanciare una moneta;
  • lanciare un dado;
  • estrarre una carta da un mazzo;
  • scegliere casualmente una persona da una popolazione;
  • osservare il numero di clienti che entrano in un negozio in un'ora;
  • misurare il tempo necessario affinché un componente elettronico si guasti.

La parola casuale non significa che non sappiamo nulla.

Al contrario, possiamo spesso conoscere perfettamente l'insieme dei risultati possibili.

Quello che non conosciamo è quale risultato si realizzerà.


3. Esito di un esperimento

Ogni possibile risultato di un esperimento casuale viene chiamato esito.

Consideriamo il lancio di un dado.

Gli esiti possibili sono:

\[ 1,\ 2,\ 3,\ 4,\ 5,\ 6 \]

Se il dado mostra 4, diciamo che si è verificato l'esito:

\[ 4 \]

Nel lancio di una moneta gli esiti sono invece:

\[ T,\ C \]

dove:

  • \(T\) = testa;
  • \(C\) = croce.

4. Lo spazio campionario

L'insieme di tutti i possibili esiti di un esperimento casuale prende il nome di spazio campionario.

Si indica generalmente con la lettera greca:

\[ \Omega \]

oppure, in alcuni testi, con \(S\).

Esempio 1 – Lancio di una moneta

\[ \Omega=\{T,C\} \]

Esempio 2 – Lancio di un dado

\[ \Omega=\{1,2,3,4,5,6\} \]

Esempio 3 – Estrazione di una carta

Supponiamo di estrarre una carta da un normale mazzo italiano di 40 carte.

Lo spazio campionario contiene tutte le 40 carte.

Possiamo scrivere:

\[ \Omega=\{\text{tutte le 40 carte del mazzo}\} \]


5. Lo spazio campionario dipende da ciò che osserviamo

Consideriamo il lancio di un dado.

Se ci interessa il numero ottenuto:

\[ \Omega=\{1,2,3,4,5,6\} \]

Se invece ci interessa soltanto sapere se il risultato è pari oppure dispari:

\[ \Omega=\{\text{pari},\text{dispari}\} \]

L'esperimento fisico è lo stesso.

È cambiata l'informazione che vogliamo osservare.


6. Lancio di due monete

Lanciamo contemporaneamente due monete.

Lo spazio campionario corretto è:

\[ \Omega= \{TT,TC,CT,CC\} \]

Abbiamo quattro possibili esiti.

È importante distinguere:

\[ TC \]

da:

\[ CT \]

perché rappresentano due risultati differenti se distinguiamo la prima moneta dalla seconda.


7. Lancio di due dadi

Lanciamo due dadi.

Il risultato può essere rappresentato mediante una coppia ordinata:

\[ (i,j) \]

dove:

  • \(i\) è il risultato del primo dado;
  • \(j\) è il risultato del secondo.

Per esempio:

\[ (2,5) \]

significa:

  • primo dado: 2;
  • secondo dado: 5.

Lo spazio campionario contiene:

\[ 6\cdot6=36 \]

esiti.

Possiamo scrivere:

\[ \Omega= \{(i,j):i,j\in\{1,2,3,4,5,6\}\} \]


8. Evento

Un evento è un insieme di uno o più esiti dello spazio campionario.

Matematicamente:

\[ A\subseteq\Omega \]

cioè un evento è un sottoinsieme dello spazio campionario.

Esempio

Lanciamo un dado.

\[ \Omega=\{1,2,3,4,5,6\} \]

Consideriamo l'evento:

esce un numero pari.

Allora:

\[ A=\{2,4,6\} \]

L'evento \(A\) si verifica quando il risultato del lancio appartiene all'insieme \(A\).


9. Evento elementare

Un evento formato da un solo esito prende il nome di evento elementare.

Per esempio:

\[ A=\{3\} \]

rappresenta:

esce 3.


10. Evento composto

Un evento formato da più esiti è detto evento composto.

Per esempio:

\[ A=\{2,4,6\} \]

rappresenta:

esce un numero pari.


11. Evento certo

Un evento che coincide con l'intero spazio campionario è detto evento certo.

Nel lancio di un dado:

esce un numero compreso tra 1 e 6

corrisponde a:

\[ \Omega \]

La sua probabilità sarà:

\[ P(\Omega)=1 \]


12. Evento impossibile

Un evento che non contiene alcun esito è detto evento impossibile.

È rappresentato dall'insieme vuoto:

\[ \varnothing \]

Per esempio:

lanciando un dado esce 8

è impossibile.

Quindi:

\[ P(\varnothing)=0 \]


13. Evento e frase

Consideriamo:

\[ \Omega=\{1,2,3,4,5,6\} \]

Evento:

esce un numero maggiore di 4.

\[ A=\{5,6\} \]

Evento:

esce un numero dispari.

\[ B=\{1,3,5\} \]

Evento:

esce un multiplo di 3.

\[ C=\{3,6\} \]

Tradurre correttamente il linguaggio in insiemi è fondamentale.


14. Esempio con due dadi

Lanciamo due dadi e consideriamo:

la somma dei risultati è 7.

Gli esiti favorevoli sono:

\[ (1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1) \]

Quindi:

\[ A= \{(1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1)\} \]


15. Spazi campionari finiti e infiniti

Spazio campionario finito

Per un dado:

\[ \Omega=\{1,2,3,4,5,6\} \]

e:

\[ |\Omega|=6 \]

Spazio campionario infinito discreto

Lanciamo una moneta fino a quando compare testa.

Il numero di lanci può essere:

\[ 1,2,3,4,\ldots \]

quindi:

\[ \Omega=\{1,2,3,4,\ldots\} \]

Spazio campionario continuo

Consideriamo il tempo di durata di una lampadina.

Idealmente:

\[ \Omega=[0,+\infty) \]


16. Esito ed evento non sono la stessa cosa

Supponiamo di lanciare un dado e ottenere:

\[ 4 \]

Il numero 4 è un esito.

L'insieme:

\[ \{2,4,6\} \]

è invece l'evento:

esce un numero pari.

Poiché:

\[ 4\in\{2,4,6\} \]

l'evento si è verificato.


17. Esempio completo

Consideriamo:

\[ \Omega= \{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10\} \]

Definiamo:

\[ A=\{\text{numero pari}\} \]

\[ B=\{\text{numero maggiore di 7}\} \]

\[ C=\{\text{multiplo di 5}\} \]

Allora:

\[ A=\{2,4,6,8,10\} \]

\[ B=\{8,9,10\} \]

\[ C=\{5,10\} \]

Se viene estratto:

\[ 10 \]

si verificano contemporaneamente:

\[ A,\quad B,\quad C \]


18. Diagramma concettuale

\[ \boxed{\text{Esperimento casuale}} \]

produce uno dei possibili:

\[ \boxed{\text{Esiti}} \]

L'insieme di tutti gli esiti forma:

\[ \boxed{\Omega=\text{spazio campionario}} \]

Un insieme di esiti costituisce:

\[ \boxed{\text{Evento}} \]

Matematicamente:

\[ \boxed{A\subseteq\Omega} \]


19. Errori frequenti

Errore 1

Confondere evento ed esito.

Errore 2

Dimenticare l'ordine.

Nel lancio di due dadi:

\[ (2,5)\neq(5,2) \]

Errore 3

Costruire male lo spazio campionario.

Per due monete:

\[ \{TT,TC,CT,CC\} \]

Errore 4

Pensare che casuale significhi “senza regole”.

Un fenomeno casuale può essere studiato matematicamente.


20. Esercizi

Esercizio 1

Si lancia un dado.

Scrivere lo spazio campionario.

Soluzione

\[ \Omega=\{1,2,3,4,5,6\} \]

Esercizio 2

Scrivere l'evento:

esce un numero minore di 4.

Soluzione

\[ A=\{1,2,3\} \]

Esercizio 3

Si estrae un numero da 1 a 12.

Evento:

multiplo di 4.

Soluzione

\[ A=\{4,8,12\} \]

Esercizio 4

Si lanciano due monete.

Soluzione

\[ \Omega=\{TT,TC,CT,CC\} \]

Esercizio 5

Si lanciano due dadi.

Evento:

la somma è 4.

Soluzione

\[ A=\{(1,3),(2,2),(3,1)\} \]


21. Esercizio più ragionato

Lanciamo due dadi.

Evento:

almeno uno dei due dadi mostra 6.

Gli esiti sono:

\[ (6,1),(6,2),(6,3),(6,4),(6,5),(6,6) \]

e:

\[ (1,6),(2,6),(3,6),(4,6),(5,6) \]

In totale:

\[ 6+6-1=11 \]

esiti.


22. Idea conclusiva

Il punto di partenza di ogni problema di probabilità è:

  1. qual è l'esperimento?
  2. quali sono gli esiti possibili?
  3. qual è lo spazio campionario?
  4. quale evento ci interessa?
  5. quali esiti appartengono all'evento?

La relazione fondamentale è:

\[ \boxed{ \text{evento}=\text{sottoinsieme dello spazio campionario} } \]


Capitolo 2 – Definizione di probabilità

1. Dallo spazio campionario alla probabilità

Vogliamo misurare quanto sia probabile che un evento si verifichi.

Introduciamo:

\[ P(A) \]

con:

\[ 0\leq P(A)\leq1 \]

Più \(P(A)\) è vicino a 1, più l'evento è probabile.

Più è vicino a 0, meno è probabile.


2. Probabilità 0 e probabilità 1

Evento impossibile:

\[ P(A)=0 \]

Evento certo:

\[ P(A)=1 \]

Qui stiamo ragionando su uno spazio campionario finito con esiti di probabilità positiva. In generale, soprattutto nei modelli continui, un evento può avere probabilità 0 senza essere impossibile, oppure probabilità 1 senza coincidere con tutto lo spazio campionario.


3. Definizione classica

Se tutti gli esiti sono equiprobabili:

\[ \boxed{ P(A)= \frac{\text{casi favorevoli}} {\text{casi possibili}} } \]

In simboli:

\[ P(A)=\frac{|A|}{|\Omega|} \]


4. Esempio: dado

Evento:

numero pari.

\[ A=\{2,4,6\} \]

Quindi:

\[ P(A)=\frac36=\frac12 \]


5. Numero maggiore di 4

\[ B=\{5,6\} \]

Quindi:

\[ P(B)=\frac26=\frac13 \]


6. Evento elementare

Evento:

esce 3.

\[ P(3)=\frac16 \]


7. La parola fondamentale: equiprobabili

La formula:

\[ P(A)=\frac{\text{casi favorevoli}}{\text{casi possibili}} \]

vale quando gli esiti sono equiprobabili.


8. Moneta truccata

Supponiamo:

\[ P(T)=0,7 \]

\[ P(C)=0,3 \]

Non possiamo scrivere:

\[ P(T)=\frac12 \]

solo perché abbiamo due esiti.

I due esiti non sono equiprobabili.


9. Urna non uniforme

Un'urna contiene:

  • 9 palline rosse;
  • 1 blu.

La probabilità di rosso è:

\[ P(R)=\frac9{10} \]

non:

\[ \frac12 \]


10. Costruire correttamente lo spazio campionario

Possiamo distinguere:

\[ R_1,R_2,\ldots,R_9,B \]

Ora abbiamo 10 esiti equiprobabili.

L'evento rosso contiene 9 esiti:

\[ P(R)=\frac9{10} \]


11. Procedura corretta

  1. costruire lo spazio campionario;
  2. verificare l'equiprobabilità;
  3. contare i casi possibili;
  4. contare i casi favorevoli;
  5. fare il rapporto.

12. Due dadi

Lanciamo due dadi.

Gli esiti sono:

\[ 36 \]

Evento:

somma 7.

Casi favorevoli:

\[ (1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1) \]

Quindi:

\[ P(\text{somma}=7) = \frac6{36} = \frac16 \]


13. Errore comune: le somme non sono equiprobabili

Le somme possibili vanno da:

\[ 2 \]

a:

\[ 12 \]

ma non hanno tutte la stessa probabilità.

Per esempio:

\[ P(\text{somma}=2)=\frac1{36} \]

mentre:

\[ P(\text{somma}=7)=\frac6{36} \]


14. Distribuzione delle somme

\[ 2\rightarrow1 \]

\[ 3\rightarrow2 \]

\[ 4\rightarrow3 \]

\[ 5\rightarrow4 \]

\[ 6\rightarrow5 \]

\[ 7\rightarrow6 \]

\[ 8\rightarrow5 \]

\[ 9\rightarrow4 \]

\[ 10\rightarrow3 \]

\[ 11\rightarrow2 \]

\[ 12\rightarrow1 \]


15. Frazione, decimale e percentuale

\[ \frac14=0,25=25\% \]

Sono tre modi diversi di esprimere la stessa probabilità.


16. Probabilità frequentista

Supponiamo di testare:

\[ 10000 \]

lampadine.

Se:

\[ 8200 \]

durano più di 1000 ore:

\[ \frac{8200}{10000}=0,82 \]

Possiamo stimare:

\[ P(\text{durata}>1000)\approx0,82 \]


17. Frequenza relativa

Se un evento \(A\) si verifica \(n_A\) volte in \(n\) prove:

\[ \boxed{ f_A=\frac{n_A}{n} } \]


18. Probabilità e frequenza non sono la stessa cosa

Per una moneta equilibrata:

\[ P(T)=0,5 \]

Ma in 10 lanci potremmo ottenere 6 teste:

\[ f_T=0,6 \]

La probabilità è teorica.

La frequenza è osservata.


19. Stabilizzazione delle frequenze

Con molti lanci:

\[ f_T \]

tende ad avvicinarsi a:

\[ 0,5 \]

Questo sarà formalizzato dalla Legge dei Grandi Numeri.


20. Definizione assiomatica

La probabilità soddisfa tre assiomi fondamentali.

Primo

\[ P(A)\geq0 \]

Secondo

\[ P(\Omega)=1 \]

Terzo

Se \(A\) e \(B\) sono incompatibili:

\[ A\cap B=\varnothing \]

allora:

\[ P(A\cup B)=P(A)+P(B) \]


21. Tre modi di vedere la probabilità

Classico

\[ P(A)=\frac{|A|}{|\Omega|} \]

quando i casi sono equiprobabili.

Frequentista

\[ P(A)\approx\frac{n_A}{n} \]

per molte prove.

Assiomatico

La probabilità è una funzione che soddisfa precise proprietà matematiche.


22. Probabilità soggettiva

La probabilità può anche rappresentare un grado di fiducia basato sulle informazioni disponibili.

Questa interpretazione è importante in:

  • economia;
  • medicina;
  • previsioni;
  • intelligenza artificiale;
  • teoria delle decisioni.

23. Probabile non significa certo

Se:

\[ P(A)=0,9 \]

l'evento è molto probabile, ma può non verificarsi.

Se:

\[ P(A)=0,01 \]

è improbabile, ma può verificarsi.


24. Esempio con urna

Urna con:

  • 5 rosse;
  • 3 blu;
  • 2 verdi.

Totale:

\[ 10 \]

Quindi:

\[ P(R)=\frac5{10}=\frac12 \]

\[ P(B)=\frac3{10} \]

\[ P(V)=\frac2{10}=\frac15 \]

e:

\[ \frac5{10}+\frac3{10}+\frac2{10}=1 \]


25. Mazzo di carte

Da un mazzo di 52 carte:

\[ P(\text{asso})=\frac4{52}=\frac1{13} \]

\[ P(\text{cuori})=\frac{13}{52}=\frac14 \]


26. Figure

Le figure sono:

  • Jack;
  • Donna;
  • Re.

Sono:

\[ 3\cdot4=12 \]

Quindi:

\[ P(\text{figura}) = \frac{12}{52} = \frac3{13} \]


27. Problema controintuitivo: almeno una testa

Lanciamo due monete.

\[ \Omega=\{TT,TC,CT,CC\} \]

Evento:

almeno una testa.

\[ A=\{TT,TC,CT\} \]

Quindi:

\[ P(A)=\frac34 \]


28. Metodo del complementare

L'unico caso senza testa è:

\[ CC \]

Quindi:

\[ P(\text{almeno una testa}) = 1-\frac14 = \frac34 \]


29. Esercizi

Esercizio 1

Dado: probabilità di numero dispari.

\[ P=\frac36=\frac12 \]

Esercizio 2

Numero da 1 a 20: probabilità di multiplo di 5.

Multipli:

\[ 5,10,15,20 \]

Quindi:

\[ P=\frac4{20}=\frac15 \]

Esercizio 3

Due dadi: somma 5.

Casi:

\[ (1,4),(2,3),(3,2),(4,1) \]

Quindi:

\[ P=\frac4{36}=\frac19 \]

Esercizio 4

Urna con 7 bianche e 3 nere.

\[ P(N)=\frac3{10} \]

Esercizio 5

Due monete: esattamente una testa.

\[ \{TC,CT\} \]

Quindi:

\[ P=\frac24=\frac12 \]

Esercizio 6

Due monete: almeno una croce.

Complementare:

\[ TT \]

Quindi:

\[ P=1-\frac14=\frac34 \]


30. Domanda concettuale

Se:

\[ P(A)=0,2 \]

non significa che l'evento si verifica certamente una volta ogni 5 prove.

Significa che su molte ripetizioni la frequenza relativa tende ad avvicinarsi a:

\[ 0,2 \]


31. Fallacia del giocatore

Se per 10 lanci non è mai uscita testa, la probabilità di testa al lancio successivo, per una moneta equilibrata, rimane:

\[ \frac12 \]

La moneta non “deve recuperare”.


32. Sintesi

La probabilità è un numero:

\[ 0\leq P(A)\leq1 \]

La definizione classica è:

\[ \boxed{ P(A)=\frac{|A|}{|\Omega|} } \]

quando gli esiti sono equiprobabili.

La distinzione fondamentale è:

\[ \boxed{ \text{probabilità}\neq\text{frequenza osservata} } \]

anche se, aumentando il numero delle prove, la frequenza tende spesso ad avvicinarsi alla probabilità.

Capitolo 3 – Operazioni tra eventi

1. Eventi come insiemi

Abbiamo visto che un evento è un sottoinsieme dello spazio campionario.

Se:

\[ \Omega \]

è lo spazio campionario e \(A\) e \(B\) sono due eventi, possiamo usare le normali operazioni tra insiemi.

Le più importanti sono:

  • unione;
  • intersezione;
  • complementare;
  • differenza;
  • incompatibilità.

2. Unione di due eventi

L'unione di due eventi \(A\) e \(B\) si indica con:

\[ A\cup B \]

e significa:

si verifica \(A\) oppure \(B\), oppure entrambi.

Esempio

Lanciamo un dado.

\[ \Omega=\{1,2,3,4,5,6\} \]

Sia:

\[ A=\{\text{numero pari}\}=\{2,4,6\} \]

\[ B=\{\text{numero maggiore di 3}\}=\{4,5,6\} \]

Allora:

\[ A\cup B=\{2,4,5,6\} \]


3. Intersezione di due eventi

L'intersezione si indica con:

\[ A\cap B \]

e significa:

si verificano contemporaneamente \(A\) e \(B\).

Con gli eventi precedenti:

\[ A\cap B=\{4,6\} \]


4. “Oppure” ed “e”

In probabilità:

\(A\) oppure \(B\)

si traduce:

\[ A\cup B \]

mentre:

\(A\) e \(B\)

si traduce:

\[ A\cap B \]


5. Attenzione al significato di “oppure”

L'unione:

\[ A\cup B \]

ha normalmente significato inclusivo:

\(A\), oppure \(B\), oppure entrambi.


6. Complementare di un evento

Il complementare di \(A\) è l'evento:

\(A\) non si verifica.

Si indica con:

\[ A^c \]

oppure:

\[ \overline A \]

Esempio

Se:

\[ A=\{2,4,6\} \]

allora:

\[ A^c=\{1,3,5\} \]


7. Proprietà del complementare

Un evento e il suo complementare soddisfano:

\[ A\cup A^c=\Omega \]

e:

\[ A\cap A^c=\varnothing \]


8. Formula del complementare

Poiché:

\[ P(\Omega)=1 \]

abbiamo:

\[ P(A)+P(A^c)=1 \]

quindi:

\[ \boxed{ P(A^c)=1-P(A) } \]


9. Esempio

Se:

\[ P(A)=0,7 \]

allora:

\[ P(A^c)=0,3 \]


10. Almeno uno e complementare

Lanciamo tre monete.

Qual è la probabilità di ottenere almeno una testa?

È più semplice usare il complementare.

L'evento contrario è:

nessuna testa.

Questo significa:

\[ CCC \]

Quindi:

\[ P(\text{nessuna testa}) = \left(\frac12\right)^3 = \frac18 \]

Pertanto:

\[ P(\text{almeno una testa}) = 1-\frac18 = \frac78 \]


11. Differenza tra eventi

La differenza:

\[ A\setminus B \]

significa:

si verifica \(A\), ma non \(B\).

Equivalentemente:

\[ A\setminus B=A\cap B^c \]

Esempio

Se:

\[ A=\{2,4,6\} \]

\[ B=\{4,5,6\} \]

allora:

\[ A\setminus B=\{2\} \]


12. Eventi incompatibili

Due eventi sono incompatibili quando non possono verificarsi contemporaneamente.

Matematicamente:

\[ A\cap B=\varnothing \]

Esempio

Lanciando un dado:

\[ A=\{\text{numero pari}\} \]

\[ B=\{\text{numero dispari}\} \]

Sono incompatibili.


13. Eventi compatibili

Sono compatibili se:

\[ A\cap B\neq\varnothing \]

Per esempio:

\[ A=\{2,4,6\} \]

\[ B=\{4,5,6\} \]

hanno:

\[ A\cap B=\{4,6\} \]


14. Probabilità dell'unione per eventi incompatibili

Se:

\[ A\cap B=\varnothing \]

allora:

\[ \boxed{ P(A\cup B)=P(A)+P(B) } \]


15. Esempio

Dado:

\[ A=\{1\} \]

\[ B=\{6\} \]

Quindi:

\[ P(A\cup B) = \frac16+\frac16 = \frac13 \]


16. Perché non possiamo sempre sommare

Supponiamo:

\[ A=\{2,4,6\} \]

\[ B=\{4,5,6\} \]

Se facessimo:

\[ P(A)+P(B) = \frac36+\frac36 = 1 \]

sbaglieremmo perché:

\[ 4,6 \]

sono stati contati due volte.


17. Formula generale dell'unione

La formula corretta è:

\[ \boxed{ P(A\cup B) = P(A)+P(B)-P(A\cap B) } \]


18. Esempio

\[ P(A)=\frac36 \]

\[ P(B)=\frac36 \]

\[ P(A\cap B)=\frac26 \]

Quindi:

\[ P(A\cup B) = \frac36+\frac36-\frac26 = \frac46 = \frac23 \]


19. Principio di inclusione-esclusione

La formula:

\[ P(A\cup B) = P(A)+P(B)-P(A\cap B) \]

è un caso del principio di inclusione-esclusione.

L'idea è:

  1. contiamo \(A\);
  2. contiamo \(B\);
  3. l'intersezione è stata contata due volte;
  4. la sottraiamo una volta.

20. Diagrammi di Venn

Nei diagrammi di Venn:

  • il rettangolo rappresenta \(\Omega\);
  • le regioni interne rappresentano gli eventi;
  • la sovrapposizione rappresenta \(A\cap B\);
  • l'insieme delle due regioni rappresenta \(A\cup B\);
  • la parte esterna ad \(A\) rappresenta \(A^c\).

21. Leggi di De Morgan

\[ \boxed{ (A\cup B)^c=A^c\cap B^c } \]

e:

\[ \boxed{ (A\cap B)^c=A^c\cup B^c } \]


22. Interpretazione

La prima significa:

non si verifica né \(A\) né \(B\).

La seconda significa:

non si verificano contemporaneamente \(A\) e \(B\).


23. “Almeno uno”

L'espressione:

almeno uno

porta spesso all'unione.

Il contrario è:

nessuno.

Quindi spesso:

\[ P(\text{almeno uno}) = 1-P(\text{nessuno}) \]


24. “Esattamente uno”

Non coincide con “almeno uno”.

Con due monete:

\[ \Omega=\{TT,TC,CT,CC\} \]

“almeno una testa”:

\[ \{TT,TC,CT\} \]

“esattamente una testa”:

\[ \{TC,CT\} \]

Quindi:

\[ P(\text{almeno una testa})=\frac34 \]

\[ P(\text{esattamente una testa})=\frac12 \]


25. “Al massimo uno”

Significa:

\[ 0\text{ oppure }1 \]

Per esempio:

al massimo una testa

comprende:

  • nessuna testa;
  • esattamente una testa.

26. Esempio con carte

Da un mazzo di 52 carte estraiamo una carta.

Sia:

\[ A=\{\text{asso}\} \]

\[ B=\{\text{cuori}\} \]

Abbiamo:

\[ P(A)=\frac4{52} \]

\[ P(B)=\frac{13}{52} \]

\[ P(A\cap B)=\frac1{52} \]

Quindi:

\[ P(A\cup B) = \frac4{52} + \frac{13}{52} - \frac1{52} \]

\[ = \frac{16}{52} = \frac4{13} \]


27. Probabilità di tre eventi

Per tre eventi:

\[ P(A\cup B\cup C) \]

vale:

\[ P(A)+P(B)+P(C) \]

\[ -P(A\cap B) -P(A\cap C) -P(B\cap C) \]

\[ +P(A\cap B\cap C) \]


28. Esempio di conteggio

In una classe:

  • 18 studiano inglese;
  • 12 francese;
  • 7 entrambe.

Quanti studiano almeno una lingua?

\[ 18+12-7=23 \]


29. Esercizi

Esercizio 1

\[ A=\{1,2,3\} \]

\[ B=\{3,4,5\} \]

Trova:

\[ A\cup B \]

e:

\[ A\cap B \]

Soluzione

\[ A\cup B=\{1,2,3,4,5\} \]

\[ A\cap B=\{3\} \]

Esercizio 2

Dado:

\[ A=\{\text{numero maggiore di 2}\} \]

Allora:

\[ A=\{3,4,5,6\} \]

\[ A^c=\{1,2\} \]

Esercizio 3

Se:

\[ P(A)=0,35 \]

allora:

\[ P(A^c)=0,65 \]

Esercizio 4

Se:

\[ P(A)=0,4 \]

\[ P(B)=0,3 \]

e sono incompatibili:

\[ P(A\cup B)=0,7 \]

Esercizio 5

Se:

\[ P(A)=0,6 \]

\[ P(B)=0,5 \]

\[ P(A\cap B)=0,2 \]

allora:

\[ P(A\cup B)=0,9 \]


30. Sintesi del Capitolo 3

\[ \boxed{ A\cup B } \]

significa:

\(A\) oppure \(B\).

\[ \boxed{ A\cap B } \]

significa:

\(A\) e \(B\).

\[ \boxed{ A^c } \]

significa:

non \(A\).

Formula del complementare:

\[ \boxed{ P(A^c)=1-P(A) } \]

Formula dell'unione:

\[ \boxed{ P(A\cup B) = P(A)+P(B)-P(A\cap B) } \]


Capitolo 4 – Calcolo combinatorio applicato alla probabilità

1. Perché serve il calcolo combinatorio

Nella probabilità classica:

\[ P(A)=\frac{\text{casi favorevoli}}{\text{casi possibili}} \]

Spesso il vero problema è contare correttamente questi casi.

Per esempio:

  • quante password possiamo formare?
  • quanti gruppi possiamo scegliere?
  • quante disposizioni sono possibili?
  • quante mani di carte esistono?

Il calcolo combinatorio permette di rispondere senza elencare tutti i casi.


2. Principio fondamentale del conteggio

Se un procedimento ha più fasi e:

  • la prima può essere svolta in \(n_1\) modi;
  • la seconda in \(n_2\);
  • la terza in \(n_3\);

allora il numero totale di possibilità è:

\[ \boxed{ n_1n_2n_3 } \]


3. Esempio

4 magliette e 3 pantaloni.

Gli abbinamenti sono:

\[ 4\cdot3=12 \]


4. Menu

3 primi, 4 secondi, 2 dolci.

\[ 3\cdot4\cdot2=24 \]

menu.


5. Password con ripetizione

Password di 4 cifre.

Ogni posizione ha:

\[ 10 \]

possibilità.

Quindi:

\[ 10^4=10000 \]


6. Password senza ripetizione

Se le cifre non possono ripetersi:

\[ 10\cdot9\cdot8\cdot7 = 5040 \]


7. Fattoriale

Per un intero positivo:

\[ \boxed{ n!=n(n-1)(n-2)\cdots2\cdot1 } \]

Esempi:

\[ 5!=120 \]

\[ 4!=24 \]

\[ 3!=6 \]

Per convenzione:

\[ \boxed{0!=1} \]


8. Permutazioni semplici

Se abbiamo \(n\) oggetti distinti e vogliamo ordinarli tutti:

\[ \boxed{ P_n=n! } \]


9. Esempio

Con:

\[ A,B,C \]

abbiamo:

\[ ABC,\ ACB,\ BAC,\ BCA,\ CAB,\ CBA \]

Quindi:

\[ 3!=6 \]


10. Persone in fila

Cinque persone:

\[ 5!=120 \]

ordinamenti.


11. Quando usare le permutazioni

Usiamo le permutazioni quando:

  1. usiamo tutti gli elementi;
  2. gli elementi sono distinti;
  3. l'ordine conta.

12. Disposizioni semplici

Se abbiamo \(n\) elementi e ne scegliamo \(k\), con ordine importante e senza ripetizione:

\[ \boxed{ D_{n,k} = \frac{n!}{(n-k)!} } \]


13. Esempio

Tra 10 persone scegliamo:

  • presidente;
  • vicepresidente;
  • segretario.

L'ordine conta.

\[ D_{10,3} = 10\cdot9\cdot8 = 720 \]


14. Perché l'ordine conta

Marco presidente, Luca vicepresidente

è diverso da:

Luca presidente, Marco vicepresidente.


15. Disposizioni con ripetizione

Se abbiamo \(n\) simboli e costruiamo sequenze di lunghezza \(k\), con ripetizione:

\[ \boxed{ n^k } \]


16. Esempio

Password di 5 cifre:

\[ 10^5=100000 \]


17. Combinazioni semplici

Se scegliamo \(k\) elementi tra \(n\) e l'ordine non conta:

\[ \boxed{ \binom nk = \frac{n!}{k!(n-k)!} } \]


18. Esempio

Scegliamo una commissione di 3 persone tra 10.

\[ \binom{10}{3} = \frac{10!}{3!7!} = 120 \]


19. Perché dividiamo per \(k!\)

Le disposizioni conterebbero ogni gruppo:

\[ k! \]

volte.

Quindi:

\[ \binom nk = \frac{D_{n,k}}{k!} \]


20. Domanda decisiva

Bisogna chiedersi:

cambiando l'ordine ottengo un risultato diverso?

Se sì:

\[ \text{disposizioni o permutazioni} \]

Se no:

\[ \text{combinazioni} \]


21. Schema concettuale

Tutti gli elementi, ordine importante

\[ n! \]

\(k\) elementi su \(n\), ordine importante

\[ \frac{n!}{(n-k)!} \]

\(k\) elementi su \(n\), ordine non importante

\[ \binom nk \]

Ripetizioni ammesse e ordine importante

\[ n^k \]


22. Permutazioni con elementi ripetuti

Parola:

\[ MAMMA \]

Abbiamo:

  • 5 lettere;
  • \(M\) ripetuta 3 volte;
  • \(A\) ripetuta 2 volte.

Gli anagrammi distinti sono:

\[ \frac{5!}{3!2!} = 10 \]


23. Formula generale

Se:

\[ n_1+n_2+\cdots+n_r=n \]

allora:

\[ \boxed{ \frac{n!}{n_1!n_2!\cdots n_r!} } \]


24. Esempio: MATEMATICA

La parola ha 10 lettere.

Ripetizioni:

  • \(A\): 3;
  • \(M\): 2;
  • \(T\): 2.

Quindi:

\[ \frac{10!}{3!2!2!} \]


25. Carte e combinazioni

Da 52 carte scegliamo 5.

Se l'ordine non interessa:

\[ \boxed{ \binom{52}{5} } \]


26. Probabilità di 5 cuori

Le carte di cuori sono 13.

Casi favorevoli:

\[ \binom{13}{5} \]

Casi possibili:

\[ \binom{52}{5} \]

Quindi:

\[ \boxed{ P= \frac{\binom{13}{5}}{\binom{52}{5}} } \]


27. Esattamente 2 assi

In una mano di 5 carte:

  • scegliamo 2 assi tra 4;
  • scegliamo 3 non assi tra 48.

Quindi:

\[ \boxed{ P= \frac{ \binom42\binom{48}{3} }{ \binom{52}{5} } } \]


28. Lotteria

Se si estraggono 6 numeri da 90 e l'ordine non conta:

\[ \binom{90}{6} \]

possibili sestine.

La probabilità di una sestina specifica è:

\[ \frac1{\binom{90}{6}} \]


29. Errore comune

Per una mano di 5 carte non dobbiamo usare disposizioni se l'ordine non conta.

La mano:

\[ A,B,C,D,E \]

è la stessa di:

\[ E,D,C,B,A \]


30. Quando invece l'ordine conta

Se tre numeri formano un codice:

\[ 2,5,7 \]

è diverso da:

\[ 7,5,2 \]

Quindi usiamo disposizioni.


31. Codice con lettere e cifre

Codice formato da:

  • 2 lettere;
  • 3 cifre.

Con ripetizione:

\[ 26^2\cdot10^3 \]


32. Password che non inizia con zero

Password numerica di 4 cifre.

Prima cifra:

\[ 9 \]

possibilità.

Altre tre:

\[ 10 \]

ciascuna.

Totale:

\[ 9\cdot10^3=9000 \]


33. Numeri di 4 cifre tutte diverse

Prima cifra:

\[ 9 \]

Seconda:

\[ 9 \]

Terza:

\[ 8 \]

Quarta:

\[ 7 \]

Totale:

\[ 9\cdot9\cdot8\cdot7 = 4536 \]


34. Proprietà delle combinazioni

\[ \boxed{ \binom nk=\binom n{n-k} } \]

Perché scegliere \(k\) elementi equivale a scegliere quali \(n-k\) lasciare fuori.


35. Relazione di Pascal

\[ \boxed{ \binom nk = \binom{n-1}{k} + \binom{n-1}{k-1} } \]


36. Triangolo di Pascal

\[ 1 \]

\[ 1\quad1 \]

\[ 1\quad2\quad1 \]

\[ 1\quad3\quad3\quad1 \]

\[ 1\quad4\quad6\quad4\quad1 \]

Ogni numero interno è la somma dei due sopra.


37. Collegamento con il binomio di Newton

\[ (a+b)^4 = a^4+4a^3b+6a^2b^2+4ab^3+b^4 \]

I coefficienti:

\[ 1,4,6,4,1 \]

sono coefficienti binomiali.


38. Problema completo

Una classe ha:

  • 7 ragazze;
  • 5 ragazzi.

Si scelgono 4 studenti.

Probabilità di esattamente 3 ragazze:

\[ \boxed{ P= \frac{ \binom73\binom51 }{ \binom{12}{4} } } \]


39. Altro problema completo

Urna con:

  • 6 rosse;
  • 4 blu.

Si estraggono 3 palline.

Probabilità di esattamente 2 rosse:

\[ P= \frac{ \binom62\binom41 }{ \binom{10}{3} } \]

Calcolando:

\[ \binom62=15 \]

\[ \binom41=4 \]

\[ \binom{10}{3}=120 \]

Quindi:

\[ P=\frac{60}{120}=\frac12 \]


40. Esercizi

Esercizio 1

Disporre 6 persone in fila.

\[ 6!=720 \]

Esercizio 2

Presidente e vicepresidente tra 8 persone.

\[ D_{8,2}=8\cdot7=56 \]

Esercizio 3

Commissione di 2 persone tra 8.

\[ \binom82=28 \]

Esercizio 4

Sequenze di 6 cifre con ripetizione.

\[ 10^6 \]

Esercizio 5

Sequenze di 6 cifre senza ripetizione.

\[ 10\cdot9\cdot8\cdot7\cdot6\cdot5 \]

Esercizio 6

Anagrammi di:

\[ ANNA \]

\[ \frac{4!}{2!2!}=6 \]


41. Probabilità che una persona sia scelta

Da 8 persone scegliamo 3.

Probabilità che Marco venga scelto:

\[ \frac{\binom72}{\binom83} \]

\[ = \frac{21}{56} = \frac38 \]


42. Almeno un asso

Da 52 carte scegliamo 5.

Probabilità di almeno un asso:

\[ 1- \frac{ \binom{48}{5} }{ \binom{52}{5} } \]

Il complementare semplifica il calcolo.


43. Il metodo prima della formula

Prima di scegliere una formula chiediamoci:

  1. che cosa sto costruendo o scegliendo?
  2. uso tutti gli elementi?
  3. l'ordine conta?
  4. sono ammesse ripetizioni?
  5. ci sono elementi uguali?
  6. ci sono vincoli?

44. Guida rapida

Tutti gli elementi, ordine importante:

\[ \boxed{n!} \]

\(k\) su \(n\), ordine importante:

\[ \boxed{ \frac{n!}{(n-k)!} } \]

\(k\) su \(n\), ordine importante con ripetizione:

\[ \boxed{n^k} \]

\(k\) su \(n\), ordine non importante:

\[ \boxed{ \binom nk } \]

Elementi ripetuti:

\[ \boxed{ \frac{n!}{n_1!n_2!\cdots n_r!} } \]


45. Sintesi del Capitolo 4

Il calcolo combinatorio permette di contare senza elencare.

Le formule fondamentali sono:

\[ \boxed{P_n=n!} \]

\[ \boxed{ D_{n,k}=\frac{n!}{(n-k)!} } \]

\[ \boxed{ D'_{n,k}=n^k } \]

\[ \boxed{ \binom nk= \frac{n!}{k!(n-k)!} } \]

e, con elementi ripetuti:

\[ \boxed{ \frac{n!}{n_1!n_2!\cdots n_r!} } \]

La regola più importante resta:

\[ \boxed{ \text{prima ragionare, poi scegliere la formula} } \]

Capitolo 5 – Probabilità condizionata

1. L'idea di probabilità condizionata

Finora abbiamo calcolato probabilità conoscendo soltanto l'esperimento casuale.

Ma spesso riceviamo una nuova informazione.

Per esempio:

lanciamo un dado e sappiamo che è uscito un numero pari.

A questo punto gli esiti possibili non sono più:

\[ \{1,2,3,4,5,6\} \]

ma soltanto:

\[ \{2,4,6\} \]

La nuova informazione ha ristretto lo spazio delle possibilità.

Se ora chiediamo:

qual è la probabilità che il numero sia maggiore di 3?

tra:

\[ 2,4,6 \]

gli esiti favorevoli sono:

\[ 4,6 \]

quindi:

\[ \frac23 \]

Questa è una probabilità condizionata.


2. Notazione

La probabilità dell'evento \(A\), sapendo che si è verificato \(B\), si indica con:

\[ \boxed{P(A\mid B)} \]

e si legge:

probabilità di \(A\) dato \(B\).


3. Primo esempio

Lanciamo un dado.

Sia:

\[ A=\{\text{numero maggiore di 3}\} \]

quindi:

\[ A=\{4,5,6\} \]

e:

\[ B=\{\text{numero pari}\} \]

quindi:

\[ B=\{2,4,6\} \]

Vogliamo:

\[ P(A\mid B) \]

Sapendo che \(B\) è avvenuto, consideriamo soltanto:

\[ \{2,4,6\} \]

Gli esiti appartenenti anche ad \(A\) sono:

\[ \{4,6\} \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(A\mid B)=\frac23 } \]


4. Formula della probabilità condizionata

In generale:

\[ \boxed{ P(A\mid B) = \frac{P(A\cap B)}{P(B)} } \]

purché:

\[ P(B)>0 \]


5. Perché compare l'intersezione

Sapendo che \(B\) si è verificato, \(B\) diventa il nuovo spazio delle possibilità.

Tra gli esiti di \(B\), quelli favorevoli ad \(A\) sono:

\[ A\cap B \]

Quindi:

\[ P(A\mid B) = \frac{\text{parte di }B\text{ favorevole ad }A} {\text{tutto }B} \]


6. Verifica con il dado

Abbiamo:

\[ P(A\cap B)=\frac26=\frac13 \]

e:

\[ P(B)=\frac36=\frac12 \]

Quindi:

\[ P(A\mid B) = \frac{\frac13}{\frac12} = \frac23 \]


7. Esempio con le carte

Da un mazzo di 52 carte estraiamo una carta.

Sappiamo che è una figura.

Qual è la probabilità che sia un re?

Le figure sono:

  • 4 Jack;
  • 4 Donne;
  • 4 Re.

In totale:

\[ 12 \]

I re sono:

\[ 4 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(\text{Re}\mid\text{Figura}) = \frac4{12} = \frac13 } \]


8. L'ordine conta

In generale:

\[ \boxed{ P(A\mid B)\neq P(B\mid A) } \]

Per esempio:

\[ P(\text{Re}\mid\text{Figura})=\frac13 \]

ma:

\[ P(\text{Figura}\mid\text{Re})=1 \]

perché tutti i re sono figure.


9. Errore frequente

Confondere:

\[ P(A\mid B) \]

con:

\[ P(B\mid A) \]

è uno degli errori più comuni.

La parte dopo la barra è l'informazione che sappiamo essere vera.


10. Esempio con studenti

In una classe:

  • 18 ragazze;
  • 12 ragazzi;
  • 10 ragazze portano gli occhiali;
  • 4 ragazzi portano gli occhiali.

Probabilità di occhiali sapendo che è una ragazza:

\[ P(O\mid R) = \frac{10}{18} = \frac59 \]


11. Invertiamo la domanda

Probabilità di essere ragazza sapendo che porta gli occhiali:

Gli studenti con occhiali sono:

\[ 10+4=14 \]

quindi:

\[ P(R\mid O) = \frac{10}{14} = \frac57 \]

Osserviamo:

\[ \frac59\neq\frac57 \]


12. Diagramma ad albero

La probabilità condizionata si rappresenta bene con un albero.

Supponiamo:

\[ P(A)=0,6 \]

\[ P(A^c)=0,4 \]

e:

\[ P(B\mid A)=0,7 \]

\[ P(B\mid A^c)=0,2 \]

Ogni ramo rappresenta una probabilità condizionata.


13. Regola del prodotto

Partiamo da:

\[ P(A\mid B) = \frac{P(A\cap B)}{P(B)} \]

Moltiplicando per \(P(B)\):

\[ \boxed{ P(A\cap B) = P(B)P(A\mid B) } \]

Analogamente:

\[ \boxed{ P(A\cap B) = P(A)P(B\mid A) } \]


14. Interpretazione

La probabilità che avvengano entrambi gli eventi può essere calcolata come:

\[ P(A) \]

moltiplicato per la probabilità di \(B\) sapendo che \(A\) è già avvenuto.


15. Urna senza reinserimento

Un'urna contiene:

  • 3 palline rosse;
  • 2 blu.

Estraiamo due palline senza reinserimento.

Probabilità che siano entrambe rosse:

\[ P(R_1)=\frac35 \]

Dopo una rossa restano:

  • 2 rosse;
  • 2 blu.

Quindi:

\[ P(R_2\mid R_1)=\frac24 \]

e:

\[ P(R_1\cap R_2) = \frac35\cdot\frac24 \]

\[ = \frac3{10} \]


16. Con reinserimento

Se rimettiamo la prima pallina nell'urna:

\[ P(R_2\mid R_1)=\frac35 \]

Quindi:

\[ P(R_1\cap R_2) = \frac35\cdot\frac35 = \frac9{25} \]


17. Dipendenza e indipendenza

Se sapere che \(A\) è avvenuto cambia la probabilità di \(B\), gli eventi sono dipendenti.

Se invece:

\[ P(B\mid A)=P(B) \]

gli eventi sono indipendenti.

Questo concetto sarà approfondito nel Capitolo 6.


18. Esempio di indipendenza

Lanciamo una moneta e un dado.

Sia:

\[ A=\{\text{dado mostra 6}\} \]

\[ B=\{\text{moneta mostra testa}\} \]

Sapere che è uscita testa non cambia la probabilità del 6.

Quindi:

\[ P(A\mid B)=P(A)=\frac16 \]


19. Esempio di dipendenza

Estraiamo due carte senza reinserimento.

Sia:

\[ A=\{\text{prima carta è un asso}\} \]

\[ B=\{\text{seconda carta è un asso}\} \]

Prima:

\[ P(B)=\frac4{52} \]

Sapendo che la prima è un asso:

\[ P(B\mid A)=\frac3{51} \]

Le due probabilità sono diverse.


20. Due dadi

Lanciamo due dadi.

Sappiamo che la somma è 8.

Qual è la probabilità che almeno uno mostri 5?

Gli esiti con somma 8 sono:

\[ (2,6),(3,5),(4,4),(5,3),(6,2) \]

Quelli con almeno un 5:

\[ (3,5),(5,3) \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(\text{almeno un 5}\mid\text{somma}=8) = \frac25 } \]


21. Problema dei due figli

Modello semplificato:

\[ \{MM,MF,FM,FF\} \]

Sapendo che almeno un figlio è maschio, eliminiamo:

\[ FF \]

Restano:

\[ MM,MF,FM \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(MM\mid\text{almeno un maschio}) = \frac13 } \]


22. Informazioni diverse producono probabilità diverse

Se sappiamo invece:

il primo figlio è maschio

restano:

\[ MM,MF \]

Quindi:

\[ P(MM\mid\text{primo figlio maschio}) = \frac12 \]

L'informazione condizionante è decisiva.


23. Tre eventi

La regola del prodotto si estende:

\[ \boxed{ P(A\cap B\cap C) = P(A) P(B\mid A) P(C\mid A\cap B) } \]


24. Esempio con tre carte

Da un mazzo di 52 carte estraiamo tre carte senza reinserimento.

Probabilità che siano tutte assi:

\[ \frac4{52} \cdot \frac3{51} \cdot \frac2{50} \]


25. Metodo alternativo

Possiamo anche scrivere:

\[ \frac{\binom43}{\binom{52}{3}} \]

I due metodi conducono allo stesso risultato.


26. Errore da evitare

Non possiamo scrivere sempre:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B) \]

La formula corretta generale è:

\[ \boxed{ P(A\cap B)=P(A)P(B\mid A) } \]

Solo in caso di indipendenza:

\[ P(B\mid A)=P(B) \]

e quindi:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B) \]


27. Esercizi

Esercizio 1

Dado: probabilità di 6 sapendo che è uscito un numero pari.

\[ P(6\mid\text{pari})=\frac13 \]

Esercizio 2

Carta: probabilità di asso sapendo che è di cuori.

\[ P(\text{asso}\mid\text{cuori}) = \frac1{13} \]

Esercizio 3

Urna con 5 rosse e 3 blu.

Due estrazioni senza reinserimento.

Probabilità di due blu:

\[ \frac38\cdot\frac27 = \frac3{28} \]

Esercizio 4

Probabilità prima rossa e poi blu:

\[ \frac58\cdot\frac37 = \frac{15}{56} \]

Esercizio 5

Se:

\[ P(A)=0,4 \]

e:

\[ P(B\mid A)=0,3 \]

allora:

\[ P(A\cap B)=0,12 \]

Esercizio 6

Se:

\[ P(A\cap B)=0,18 \]

e:

\[ P(B)=0,3 \]

allora:

\[ P(A\mid B)=0,6 \]


28. Sintesi del Capitolo 5

La probabilità condizionata è:

\[ \boxed{ P(A\mid B) = \frac{P(A\cap B)}{P(B)} } \]

La regola del prodotto è:

\[ \boxed{ P(A\cap B) = P(A)P(B\mid A) } \]

Idea fondamentale:

\[ \boxed{ \text{una nuova informazione restringe lo spazio delle possibilità} } \]


Capitolo 6 – Indipendenza e dipendenza degli eventi

1. L'idea di indipendenza

Due eventi sono indipendenti quando il verificarsi di uno non modifica la probabilità dell'altro.

In altre parole, conoscere il risultato di \(A\) non ci fornisce informazione utile su \(B\).


2. Definizione tramite probabilità condizionata

Se:

\[ P(A)>0 \]

e:

\[ P(B)>0 \]

gli eventi sono indipendenti quando:

\[ \boxed{ P(A\mid B)=P(A) } \]

e quindi anche:

\[ \boxed{ P(B\mid A)=P(B) } \]


3. Definizione equivalente

Usando la regola del prodotto:

\[ P(A\cap B) = P(A)P(B\mid A) \]

Se gli eventi sono indipendenti:

\[ P(B\mid A)=P(B) \]

quindi:

\[ \boxed{ P(A\cap B)=P(A)P(B) } \]

Questa è la forma più utilizzata.


4. Esempio con dado e moneta

Lanciamo una moneta e un dado.

Sia:

\[ A=\{\text{testa}\} \]

\[ B=\{\text{esce 6}\} \]

Abbiamo:

\[ P(A)=\frac12 \]

\[ P(B)=\frac16 \]

La probabilità che avvengano entrambi è:

\[ P(A\cap B)=\frac1{12} \]

Poiché:

\[ \frac12\cdot\frac16=\frac1{12} \]

gli eventi sono indipendenti.


5. Esempio con due lanci di moneta

Lanciamo due volte una moneta equilibrata.

Sia:

\[ A=\{\text{prima testa}\} \]

\[ B=\{\text{seconda testa}\} \]

Abbiamo:

\[ P(A)=\frac12 \]

\[ P(B)=\frac12 \]

e:

\[ P(A\cap B)=\frac14 \]

Poiché:

\[ \frac12\cdot\frac12=\frac14 \]

gli eventi sono indipendenti.


6. Dipendenza

Due eventi sono dipendenti quando:

\[ P(A\mid B)\neq P(A) \]

cioè sapere che \(B\) è avvenuto modifica la probabilità di \(A\).


7. Esempio con carte

Da un mazzo di 52 carte estraiamo due carte senza reinserimento.

Sia:

\[ A=\{\text{prima carta asso}\} \]

\[ B=\{\text{seconda carta asso}\} \]

Abbiamo:

\[ P(B)=\frac4{52} \]

ma:

\[ P(B\mid A)=\frac3{51} \]

Quindi \(A\) e \(B\) sono dipendenti.


8. Reinserimento e indipendenza

Se dopo la prima estrazione rimettiamo la carta nel mazzo e rimescoliamo:

\[ P(B\mid A)=\frac4{52} \]

uguale a:

\[ P(B) \]

In questo caso le due estrazioni sono indipendenti.


9. Attenzione: incompatibilità e indipendenza non sono la stessa cosa

Questa è una distinzione fondamentale.

Eventi incompatibili

Non possono verificarsi insieme:

\[ A\cap B=\varnothing \]

Eventi indipendenti

Il verificarsi di uno non modifica la probabilità dell'altro:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B) \]

Sono concetti completamente diversi.


10. Esempio di incompatibilità

Lanciamo un dado.

Sia:

\[ A=\{\text{esce 2}\} \]

\[ B=\{\text{esce 5}\} \]

Non possono verificarsi insieme.

Quindi:

\[ A\cap B=\varnothing \]

Sono incompatibili.


11. Sono anche indipendenti?

Abbiamo:

\[ P(A)=\frac16 \]

\[ P(B)=\frac16 \]

Se fossero indipendenti dovrebbe valere:

\[ P(A\cap B) = \frac1{36} \]

Ma in realtà:

\[ P(A\cap B)=0 \]

Quindi non sono indipendenti.


12. Regola importante

Due eventi incompatibili con probabilità positiva non possono essere indipendenti.

Infatti, se:

\[ P(A)>0 \]

e:

\[ P(B)>0 \]

per indipendenza servirebbe:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B)>0 \]

ma per incompatibilità:

\[ P(A\cap B)=0 \]

contraddizione.


13. Esempio intuitivo

Se sappiamo che è uscito 2:

\[ P(\text{esce 5}\mid\text{esce 2})=0 \]

mentre prima:

\[ P(\text{esce 5})=\frac16 \]

Sapere che \(A\) è avvenuto cambia completamente la probabilità di \(B\).


14. Eventi indipendenti possono verificarsi insieme

Nel lancio di moneta e dado:

\[ A=\{\text{testa}\} \]

\[ B=\{\text{6}\} \]

possono verificarsi contemporaneamente.

Infatti:

\[ A\cap B \]

non è vuoto.

L'indipendenza non significa impossibilità di verificarsi insieme.


15. Formula del prodotto per eventi indipendenti

Se \(A\) e \(B\) sono indipendenti:

\[ \boxed{ P(A\cap B)=P(A)P(B) } \]

Questa formula è molto importante.


16. Tre eventi indipendenti

Se tre eventi:

\[ A,B,C \]

sono mutuamente indipendenti, allora:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B) \]

\[ P(A\cap C)=P(A)P(C) \]

\[ P(B\cap C)=P(B)P(C) \]

e anche:

\[ \boxed{ P(A\cap B\cap C) = P(A)P(B)P(C) } \]


17. Indipendenza a coppie non basta

È possibile che tre eventi siano indipendenti a coppie ma non mutuamente indipendenti.

Questo è un punto più avanzato ma importante.


18. Esempio classico

Lanciamo due monete equilibrate.

Definiamo:

\[ A=\{\text{prima moneta testa}\} \]

\[ B=\{\text{seconda moneta testa}\} \]

\[ C=\{\text{le due monete danno lo stesso risultato}\} \]

Lo spazio è:

\[ \{TT,TC,CT,CC\} \]

Abbiamo:

\[ P(A)=P(B)=P(C)=\frac12 \]


19. Indipendenza a coppie

\[ A\cap B=\{TT\} \]

quindi:

\[ P(A\cap B)=\frac14 = \frac12\cdot\frac12 \]

Analogamente:

\[ P(A\cap C)=\frac14 \]

e:

\[ P(B\cap C)=\frac14 \]

Quindi gli eventi sono indipendenti a coppie.


20. Ma non mutuamente indipendenti

L'intersezione tripla è:

\[ A\cap B\cap C=\{TT\} \]

quindi:

\[ P(A\cap B\cap C)=\frac14 \]

Ma:

\[ P(A)P(B)P(C) = \frac18 \]

Poiché:

\[ \frac14\neq\frac18 \]

i tre eventi non sono mutuamente indipendenti.


21. Indipendenza e complementare

Se \(A\) e \(B\) sono indipendenti, allora anche:

\[ A^c \]

e:

\[ B \]

sono indipendenti.

Vale anche per:

\[ A \]

e:

\[ B^c \]

e per:

\[ A^c \]

e:

\[ B^c \]


22. Dimostrazione

Se \(A\) e \(B\) sono indipendenti:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B) \]

Ora:

\[ P(A^c\cap B) = P(B)-P(A\cap B) \]

\[ = P(B)-P(A)P(B) \]

\[ = P(B)(1-P(A)) \]

\[ = P(B)P(A^c) \]

Quindi \(A^c\) e \(B\) sono indipendenti.


23. Almeno un successo in prove indipendenti

Supponiamo di avere \(n\) prove indipendenti.

La probabilità di successo in ciascuna è:

\[ p \]

La probabilità di nessun successo è:

\[ (1-p)^n \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(\text{almeno un successo}) = 1-(1-p)^n } \]


24. Esempio con un dado

Lanciamo un dado 4 volte.

Qual è la probabilità di ottenere almeno un 6?

Probabilità di non ottenere 6 in un lancio:

\[ \frac56 \]

Probabilità di nessun 6 in 4 lanci:

\[ \left(\frac56\right)^4 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(\text{almeno un 6}) = 1-\left(\frac56\right)^4 } \]


25. Probabilità di una sequenza

Se i lanci sono indipendenti, la probabilità di una sequenza specifica si ottiene moltiplicando.

Per esempio, con una moneta equilibrata:

\[ P(TCTT) = \frac12\cdot\frac12\cdot\frac12\cdot\frac12 = \frac1{16} \]


26. Moneta non equilibrata

Se:

\[ P(T)=p \]

e:

\[ P(C)=1-p \]

allora:

\[ P(TCTT) = p(1-p)p^2 \]

\[ = p^3(1-p) \]


27. Collegamento con la binomiale

Questo ragionamento conduce direttamente alla distribuzione binomiale.

Se in \(n\) prove indipendenti vogliamo esattamente \(k\) successi, ogni sequenza con \(k\) successi ha probabilità:

\[ p^k(1-p)^{n-k} \]

Il numero di sequenze possibili è:

\[ \binom nk \]

Quindi:

\[ P(X=k) = \binom nk p^k (1-p)^{n-k} \]


28. Esempio con probabilità date

Supponiamo:

\[ P(A)=0,4 \]

\[ P(B)=0,5 \]

e \(A\), \(B\) indipendenti.

Allora:

\[ P(A\cap B) = 0,4\cdot0,5 = 0,2 \]


29. Probabilità dell'unione

Usiamo:

\[ P(A\cup B) = P(A)+P(B)-P(A\cap B) \]

Quindi:

\[ P(A\cup B) = 0,4+0,5-0,2 = 0,7 \]


30. Esempio inverso

Supponiamo:

\[ P(A)=0,3 \]

\[ P(B)=0,4 \]

\[ P(A\cap B)=0,12 \]

Poiché:

\[ 0,3\cdot0,4=0,12 \]

gli eventi sono indipendenti.


31. Altro esempio

Se:

\[ P(A)=0,3 \]

\[ P(B)=0,4 \]

ma:

\[ P(A\cap B)=0,20 \]

allora:

\[ 0,20\neq0,12 \]

quindi gli eventi sono dipendenti.


32. Indipendenza non significa probabilità uguali

Due eventi indipendenti possono avere probabilità molto diverse.

Per esempio:

\[ P(A)=0,9 \]

\[ P(B)=0,1 \]

possono essere perfettamente indipendenti.

L'indipendenza riguarda il rapporto tra gli eventi, non il valore delle loro probabilità.


33. Esempio con prove ripetute

Una macchina produce un pezzo difettoso con probabilità:

\[ 0,02 \]

Assumiamo che i pezzi siano indipendenti.

Qual è la probabilità che 3 pezzi consecutivi siano tutti buoni?

Probabilità che un pezzo sia buono:

\[ 0,98 \]

Quindi:

\[ P(\text{3 buoni}) = 0,98^3 \]


34. Probabilità di almeno un difettoso

Il complementare è:

tutti buoni.

Quindi:

\[ P(\text{almeno un difettoso}) = 1-0,98^3 \]


35. Esercizi

Esercizio 1

Se:

\[ P(A)=0,5 \]

\[ P(B)=0,2 \]

e gli eventi sono indipendenti, calcolare:

\[ P(A\cap B) \]

Soluzione

\[ P(A\cap B)=0,5\cdot0,2=0,1 \]


Esercizio 2

Con gli stessi dati, calcolare:

\[ P(A\cup B) \]

Soluzione

\[ P(A\cup B) = 0,5+0,2-0,1 = 0,6 \]


Esercizio 3

Se:

\[ P(A)=0,6 \]

\[ P(B)=0,5 \]

\[ P(A\cap B)=0,3 \]

sono indipendenti?

Soluzione

\[ 0,6\cdot0,5=0,3 \]

Sì.


Esercizio 4

Dado lanciato 5 volte.

Probabilità di nessun 6:

\[ \boxed{ \left(\frac56\right)^5 } \]

Probabilità di almeno un 6:

\[ \boxed{ 1-\left(\frac56\right)^5 } \]


Esercizio 5

Moneta equilibrata lanciata 8 volte.

Probabilità di ottenere sempre testa:

\[ \boxed{ \left(\frac12\right)^8 } \]


36. Errore concettuale tipico

“Gli eventi sono incompatibili, quindi sono indipendenti.”

È falso.

Se due eventi incompatibili hanno probabilità positiva, il verificarsi dell'uno rende impossibile l'altro.

Quindi sono fortemente dipendenti.


37. Altro errore

“Gli eventi sono indipendenti, quindi non possono avvenire insieme.”

È falso.

L'indipendenza richiede proprio:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B) \]

che, se entrambe le probabilità sono positive, è positiva.


38. Schema di confronto

Incompatibili

\[ \boxed{ P(A\cap B)=0 } \]

Indipendenti

\[ \boxed{ P(A\cap B)=P(A)P(B) } \]

Sono due concetti distinti.


39. Sintesi del Capitolo 6

Due eventi sono indipendenti se:

\[ \boxed{ P(A\mid B)=P(A) } \]

equivalentemente:

\[ \boxed{ P(A\cap B)=P(A)P(B) } \]

Sono dipendenti se il verificarsi di uno modifica la probabilità dell'altro.

La distinzione fondamentale è:

\[ \boxed{ \text{indipendenza}\neq\text{incompatibilità} } \]

Per eventi incompatibili:

\[ P(A\cap B)=0 \]

Per eventi indipendenti:

\[ P(A\cap B)=P(A)P(B) \]

Questa distinzione sarà fondamentale per comprendere probabilità totale, Bayes e distribuzione binomiale.

Capitolo 7 – Teorema della probabilità totale

1. Il problema di partenza

Supponiamo che un evento possa verificarsi attraverso più strade diverse.

Per esempio, un prodotto può provenire:

  • dalla macchina 1;
  • dalla macchina 2;
  • dalla macchina 3.

Se vogliamo conoscere la probabilità che il prodotto sia difettoso, dobbiamo tenere conto:

  • della probabilità che provenga da ciascuna macchina;
  • della probabilità che sia difettoso sapendo da quale macchina proviene.

Il teorema della probabilità totale permette di combinare queste informazioni.


2. Un esempio intuitivo

Una fabbrica utilizza due macchine.

La macchina \(M_1\) produce il:

\[ 60\% \]

dei pezzi.

La macchina \(M_2\) produce il:

\[ 40\% \]

dei pezzi.

Quindi:

\[ P(M_1)=0,6 \]

\[ P(M_2)=0,4 \]

Supponiamo inoltre che:

\[ P(D\mid M_1)=0,02 \]

e:

\[ P(D\mid M_2)=0,05 \]

dove \(D\) è l'evento:

il pezzo è difettoso.

Vogliamo calcolare:

\[ P(D) \]


3. Dividiamo il problema in due strade

Un pezzo difettoso può provenire:

  • da \(M_1\);
  • oppure da \(M_2\).

Quindi:

\[ D=(D\cap M_1)\cup(D\cap M_2) \]

I due eventi sono incompatibili.

Perciò:

\[ P(D) = P(D\cap M_1)+P(D\cap M_2) \]


4. Regola del prodotto

Sappiamo che:

\[ P(D\cap M_1) = P(M_1)P(D\mid M_1) \]

e:

\[ P(D\cap M_2) = P(M_2)P(D\mid M_2) \]

Quindi:

\[ P(D) = 0,6\cdot0,02 + 0,4\cdot0,05 \]

\[ = 0,012+0,020 \]

\[ = 0,032 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(D)=3,2\% } \]


5. Idea fondamentale

La probabilità complessiva è la somma delle probabilità dei diversi percorsi.

In forma intuitiva:

\[ \boxed{ \text{probabilità totale} = \text{somma delle probabilità dei diversi percorsi} } \]


6. Partizione dello spazio campionario

Gli eventi:

\[ B_1,B_2,\ldots,B_n \]

formano una partizione dello spazio campionario se:

  1. sono incompatibili a due a due:

\[ B_i\cap B_j=\varnothing \]

per:

\[ i\neq j \]

  1. coprono tutto lo spazio campionario:

\[ B_1\cup B_2\cup\cdots\cup B_n=\Omega \]


7. Esempio di partizione

Supponiamo di dividere una popolazione in fasce d'età:

\[ B_1=\{\text{meno di 30 anni}\} \]

\[ B_2=\{\text{tra 30 e 60 anni}\} \]

\[ B_3=\{\text{più di 60 anni}\} \]

Se le fasce non si sovrappongono e coprono tutta la popolazione, costituiscono una partizione.


8. Teorema della probabilità totale

Se:

\[ B_1,B_2,\ldots,B_n \]

formano una partizione, allora per ogni evento \(A\):

\[ \boxed{ P(A) = \sum_{i=1}^{n} P(B_i)P(A\mid B_i) } \]

cioè:

\[ P(A) = P(B_1)P(A\mid B_1) +\cdots+ P(B_n)P(A\mid B_n) \]


9. Perché funziona

L'evento \(A\) può essere scomposto in:

\[ A\cap B_1,\quad A\cap B_2,\quad \ldots,\quad A\cap B_n \]

Questi eventi sono incompatibili.

Quindi:

\[ P(A) = \sum_i P(A\cap B_i) \]

Ma:

\[ P(A\cap B_i) = P(B_i)P(A\mid B_i) \]

da cui il teorema.


10. Diagramma ad albero

Il teorema si interpreta bene con un albero.

Dalla radice partono i rami:

\[ B_1,\ B_2,\ B_3,\ldots \]

Da ciascun ramo parte poi l'evento \(A\).

La probabilità di un percorso è:

\[ P(B_i)P(A\mid B_i) \]


11. Regola pratica dell'albero

Ricordiamo:

\[ \boxed{\text{lungo un percorso si moltiplica}} \]

e:

\[ \boxed{\text{tra percorsi alternativi si somma}} \]


12. Esempio con tre stabilimenti

Un'azienda produce in tre stabilimenti:

\[ P(S_1)=0,5 \]

\[ P(S_2)=0,3 \]

\[ P(S_3)=0,2 \]

I tassi di difetto sono:

\[ P(D\mid S_1)=0,01 \]

\[ P(D\mid S_2)=0,03 \]

\[ P(D\mid S_3)=0,04 \]

Calcoliamo:

\[ P(D) \]


13. Soluzione

\[ P(D) = 0,5\cdot0,01 + 0,3\cdot0,03 + 0,2\cdot0,04 \]

\[ = 0,005+0,009+0,008 \]

\[ = 0,022 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(D)=2,2\% } \]


14. Media pesata

La formula:

\[ P(D) = 0,5\cdot0,01 + 0,3\cdot0,03 + 0,2\cdot0,04 \]

può essere vista come una media pesata delle probabilità condizionate.

I pesi sono:

\[ 0,5,\quad0,3,\quad0,2 \]


15. Conseguenza importante

Poiché i pesi sommano a 1:

\[ P(B_1)+\cdots+P(B_n)=1 \]

la probabilità totale deve essere compresa tra il minimo e il massimo delle probabilità condizionate:

\[ \min_i P(A\mid B_i) \leq P(A) \leq \max_i P(A\mid B_i) \]


16. Caso \(B\) e \(B^c\)

Un evento e il suo complementare formano una partizione.

Quindi:

\[ \boxed{ P(A) = P(B)P(A\mid B) + P(B^c)P(A\mid B^c) } \]


17. Esempio

Il 30% di una popolazione utilizza un servizio:

\[ P(S)=0,3 \]

quindi:

\[ P(S^c)=0,7 \]

Supponiamo:

\[ P(A\mid S)=0,8 \]

\[ P(A\mid S^c)=0,2 \]

Allora:

\[ P(A) = 0,3\cdot0,8 + 0,7\cdot0,2 \]

\[ = 0,24+0,14 = 0,38 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(A)=38\% } \]


18. Esempio con urne

Scegliamo un'urna:

\[ P(U_1)=\frac13 \]

\[ P(U_2)=\frac23 \]

L'urna \(U_1\) contiene:

  • 4 rosse;
  • 6 blu.

L'urna \(U_2\) contiene:

  • 7 rosse;
  • 3 blu.

Vogliamo la probabilità di estrarre una pallina rossa.


19. Soluzione

\[ P(R\mid U_1)=\frac4{10} \]

\[ P(R\mid U_2)=\frac7{10} \]

Quindi:

\[ P(R) = \frac13\cdot\frac4{10} + \frac23\cdot\frac7{10} \]

\[ = \frac4{30} + \frac{14}{30} = \frac{18}{30} = \frac35 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(R)=\frac35 } \]


20. Esempio con studenti

In una scuola:

  • 40% scientifico;
  • 35% classico;
  • 25% linguistico.

La probabilità di partecipare a un'attività è:

\[ 0,60 \]

per lo scientifico,

\[ 0,50 \]

per il classico,

\[ 0,40 \]

per il linguistico.

Quindi:

\[ P(A) = 0,40\cdot0,60 + 0,35\cdot0,50 + 0,25\cdot0,40 \]

\[ = 0,24+0,175+0,10 \]

\[ = 0,515 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(A)=51,5\% } \]


21. Esempio con test diagnostico

Supponiamo:

\[ P(M)=0,02 \]

\[ P(M^c)=0,98 \]

e:

\[ P(+\mid M)=0,95 \]

\[ P(+\mid M^c)=0,04 \]

Qual è la probabilità complessiva di test positivo?


22. Soluzione

\[ P(+) = P(M)P(+\mid M) + P(M^c)P(+\mid M^c) \]

\[ = 0,02\cdot0,95 + 0,98\cdot0,04 \]

\[ = 0,019+0,0392 \]

\[ = 0,0582 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(+)=5,82\% } \]


23. Una domanda naturale

Ora possiamo chiedere:

sapendo che il test è positivo, qual è la probabilità che la persona abbia la condizione?

Vogliamo:

\[ P(M\mid+) \]

Conosciamo invece:

\[ P(+\mid M) \]

Le due probabilità non sono la stessa cosa.

Questo porta al Teorema di Bayes.


24. Frequenze assolute

Possiamo rendere il problema più intuitivo immaginando 10000 persone.

Con:

\[ P(M)=0,02 \]

abbiamo:

\[ 200 \]

persone con la condizione.

Il 95% risulta positivo:

\[ 190 \]

Le persone senza la condizione sono:

\[ 9800 \]

Il 4% risulta positivo:

\[ 392 \]

Totale positivi:

\[ 190+392=582 \]

e:

\[ \frac{582}{10000}=0,0582 \]


25. Esempio con mezzi di trasporto

Una persona va al lavoro:

  • auto 50%;
  • treno 30%;
  • bici 20%.

Probabilità di ritardo:

\[ 0,10 \]

con auto,

\[ 0,20 \]

con treno,

\[ 0,05 \]

con bici.

Quindi:

\[ P(R) = 0,50\cdot0,10 + 0,30\cdot0,20 + 0,20\cdot0,05 \]

\[ = 0,05+0,06+0,01 = 0,12 \]

Quindi:

\[ \boxed{12\%} \]


26. Procedura generale

Passo 1

Individuare le cause:

\[ B_1,\ldots,B_n \]

Passo 2

Verificare che formino una partizione.

Passo 3

Individuare l'evento finale \(A\).

Passo 4

Scrivere:

\[ P(B_i) \]

e:

\[ P(A\mid B_i) \]

Passo 5

Moltiplicare lungo ogni percorso:

\[ P(B_i)P(A\mid B_i) \]

Passo 6

Sommare:

\[ P(A) = \sum_i P(B_i)P(A\mid B_i) \]


27. Esercizi

Esercizio 1

Due macchine producono:

\[ 70\% \]

e:

\[ 30\% \]

dei pezzi.

Tassi di difetto:

\[ 2\% \]

e:

\[ 5\% \]

Quindi:

\[ P(D) = 0,7\cdot0,02 + 0,3\cdot0,05 \]

\[ = 0,029 \]

\[ \boxed{2,9\%} \]


Esercizio 2

Due urne scelte con uguale probabilità.

Urna A:

  • 8 bianche;
  • 2 nere.

Urna B:

  • 3 bianche;
  • 7 nere.

Quindi:

\[ P(Bianca) = \frac12\cdot\frac8{10} + \frac12\cdot\frac3{10} \]

\[ = \frac{11}{20} = 0,55 \]


Esercizio 3

25% acquisti online, 75% in negozio.

Restituzioni:

\[ 10\% \]

online,

\[ 4\% \]

negozio.

\[ P(R) = 0,25\cdot0,10 + 0,75\cdot0,04 \]

\[ = 0,055 \]

\[ \boxed{5,5\%} \]


28. Sintesi del Capitolo 7

Se:

\[ B_1,\ldots,B_n \]

formano una partizione:

\[ \boxed{ P(A) = \sum_iP(B_i)P(A\mid B_i) } \]

Regola pratica:

\[ \boxed{\text{moltiplica lungo i percorsi}} \]

\[ \boxed{\text{somma i percorsi alternativi}} \]


Capitolo 8 – Teorema di Bayes

1. Il problema inverso

Nel capitolo precedente abbiamo calcolato:

\[ P(A) \]

conoscendo:

\[ P(B_i) \]

e:

\[ P(A\mid B_i) \]

Ora vogliamo fare il percorso inverso.

Osserviamo \(A\) e vogliamo sapere:

qual è la probabilità che la causa sia stata \(B_i\)?

Cioè vogliamo:

\[ P(B_i\mid A) \]


2. Da dove nasce la formula

Partiamo da:

\[ P(B\mid A) = \frac{P(A\cap B)}{P(A)} \]

Ma:

\[ P(A\cap B) = P(B)P(A\mid B) \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(B\mid A) = \frac{ P(B)P(A\mid B) }{ P(A) } } \]

Questa è la forma base del Teorema di Bayes.


3. Formula generale

Se:

\[ B_1,\ldots,B_n \]

formano una partizione:

\[ \boxed{ P(B_i\mid A) = \frac{ P(B_i)P(A\mid B_i) }{ \sum_j P(B_j)P(A\mid B_j) } } \]


4. Interpretazione intuitiva

Bayes aggiorna una probabilità iniziale dopo aver ricevuto una nuova informazione.

Schema:

\[ \boxed{ \text{probabilità iniziale} \rightarrow \text{nuova evidenza} \rightarrow \text{probabilità aggiornata} } \]


5. A priori e a posteriori

La probabilità iniziale:

\[ P(B) \]

si chiama probabilità a priori.

La probabilità aggiornata:

\[ P(B\mid A) \]

si chiama probabilità a posteriori.


6. Esempio con urne

Scegliamo:

\[ P(U_1)=\frac13 \]

\[ P(U_2)=\frac23 \]

Urna \(U_1\):

  • 4 rosse;
  • 6 blu.

Urna \(U_2\):

  • 7 rosse;
  • 3 blu.

Osserviamo una pallina rossa.

Vogliamo:

\[ P(U_1\mid R) \]


7. Probabilità totale del rosso

\[ P(R) = \frac13\cdot\frac4{10} + \frac23\cdot\frac7{10} \]

\[ = \frac4{30} + \frac{14}{30} = \frac{18}{30} = \frac35 \]


8. Applichiamo Bayes

\[ P(U_1\mid R) = \frac{ \frac13\cdot\frac4{10} }{ \frac35 } \]

\[ = \frac29 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(U_1\mid R)=\frac29 } \]


9. Seconda urna

\[ P(U_2\mid R) = 1-\frac29 = \frac79 \]


10. Significato

Prima dell'estrazione:

\[ P(U_1)=\frac13 \]

Dopo aver osservato rosso:

\[ P(U_1\mid R)=\frac29 \]

L'evidenza ha modificato la probabilità iniziale.


11. Esempio con fabbriche

Due stabilimenti producono:

\[ 70\% \]

e:

\[ 30\% \]

dei pezzi.

Tassi di difetto:

\[ 2\% \]

e:

\[ 5\% \]

Un pezzo è difettoso.

Qual è la probabilità che provenga dal secondo stabilimento?


12. Probabilità del difetto

\[ P(D) = 0,7\cdot0,02 + 0,3\cdot0,05 \]

\[ = 0,014+0,015 = 0,029 \]


13. Bayes

\[ P(S_2\mid D) = \frac{ 0,3\cdot0,05 }{ 0,029 } \]

\[ = \frac{0,015}{0,029} \]

\[ \approx0,5172 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(S_2\mid D)\approx51,7\% } \]


14. Interpretazione

Il secondo stabilimento produce solo il 30% dei pezzi.

Ma tra i difettosi la probabilità di provenienza da \(S_2\) sale oltre il 50%.

Questo accade perché ha un tasso di difetti maggiore.


15. Test diagnostico

Supponiamo:

\[ P(M)=0,02 \]

\[ P(M^c)=0,98 \]

e:

\[ P(+\mid M)=0,95 \]

\[ P(+\mid M^c)=0,04 \]

Una persona risulta positiva.

Vogliamo:

\[ P(M\mid+) \]


16. Calcoliamo \(P(+)\)

\[ P(+) = 0,02\cdot0,95 + 0,98\cdot0,04 \]

\[ = 0,019+0,0392 \]

\[ = 0,0582 \]


17. Applichiamo Bayes

\[ P(M\mid+) = \frac{ 0,02\cdot0,95 }{ 0,0582 } \]

\[ = \frac{0,019}{0,0582} \]

\[ \approx0,3265 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(M\mid+)\approx32,6\% } \]


18. Risultato controintuitivo

Il test riconosce il 95% dei soggetti con la condizione.

Eppure un positivo ha circa il 32,6% di probabilità di avere realmente la condizione.

La ragione è che la condizione è rara.


19. Frequenze naturali

Immaginiamo:

\[ 10000 \]

persone.

Con la condizione:

\[ 200 \]

Veri positivi:

\[ 200\cdot0,95=190 \]

Senza condizione:

\[ 9800 \]

Falsi positivi:

\[ 9800\cdot0,04=392 \]

Totale positivi:

\[ 190+392=582 \]

Quindi:

\[ \frac{190}{582} \approx0,3265 \]


20. Le due probabilità non sono uguali

\[ P(+\mid M)=95\% \]

ma:

\[ P(M\mid+)\approx32,6\% \]

In generale:

\[ \boxed{ P(A\mid B)\neq P(B\mid A) } \]


21. Bayes come inversione

Bayes permette di passare da:

\[ P(A\mid B) \]

a:

\[ P(B\mid A) \]

correggendo per le probabilità di base.


22. Forma interpretativa

Possiamo ricordare:

\[ \boxed{ \text{posteriori} = \frac{ \text{priori}\times\text{verosimiglianza} }{ \text{evidenza} } } \]

cioè:

\[ P(B\mid A) = \frac{ P(B)P(A\mid B) }{ P(A) } \]


23. Esempio con studenti

In una scuola:

  • 60% biennio;
  • 40% triennio.

Partecipa a un corso:

  • 20% del biennio;
  • 50% del triennio.

Vogliamo la probabilità che uno studente partecipante sia del triennio.


24. Probabilità di partecipazione

\[ P(C) = 0,6\cdot0,2 + 0,4\cdot0,5 \]

\[ = 0,12+0,20 = 0,32 \]


25. Bayes

\[ P(T\mid C) = \frac{ 0,4\cdot0,5 }{ 0,32 } \]

\[ = 0,625 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(T\mid C)=62,5\% } \]


26. Esempio con tre cause

Tre macchine producono:

\[ 50\%,\quad30\%,\quad20\% \]

dei pezzi.

Tassi di difetto:

\[ 1\%,\quad3\%,\quad4\% \]

Un pezzo è difettoso.

Qual è la probabilità che venga dalla terza macchina?


27. Probabilità totale del difetto

\[ P(D) = 0,5\cdot0,01 + 0,3\cdot0,03 + 0,2\cdot0,04 \]

\[ = 0,005+0,009+0,008 = 0,022 \]


28. Bayes

\[ P(M_3\mid D) = \frac{ 0,2\cdot0,04 }{ 0,022 } \]

\[ = \frac{0,008}{0,022} \]

\[ \approx0,3636 \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(M_3\mid D)\approx36,4\% } \]


29. Verifica

\[ P(M_1\mid D) = \frac{0,005}{0,022} \approx22,7\% \]

\[ P(M_2\mid D) = \frac{0,009}{0,022} \approx40,9\% \]

\[ P(M_3\mid D) \approx36,4\% \]

La somma è circa:

\[ 100\% \]


30. Bayes come rapporto tra percorsi

Possiamo ricordare:

\[ \boxed{ P(B_i\mid A) = \frac{ \text{probabilità del percorso }B_i\to A }{ \text{probabilità totale di arrivare ad }A } } \]


31. Errore del tasso base

Un errore frequente consiste nell'ignorare:

\[ P(B) \]

cioè la probabilità iniziale.

Se un evento è molto raro, anche un test accurato può produrre molti falsi positivi rispetto ai veri positivi.


32. Quando usare Bayes

Bayes è utile quando:

  1. esistono diverse possibili cause;
  2. conosciamo la probabilità iniziale delle cause;
  3. conosciamo la probabilità dell'evidenza data ciascuna causa;
  4. osserviamo l'evidenza;
  5. vogliamo risalire alla causa.

33. Esercizio 1

Due urne:

\[ P(U_1)=0,4 \]

\[ P(U_2)=0,6 \]

Probabilità di bianco:

\[ P(B\mid U_1)=0,3 \]

\[ P(B\mid U_2)=0,7 \]

Calcoliamo:

\[ P(B) = 0,4\cdot0,3 + 0,6\cdot0,7 \]

\[ = 0,54 \]

Quindi:

\[ P(U_1\mid B) = \frac{0,12}{0,54} = \frac29 \]


34. Esercizio 2

Linea 1:

\[ 75\% \]

produzione, difetti:

\[ 2\% \]

Linea 2:

\[ 25\% \]

produzione, difetti:

\[ 6\% \]

Probabilità totale:

\[ P(D) = 0,75\cdot0,02 + 0,25\cdot0,06 \]

\[ = 0,03 \]

Quindi:

\[ P(L_2\mid D) = \frac{0,015}{0,03} = 0,5 \]

\[ \boxed{50\%} \]


35. Esercizio 3

Caratteristica presente nel 10% della popolazione.

Test positivo:

  • 90% se presente;
  • 20% se assente.

\[ P(+) = 0,1\cdot0,9 + 0,9\cdot0,2 \]

\[ = 0,27 \]

Quindi:

\[ P(C\mid+) = \frac{0,09}{0,27} = \frac13 \]

\[ \boxed{33,3\%} \]


36. Esercizio controintuitivo

Una condizione interessa:

\[ 1 \]

persona su:

\[ 1000 \]

Quindi:

\[ P(M)=0,001 \]

Test:

\[ P(+\mid M)=0,99 \]

\[ P(+\mid M^c)=0,01 \]

Calcoliamo:

\[ P(+) = 0,001\cdot0,99 + 0,999\cdot0,01 \]

\[ = 0,01098 \]

Quindi:

\[ P(M\mid+) = \frac{0,00099}{0,01098} \]

\[ \approx0,0902 \]

cioè circa:

\[ \boxed{9\%} \]


37. Bayes non crea informazioni

Il teorema richiede dati iniziali:

  • probabilità a priori;
  • probabilità condizionate;
  • evidenza osservata.

Se queste informazioni sono incerte, anche il risultato sarà incerto.


38. Procedura generale

Passo 1

Individuare le cause:

\[ B_1,\ldots,B_n \]

Passo 2

Scrivere:

\[ P(B_i) \]

Passo 3

Scrivere:

\[ P(A\mid B_i) \]

Passo 4

Calcolare:

\[ P(A) \]

con la probabilità totale.

Passo 5

Applicare:

\[ \boxed{ P(B_i\mid A) = \frac{ P(B_i)P(A\mid B_i) }{ P(A) } } \]


39. Probabilità totale e Bayes

I due teoremi lavorano insieme.

Probabilità totale:

\[ \boxed{ P(A) = \sum_iP(B_i)P(A\mid B_i) } \]

Bayes:

\[ \boxed{ P(B_i\mid A) = \frac{ P(B_i)P(A\mid B_i) }{ \sum_jP(B_j)P(A\mid B_j) } } \]


40. Idea conclusiva

Bayes può essere riassunto così:

\[ \boxed{ \text{una nuova informazione modifica razionalmente le probabilità iniziali} } \]

Prima abbiamo:

\[ P(B) \]

Dopo aver osservato \(A\):

\[ P(B\mid A) \]

È uno dei principi fondamentali della statistica, della diagnostica e dell'inferenza probabilistica.

Capitolo 9 – Variabili aleatorie discrete e continue

1. Perché introduciamo le variabili aleatorie

Finora abbiamo studiato eventi come:

esce un numero pari

oppure:

il pezzo è difettoso.

Ma spesso vogliamo associare un numero al risultato dell'esperimento.

Per esempio:

  • numero di teste in 5 lanci;
  • numero di clienti che entrano in un negozio in un'ora;
  • tempo di attesa;
  • altezza di una persona;
  • durata di una lampadina.

Per descrivere matematicamente queste quantità introduciamo il concetto di variabile aleatoria.


2. Definizione intuitiva

Una variabile aleatoria è una funzione che associa un numero reale a ogni possibile esito di un esperimento casuale.

In simboli:

\[ X:\Omega\rightarrow\mathbb{R} \]

A ogni esito:

\[ \omega\in\Omega \]

la variabile associa:

\[ X(\omega) \]


3. Esempio con due monete

Lanciamo due monete.

\[ \Omega=\{TT,TC,CT,CC\} \]

Definiamo:

\[ X=\text{numero di teste} \]

Allora:

\[ X(TT)=2 \]

\[ X(TC)=1 \]

\[ X(CT)=1 \]

\[ X(CC)=0 \]

Quindi \(X\) può assumere:

\[ 0,1,2 \]


4. Esito e valore della variabile

Nell'esempio:

\[ TC \]

è un esito.

Invece:

\[ X(TC)=1 \]

è il valore della variabile aleatoria.

Lo spazio campionario contiene gli esiti.

La variabile li trasforma in numeri.


5. Perché è utile

Nel lancio di 10 monete ci sono:

\[ 2^{10}=1024 \]

sequenze possibili.

Se ci interessa solo il numero di teste, la variabile può assumere soltanto:

\[ 0,1,2,\ldots,10 \]

Questo semplifica enormemente il problema.


6. Variabile aleatoria discreta

Una variabile è discreta quando assume un numero finito o numerabile di valori.

Esempi:

  • numero di figli;
  • numero di telefonate;
  • numero di difetti;
  • numero di successi;
  • numero di volte che compare 6.

7. Variabile aleatoria continua

Una variabile è continua quando può assumere tutti i valori in un intervallo.

Esempi:

  • altezza;
  • peso;
  • temperatura;
  • tempo;
  • distanza;
  • durata.

8. Esempio discreto

Lanciamo un dado.

\[ X=\text{numero ottenuto} \]

Allora:

\[ X\in\{1,2,3,4,5,6\} \]


9. Esempio continuo

Misuriamo il tempo necessario per un'attività.

Possiamo avere:

\[ 10,4 \]

\[ 10,43 \]

\[ 10,437 \]

e così via.

Idealmente:

\[ X\in[0,+\infty) \]


10. Funzione di probabilità discreta

Se \(X\) è discreta:

\[ \boxed{ p(x)=P(X=x) } \]

Deve valere:

\[ p(x)\geq0 \]

e:

\[ \sum_xp(x)=1 \]


11. Esempio con due monete

Per:

\[ X=\text{numero di teste} \]

abbiamo:

\[ P(X=0)=\frac14 \]

\[ P(X=1)=\frac12 \]

\[ P(X=2)=\frac14 \]

e:

\[ \frac14+\frac12+\frac14=1 \]


12. Distribuzione di probabilità

L'insieme dei valori possibili di \(X\) e delle rispettive probabilità costituisce la sua:

\[ \boxed{\text{distribuzione di probabilità}} \]


13. Dado regolare

Se:

\[ X=\text{numero ottenuto} \]

allora:

\[ P(X=x)=\frac16 \]

per:

\[ x=1,\ldots,6 \]


14. Variabile indicatrice

Definiamo:

\[ I_A= \begin{cases} 1 & \text{se }A\text{ si verifica}\\ 0 & \text{altrimenti} \end{cases} \]

Una variabile di questo tipo si chiama:

\[ \boxed{\text{indicatrice}} \]


15. Esempio con dado

Definiamo:

\[ X= \begin{cases} 1 & \text{se esce pari}\\ 0 & \text{se esce dispari} \end{cases} \]

Allora:

\[ P(X=1)=\frac12 \]

\[ P(X=0)=\frac12 \]


16. Variabili continue e probabilità puntuale

Per una variabile continua:

\[ \boxed{ P(X=x)=0 } \]

per ogni singolo valore \(x\).

Questo non significa che quel valore sia impossibile.

Significa che la probabilità di un singolo punto è nulla.


17. Densità di probabilità

Per una variabile continua utilizziamo una funzione:

\[ f(x) \]

detta densità.

Deve valere:

\[ f(x)\geq0 \]

e:

\[ \int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\,dx=1 \]


18. La probabilità è un'area

Per una variabile continua:

\[ \boxed{ P(a\leq X\leq b) = \int_a^bf(x)\,dx } \]

La probabilità è quindi un'area sotto la curva.


19. Densità e probabilità non sono la stessa cosa

Il valore:

\[ f(x) \]

non è una probabilità puntuale.

Una densità può anche superare 1.

Ciò che deve essere pari a 1 è l'area totale.


20. Uniforme continua

Se:

\[ X\sim U(0,10) \]

la densità è:

\[ f(x)=\frac1{10} \]

per:

\[ 0\leq x\leq10 \]


21. Esempio

\[ P(2\leq X\leq5) = 3\cdot\frac1{10} = 0,3 \]


22. Funzione di ripartizione

Per qualsiasi variabile definiamo:

\[ \boxed{ F(x)=P(X\leq x) } \]

È la probabilità accumulata fino a \(x\).


23. Esempio discreto

Supponiamo:

\[ P(X=0)=0,2 \]

\[ P(X=1)=0,5 \]

\[ P(X=2)=0,3 \]

Allora:

\[ F(0)=0,2 \]

\[ F(1)=0,7 \]

\[ F(2)=1 \]


24. Proprietà di \(F(x)\)

La funzione di ripartizione:

  • è compresa tra 0 e 1;
  • non decresce;
  • tende a 0 per \(x\to-\infty\);
  • tende a 1 per \(x\to+\infty\).

25. Probabilità di un intervallo

\[ \boxed{ P(a<X\leq b) = F(b)-F(a) } \]


26. Discreto e continuo

Per una variabile discreta:

\[ P(X=x) \]

può essere positivo.

Per una continua:

\[ P(X=x)=0 \]


27. Esempio: numero di clienti

\[ X=\text{numero di clienti in un'ora} \]

Valori possibili:

\[ 0,1,2,\ldots \]

Quindi:

\[ \boxed{\text{discreta}} \]


28. Esempio: tempo di attesa

\[ X=\text{tempo di attesa} \]

Può assumere valori reali positivi.

Quindi:

\[ \boxed{\text{continua}} \]


29. Più variabili sullo stesso esperimento

Lanciando due dadi possiamo definire:

\[ X=\text{somma} \]

\[ Y=\text{massimo} \]

\[ Z=\text{numero di 6} \]

Lo spazio campionario è lo stesso, ma le variabili descrivono aspetti diversi.


30. Somma di due dadi

Se:

\[ X=D_1+D_2 \]

allora:

\[ X\in\{2,3,\ldots,12\} \]

con probabilità:

\[ \frac1{36},\frac2{36},\frac3{36},\ldots \]

La somma 7 ha probabilità:

\[ \frac6{36} \]


31. Distribuzione della somma

\[ P(X=2)=\frac1{36} \]

\[ P(X=3)=\frac2{36} \]

\[ P(X=4)=\frac3{36} \]

\[ P(X=5)=\frac4{36} \]

\[ P(X=6)=\frac5{36} \]

\[ P(X=7)=\frac6{36} \]

e poi simmetricamente.


32. Esercizi

Esercizio 1

Tre monete.

\[ X=\text{numero di teste} \]

Valori:

\[ \boxed{0,1,2,3} \]

Esercizio 2

\[ P(X=3)=\frac18 \]

Esercizio 3

\[ P(X=2)=\frac38 \]

Esercizio 4

Numero di email ricevute:

\[ \boxed{\text{discreta}} \]

Esercizio 5

Temperatura:

\[ \boxed{\text{continua}} \]


33. Sintesi del Capitolo 9

Una variabile aleatoria è:

\[ \boxed{ X:\Omega\rightarrow\mathbb R } \]

Può essere:

\[ \boxed{\text{discreta}} \]

oppure:

\[ \boxed{\text{continua}} \]

Per una discreta:

\[ p(x)=P(X=x) \]

Per una continua:

\[ P(a\leq X\leq b) = \int_a^bf(x)\,dx \]

Per entrambe:

\[ \boxed{ F(x)=P(X\leq x) } \]


Capitolo 10 – Valore atteso, varianza e deviazione standard

1. Perché servono

Una distribuzione può essere riassunta con alcuni numeri fondamentali:

\[ \boxed{\text{valore atteso}} \]

\[ \boxed{\text{varianza}} \]

\[ \boxed{\text{deviazione standard}} \]

Il valore atteso descrive il centro.

Varianza e deviazione standard descrivono la dispersione.


2. Valore atteso

Per una variabile discreta:

\[ \boxed{ E(X)=\sum_i x_ip_i } \]

È una media pesata dei valori possibili.


3. Esempio con dado

\[ E(X) = 1\cdot\frac16+ 2\cdot\frac16+ \cdots+ 6\cdot\frac16 \]

\[ = \frac{21}{6} = 3,5 \]

Quindi:

\[ \boxed{E(X)=3,5} \]


4. Un punto importante

Il dado non può mostrare:

\[ 3,5 \]

Il valore atteso non deve necessariamente essere un valore possibile della variabile.

È una media teorica di lungo periodo.


5. Due monete

Se:

\[ X=\text{numero di teste} \]

con probabilità:

\[ \frac14,\frac12,\frac14 \]

allora:

\[ E(X) = 0\cdot\frac14+ 1\cdot\frac12+ 2\cdot\frac14 = 1 \]


6. Giochi e valore atteso

Supponiamo:

  • vinci 20 € con probabilità 0,1;
  • perdi 2 € con probabilità 0,9.

\[ E(X) = 20\cdot0,1 + (-2)\cdot0,9 \]

\[ = 0,2 \]

Quindi il guadagno medio teorico è:

\[ 0,20€ \]


7. Gioco equo

Un gioco è equo se:

\[ \boxed{ E(X)=0 } \]

Se:

\[ E(X)>0 \]

è favorevole al giocatore in termini di media.

Se:

\[ E(X)<0 \]

è sfavorevole.


8. Linearità del valore atteso

\[ \boxed{ E(aX+b)=aE(X)+b } \]

e:

\[ \boxed{ E(X+Y)=E(X)+E(Y) } \]

Questa proprietà vale anche senza indipendenza.


9. Variabile indicatrice

Per:

\[ I_A= \begin{cases} 1 & A\\ 0 & A^c \end{cases} \]

abbiamo:

\[ E(I_A)=P(A) \]

Quindi:

\[ \boxed{ E(I_A)=P(A) } \]


10. Perché la media non basta

Due distribuzioni possono avere la stessa media ma dispersioni molto diverse.

Esempio:

A

\[ X=10 \]

sempre.

B

\[ Y= \begin{cases} 0 & \text{prob. }1/2\\ 20 & \text{prob. }1/2 \end{cases} \]

Entrambe hanno media:

\[ 10 \]

ma la seconda è molto più dispersa.


11. Scarto dalla media

Poniamo:

\[ \mu=E(X) \]

Lo scarto è:

\[ X-\mu \]

La media degli scarti vale 0.

Per questo consideriamo gli scarti al quadrato.


12. Varianza

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = E[(X-\mu)^2] } \]

Per variabili discrete:

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = \sum_i(x_i-\mu)^2P(X=x_i) } \]


13. Esempio con due monete

Avevamo:

\[ E(X)=1 \]

Quindi:

\[ \operatorname{Var}(X) = (0-1)^2\frac14+ (1-1)^2\frac12+ (2-1)^2\frac14 \]

\[ = \frac12 \]


14. Formula alternativa

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = E(X^2)-[E(X)]^2 } \]

Spesso è più comoda.


15. Dimostrazione

\[ (X-\mu)^2 = X^2-2\mu X+\mu^2 \]

Prendendo il valore atteso:

\[ E(X^2)-2\mu E(X)+\mu^2 \]

Poiché:

\[ E(X)=\mu \]

otteniamo:

\[ E(X^2)-\mu^2 \]


16. Esempio con dado

\[ E(X)=3,5 \]

Calcoliamo:

\[ E(X^2) = \frac{1+4+9+16+25+36}{6} = \frac{91}{6} \]

Quindi:

\[ \operatorname{Var}(X) = \frac{91}{6} - \left(\frac72\right)^2 \]

\[ = \frac{35}{12} \]


17. Deviazione standard

La varianza è espressa in unità quadrate.

Per tornare all'unità originale definiamo:

\[ \boxed{ \sigma= \sqrt{\operatorname{Var}(X)} } \]


18. Esempio con dado

\[ \sigma = \sqrt{\frac{35}{12}} \approx1,708 \]


19. Interpretazione

Deviazione standard piccola:

\[ \text{valori concentrati} \]

Deviazione standard grande:

\[ \text{valori dispersi} \]


20. Stessa media, dispersione diversa

Supponiamo:

\[ X= \begin{cases} 9 & 1/2\\ 11 & 1/2 \end{cases} \]

e:

\[ Y= \begin{cases} 0 & 1/2\\ 20 & 1/2 \end{cases} \]

Entrambe hanno media 10.

Ma:

\[ \operatorname{Var}(X)=1 \]

mentre:

\[ \operatorname{Var}(Y)=100 \]


21. Trasformazioni lineari

Se:

\[ Y=aX+b \]

allora:

\[ \boxed{ E(Y)=aE(X)+b } \]

e:

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(Y) = a^2\operatorname{Var}(X) } \]


22. Deviazione standard

\[ \boxed{ \sigma_Y=|a|\sigma_X } \]

Il termine \(b\) non modifica la dispersione.


23. Somma di variabili

\[ E(X+Y)=E(X)+E(Y) \]

In generale:

\[ \operatorname{Var}(X+Y) = \operatorname{Var}(X) + \operatorname{Var}(Y) + 2\operatorname{Cov}(X,Y) \]


24. Caso indipendente

Se \(X\) e \(Y\) sono indipendenti:

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X+Y) = \operatorname{Var}(X) + \operatorname{Var}(Y) } \]


25. Attenzione

Non vale:

\[ \sigma_{X+Y} = \sigma_X+\sigma_Y \]

In caso di indipendenza:

\[ \sigma_{X+Y} = \sqrt{ \sigma_X^2+\sigma_Y^2 } \]


26. Variabili continue

Per una variabile continua:

\[ \boxed{ E(X) = \int_{-\infty}^{+\infty}xf(x)\,dx } \]

e:

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = \int_{-\infty}^{+\infty} (x-\mu)^2f(x)\,dx } \]


27. Uniforme su \([0,10]\)

Per:

\[ X\sim U(0,10) \]

\[ E(X)=5 \]

e:

\[ \operatorname{Var}(X) = \frac{100}{12} = \frac{25}{3} \]


28. Media teorica e media campionaria

Media teorica:

\[ \mu=E(X) \]

Media campionaria:

\[ \bar x= \frac{x_1+\cdots+x_n}{n} \]

Sono concetti diversi.


29. Esempio completo

Supponiamo:

\[ P(X=0)=0,2 \]

\[ P(X=1)=0,5 \]

\[ P(X=3)=0,3 \]

Media:

\[ E(X) = 0+0,5+0,9 = 1,4 \]


30. Calcolo di \(E(X^2)\)

\[ E(X^2) = 0+0,5+2,7 = 3,2 \]


31. Varianza

\[ \operatorname{Var}(X) = 3,2-(1,4)^2 \]

\[ = 1,24 \]


32. Deviazione standard

\[ \sigma=\sqrt{1,24} \approx1,11 \]


33. Esercizi

Esercizio 1

\[ X=1,2,3 \]

con probabilità:

\[ 0,2,\ 0,5,\ 0,3 \]

\[ E(X)=2,1 \]

Esercizio 2

\[ E(X^2)=4,9 \]

Esercizio 3

\[ \operatorname{Var}(X)=0,49 \]

Esercizio 4

\[ \sigma=0,7 \]

Esercizio 5

Se:

\[ E(X)=8 \]

e:

\[ Y=5X-3 \]

allora:

\[ E(Y)=37 \]


34. Sintesi del Capitolo 10

\[ \boxed{ E(X)=\sum_xxP(X=x) } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = E[(X-\mu)^2] } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = E(X^2)-[E(X)]^2 } \]

\[ \boxed{ \sigma= \sqrt{\operatorname{Var}(X)} } \]


Capitolo 11 – Distribuzioni discrete

1. Perché usare distribuzioni standard

Molti esperimenti differenti condividono la stessa struttura matematica.

Le principali distribuzioni discrete che studiamo sono:

\[ \boxed{\text{Bernoulli}} \]

\[ \boxed{\text{Binomiale}} \]

\[ \boxed{\text{Geometrica}} \]

\[ \boxed{\text{Poisson}} \]


2. Bernoulli

Una prova di Bernoulli ha due esiti:

\[ \text{successo} \]

e:

\[ \text{insuccesso} \]

con probabilità:

\[ p \]

e:

\[ 1-p \]

Definiamo:

\[ X= \begin{cases} 1 & \text{successo}\\ 0 & \text{insuccesso} \end{cases} \]

Scriviamo:

\[ \boxed{ X\sim Bernoulli(p) } \]


3. Funzione di probabilità

\[ P(X=1)=p \]

\[ P(X=0)=1-p \]

Forma compatta:

\[ \boxed{ P(X=x) = p^x(1-p)^{1-x} } \]


4. Media e varianza Bernoulli

\[ \boxed{ E(X)=p } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = p(1-p) } \]


5. Dalla Bernoulli alla Binomiale

Ripetiamo una prova di Bernoulli \(n\) volte.

Definiamo:

\[ X=\text{numero di successi} \]

Se:

  • \(n\) è fisso;
  • le prove sono indipendenti;
  • la probabilità \(p\) è costante;

allora:

\[ \boxed{ X\sim Bin(n,p) } \]


6. Formula binomiale

\[ \boxed{ P(X=k) = \binom nkp^k(1-p)^{n-k} } \]

per:

\[ k=0,\ldots,n \]


7. Perché compare \(\binom nk\)

Se vogliamo \(k\) successi in \(n\) prove, dobbiamo scegliere in quali \(k\) posizioni compaiono.

Il numero di modi è:

\[ \binom nk \]


8. Esempio

Moneta equilibrata lanciata 5 volte.

Probabilità di 3 teste:

\[ P(X=3) = \binom53 \left(\frac12\right)^5 \]

\[ = \frac5{16} \]


9. Media e varianza binomiale

\[ \boxed{ E(X)=np } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = np(1-p) } \]

\[ \boxed{ \sigma= \sqrt{np(1-p)} } \]


10. Esattamente, almeno, al massimo

Esattamente \(k\):

\[ P(X=k) \]

Almeno \(k\):

\[ P(X\geq k) \]

Al massimo \(k\):

\[ P(X\leq k) \]


11. Almeno un successo

\[ P(X\geq1) = 1-P(X=0) \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(X\geq1) = 1-(1-p)^n } \]


12. Esempio

Probabilità di difetto:

\[ 0,02 \]

20 componenti indipendenti.

Probabilità di almeno un difettoso:

\[ 1-(0,98)^{20} \]


13. Quando NON usare la binomiale

Devono valere:

  • numero fisso di prove;
  • due esiti;
  • stessa probabilità;
  • indipendenza.

Se estraiamo senza reinserimento, queste condizioni possono fallire.


14. Distribuzione geometrica

La domanda cambia:

quante prove servono per ottenere il primo successo?

Se le prove sono indipendenti e hanno probabilità \(p\):

\[ \boxed{ X\sim Geom(p) } \]


15. Formula geometrica

\[ \boxed{ P(X=k) = (1-p)^{k-1}p } \]

per:

\[ k=1,2,\ldots \]


16. Esempio

Lanciamo un dado fino al primo 6.

Probabilità che arrivi al quarto lancio:

\[ \left(\frac56\right)^3 \frac16 \]


17. Media e varianza geometrica

\[ \boxed{ E(X)=\frac1p } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = \frac{1-p}{p^2} } \]


18. Proprietà senza memoria

\[ \boxed{ P(X>m+n\mid X>m) = P(X>n) } \]

Il processo non “ricorda” quanto abbiamo già aspettato.


19. Binomiale e geometrica

Binomiale:

quanti successi in \(n\) prove?

Geometrica:

quante prove fino al primo successo?


20. Distribuzione di Poisson

Si usa per contare eventi in un intervallo di:

  • tempo;
  • spazio;
  • lunghezza;
  • area;
  • volume.

Scriviamo:

\[ \boxed{ X\sim Poisson(\lambda) } \]


21. Formula della Poisson

\[ \boxed{ P(X=k) = e^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!} } \]


22. Esempio

In media 3 chiamate all'ora.

\[ X\sim Poisson(3) \]

Probabilità di 2 chiamate:

\[ P(X=2) = e^{-3}\frac{3^2}{2!} \]


23. Nessun evento

\[ \boxed{ P(X=0)=e^{-\lambda} } \]


24. Almeno un evento

\[ \boxed{ P(X\geq1) = 1-e^{-\lambda} } \]


25. Media e varianza Poisson

\[ \boxed{ E(X)=\lambda } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X)=\lambda } \]

\[ \boxed{ \sigma=\sqrt\lambda } \]


26. Cambiare intervallo

Se arrivano 12 chiamate all'ora, in 15 minuti:

\[ \lambda= 12\cdot\frac14 = 3 \]


27. Quando usare Poisson

Quando:

  • contiamo eventi;
  • il tasso medio è stabile;
  • gli eventi sono sufficientemente indipendenti;
  • l'intervallo è ben definito.

28. Poisson come approssimazione della binomiale

Se:

\[ n \]

è grande e:

\[ p \]

piccolo, con:

\[ \lambda=np \]

possiamo usare:

\[ \boxed{ Bin(n,p)\approx Poisson(np) } \]


29. Confronto finale

Bernoulli

Una prova.

Binomiale

Numero di successi in \(n\) prove.

Geometrica

Numero di prove fino al primo successo.

Poisson

Numero di eventi in un intervallo.


30. Medie

Bernoulli:

\[ p \]

Binomiale:

\[ np \]

Geometrica:

\[ \frac1p \]

Poisson:

\[ \lambda \]


31. Varianze

Bernoulli:

\[ p(1-p) \]

Binomiale:

\[ np(1-p) \]

Geometrica:

\[ \frac{1-p}{p^2} \]

Poisson:

\[ \lambda \]


32. Sintesi del Capitolo 11

\[ \boxed{ Bernoulli(p) } \]

una singola prova.

\[ \boxed{ Bin(n,p) } \]

successi in \(n\) prove.

\[ \boxed{ Geom(p) } \]

prove fino al primo successo.

\[ \boxed{ Poisson(\lambda) } \]

eventi in un intervallo.


Capitolo 12 – Distribuzioni continue: uniforme, esponenziale e normale

1. Variabili continue

Per una variabile continua:

\[ P(X=x)=0 \]

Le probabilità riguardano intervalli:

\[ \boxed{ P(a\leq X\leq b) = \int_a^bf(x)\,dx } \]


2. Distribuzione uniforme continua

Se tutti i valori di:

\[ [a,b] \]

sono ugualmente plausibili:

\[ \boxed{ X\sim U(a,b) } \]


3. Densità uniforme

\[ \boxed{ f(x)= \frac1{b-a} } \]

per:

\[ a\leq x\leq b \]


4. Probabilità uniforme

\[ \boxed{ P(c\leq X\leq d) = \frac{d-c}{b-a} } \]


5. Esempio

\[ X\sim U(0,10) \]

\[ P(2\leq X\leq5) = \frac3{10} = 0,3 \]


6. Media e varianza uniforme

\[ \boxed{ E(X)=\frac{a+b}{2} } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = \frac{(b-a)^2}{12} } \]


7. Distribuzione esponenziale

La distribuzione esponenziale modella soprattutto tempi di attesa.

Scriviamo:

\[ \boxed{ X\sim Exp(\lambda) } \]


8. Densità esponenziale

\[ \boxed{ f(x)=\lambda e^{-\lambda x} } \]

per:

\[ x\geq0 \]


9. Funzione di ripartizione

\[ \boxed{ F(x)=1-e^{-\lambda x} } \]


10. Probabilità di superare \(x\)

\[ \boxed{ P(X>x)=e^{-\lambda x} } \]


11. Esempio

\[ X\sim Exp(0,2) \]

\[ P(X>5) = e^{-1} \approx0,3679 \]


12. Probabilità su un intervallo

\[ \boxed{ P(a<X<b) = e^{-\lambda a} - e^{-\lambda b} } \]


13. Media e varianza esponenziale

\[ \boxed{ E(X)=\frac1\lambda } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = \frac1{\lambda^2} } \]

\[ \boxed{ \sigma=\frac1\lambda } \]


14. Collegamento con Poisson

Poisson:

quanti eventi?

Esponenziale:

quanto tempo tra gli eventi?

Quindi:

\[ \boxed{ Poisson\leftrightarrow conteggio } \]

\[ \boxed{ Esponenziale\leftrightarrow attesa } \]


15. Assenza di memoria

\[ \boxed{ P(X>s+t\mid X>s) = P(X>t) } \]


16. Distribuzione normale

La distribuzione normale, o gaussiana, si indica:

\[ \boxed{ X\sim N(\mu,\sigma^2) } \]


17. Densità della normale

\[ \boxed{ f(x) = \frac1{\sigma\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}} } \]


18. Proprietà della normale

La curva:

  • è simmetrica;
  • ha forma a campana;
  • è centrata in \(\mu\);
  • ha area totale 1.

19. Media, mediana e moda

Per la normale:

\[ \boxed{ \text{media}= \text{mediana}= \text{moda} = \mu } \]


20. Ruolo di \(\mu\)

\(\mu\) determina la posizione della curva.

Cambiando \(\mu\), la curva si sposta.


21. Ruolo di \(\sigma\)

\(\sigma\) determina la dispersione.

Piccolo \(\sigma\):

\[ \text{curva stretta} \]

Grande \(\sigma\):

\[ \text{curva larga} \]


22. Simmetria

\[ P(X<\mu)=\frac12 \]

\[ P(X>\mu)=\frac12 \]


23. Regola 68–95–99,7

Per una normale:

\[ P(\mu-\sigma<X<\mu+\sigma) \approx68\% \]

\[ P(\mu-2\sigma<X<\mu+2\sigma) \approx95\% \]

\[ P(\mu-3\sigma<X<\mu+3\sigma) \approx99,7\% \]


24. Standardizzazione

Definiamo:

\[ \boxed{ Z= \frac{X-\mu}{\sigma} } \]

Se:

\[ X\sim N(\mu,\sigma^2) \]

allora:

\[ \boxed{ Z\sim N(0,1) } \]


25. Significato dello z-score

\[ z= \frac{x-\mu}{\sigma} \]

indica quante deviazioni standard un valore si trova sopra o sotto la media.


26. Esempio

\[ \mu=100 \]

\[ \sigma=15 \]

\[ x=130 \]

\[ z= \frac{130-100}{15} = 2 \]

Il valore è due deviazioni standard sopra la media.


27. Altro esempio

\[ x=85 \]

\[ z= \frac{85-100}{15} = -1 \]

Una deviazione standard sotto la media.


28. Funzione \(\Phi\)

Per la normale standard:

\[ \boxed{ \Phi(z)=P(Z\leq z) } \]


29. Simmetria della normale standard

\[ \boxed{ \Phi(-z)=1-\Phi(z) } \]


30. Probabilità a destra

\[ \boxed{ P(Z>z)=1-\Phi(z) } \]


31. Probabilità tra due valori

\[ \boxed{ P(a<Z<b) = \Phi(b)-\Phi(a) } \]


32. Esempio completo

\[ X\sim N(100,15^2) \]

Calcolare:

\[ P(X<115) \]

Standardizziamo:

\[ z=1 \]

Quindi:

\[ P(X<115) = \Phi(1) \approx0,8413 \]


33. Probabilità superiore

\[ P(X>130) \]

\[ z=2 \]

\[ P(Z>2) = 1-\Phi(2) \]

\[ \approx0,0228 \]


34. Probabilità centrale

\[ P(85<X<115) \]

corrisponde a:

\[ P(-1<Z<1) \]

\[ \approx0,6827 \]


35. Ricerca inversa

Se:

\[ \Phi(z)=0,95 \]

allora:

\[ z\approx1,645 \]


36. Valori critici importanti

90% centrale:

\[ z\approx1,645 \]

95% centrale:

\[ z\approx1,96 \]

99% centrale:

\[ z\approx2,576 \]


37. Perché 1,96 e non 2

Il 95% centrale esatto è circa:

\[ P(-1,96<Z<1,96)=0,95 \]

Il valore 2 è una comoda approssimazione.


38. Percentili

Il percentile \(p\) soddisfa:

\[ P(X\leq x_p)=p \]

Per una normale:

\[ \boxed{ x_p= \mu+z_p\sigma } \]


39. Esempio

\[ X\sim N(100,15^2) \]

95° percentile:

\[ z_{0,95}\approx1,645 \]

\[ x_{0,95} = 100+1,645\cdot15 \]

\[ \approx124,7 \]


40. 95% centrale e 95° percentile

Non sono la stessa cosa.

95% centrale:

\[ -1,96<Z<1,96 \]

95° percentile:

\[ Z\leq1,645 \]


41. Quando la normale è plausibile

La normale compare spesso per:

  • errori di misura;
  • caratteristiche biologiche;
  • misure fisiche;
  • somme di molti piccoli effetti;
  • medie campionarie.

Ma non tutti i fenomeni sono normali.


42. Confronto tra distribuzioni continue

Uniforme

Valori equiplausibili in un intervallo.

Esponenziale

Tempi di attesa.

Normale

Fenomeni simmetrici a campana.


43. Esercizi

Esercizio 1

\[ X\sim U(10,20) \]

\[ P(12<X<16) = \frac4{10} = 0,4 \]

Esercizio 2

\[ E(X)=15 \]

Esercizio 3

\[ X\sim Exp(0,5) \]

\[ P(X>4) = e^{-2} \approx0,1353 \]

Esercizio 4

Tempo medio:

\[ E(X)=\frac1{0,5}=2 \]

Esercizio 5

\[ X\sim N(50,10^2) \]

per:

\[ x=70 \]

abbiamo:

\[ z=2 \]


44. Sintesi del Capitolo 12

Uniforme:

\[ \boxed{ X\sim U(a,b) } \]

\[ E(X)=\frac{a+b}{2} \]

\[ \operatorname{Var}(X) = \frac{(b-a)^2}{12} \]

Esponenziale:

\[ \boxed{ X\sim Exp(\lambda) } \]

\[ P(X>x)=e^{-\lambda x} \]

\[ E(X)=\frac1\lambda \]

Normale:

\[ \boxed{ X\sim N(\mu,\sigma^2) } \]

e standardizzazione:

\[ \boxed{ Z= \frac{X-\mu}{\sigma} } \]

Metti alla prova i modelli: apri il laboratorio delle distribuzioni.

Capitolo 13 – Legge dei Grandi Numeri e Teorema Centrale del Limite

1. Due risultati diversi ma collegati

Quando ripetiamo molte volte un esperimento casuale accadono due cose fondamentali:

  • la media osservata tende a stabilizzarsi;
  • la distribuzione della media tende spesso ad assumere forma normale.

Questi fenomeni sono descritti da:

\[ \boxed{\text{Legge dei Grandi Numeri}} \]

e:

\[ \boxed{\text{Teorema Centrale del Limite}} \]

La Legge dei Grandi Numeri riguarda verso quale valore tende la media.

Il Teorema Centrale del Limite riguarda come si distribuisce la media.


2. Media campionaria

Consideriamo:

\[ X_1,X_2,\ldots,X_n \]

indipendenti e con la stessa distribuzione.

La media campionaria è:

\[ \boxed{ \bar X= \frac{X_1+\cdots+X_n}{n} } \]


3. Valore atteso della media

Se:

\[ E(X_i)=\mu \]

allora:

\[ E(\bar X) = \frac1n \sum_{i=1}^nE(X_i) \]

\[ = \frac{n\mu}{n} \]

quindi:

\[ \boxed{ E(\bar X)=\mu } \]


4. Varianza della media

Se:

\[ \operatorname{Var}(X_i)=\sigma^2 \]

e le osservazioni sono indipendenti:

\[ \operatorname{Var}(\bar X) = \frac{\sigma^2}{n} \]

quindi:

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(\bar X) = \frac{\sigma^2}{n} } \]


5. Errore standard

La deviazione standard della media campionaria è:

\[ \boxed{ SE(\bar X) = \frac{\sigma}{\sqrt n} } \]

Questa quantità si chiama errore standard della media.


6. Conseguenza

Aumentando \(n\):

\[ \frac{\sigma}{\sqrt n} \]

diminuisce.

Le medie campionarie diventano quindi sempre più concentrate attorno a:

\[ \mu \]


7. Esempio

Supponiamo:

\[ \mu=100 \]

\[ \sigma=20 \]

Con:

\[ n=25 \]

abbiamo:

\[ SE=\frac{20}{5}=4 \]

Con:

\[ n=100 \]

abbiamo:

\[ SE=\frac{20}{10}=2 \]


8. Legge dei Grandi Numeri

La Legge dei Grandi Numeri afferma, intuitivamente, che:

\[ \boxed{ \bar X_n\longrightarrow\mu } \]

quando:

\[ n\to\infty \]

La media osservata tende ad avvicinarsi al valore atteso.


9. Esempio con un dado

Per un dado regolare:

\[ E(X)=3,5 \]

Dopo pochi lanci la media può essere molto diversa.

Dopo moltissimi lanci tenderà invece a stabilizzarsi vicino a:

\[ 3,5 \]


10. Frequenza relativa

Consideriamo un evento \(A\) e definiamo:

\[ X_i= \begin{cases} 1 & \text{se }A\text{ si verifica}\\ 0 & \text{altrimenti} \end{cases} \]

Allora:

\[ E(X_i)=P(A) \]

La media:

\[ \bar X = \frac{X_1+\cdots+X_n}{n} \]

coincide con la frequenza relativa.

Quindi:

\[ \boxed{ f_n(A)\to P(A) } \]


11. Cosa NON dice la Legge dei Grandi Numeri

Non dice che:

dopo molte croci deve uscire testa.

Se i lanci sono indipendenti:

\[ P(T)=\frac12 \]

a ogni lancio.

La moneta non “recupera” i risultati precedenti.


12. Versione probabilistica

Una formulazione importante è:

\[ \boxed{ P(|\bar X_n-\mu|>\varepsilon) \to0 } \]

per:

\[ n\to\infty \]


13. Teorema Centrale del Limite

Se:

\[ X_1,\ldots,X_n \]

sono indipendenti e identicamente distribuite con:

\[ E(X_i)=\mu \]

e:

\[ \operatorname{Var}(X_i)=\sigma^2<\infty \]

allora per \(n\) grande:

\[ \boxed{ \bar X \approx N\left( \mu, \frac{\sigma^2}{n} \right) } \]


14. Forma standardizzata

\[ \boxed{ Z= \frac{ \bar X-\mu }{ \sigma/\sqrt n } \approx N(0,1) } \]

Questa formula sarà fondamentale per l'inferenza statistica.


15. Il risultato sorprendente

La popolazione iniziale può essere:

  • uniforme;
  • esponenziale;
  • discreta;
  • asimmetrica.

La distribuzione della media campionaria tende comunque alla normale, sotto opportune condizioni.


16. Attenzione

Il TCL non dice che i dati originali diventano normali.

Dice che tende alla normale la distribuzione di:

\[ \boxed{\bar X} \]


17. Distribuzione campionaria della media

La distribuzione dei possibili valori di:

\[ \bar X \]

ha:

\[ E(\bar X)=\mu \]

e:

\[ \operatorname{Var}(\bar X)=\frac{\sigma^2}{n} \]


18. Aumentando \(n\)

Succedono due cose:

  1. la distribuzione della media tende alla normale;
  2. la dispersione diminuisce.

19. Caso speciale: popolazione normale

Se:

\[ X\sim N(\mu,\sigma^2) \]

allora:

\[ \boxed{ \bar X \sim N\left( \mu, \frac{\sigma^2}{n} \right) } \]

per qualsiasi \(n\).


20. Esempio

Supponiamo:

\[ X\sim N(175,10^2) \]

e:

\[ n=25 \]

Allora:

\[ \bar X \sim N\left( 175, \frac{100}{25} \right) \]

quindi:

\[ \bar X\sim N(175,4) \]

e:

\[ SE=2 \]


21. Probabilità sulla media

Calcoliamo:

\[ P(\bar X>178) \]

Standardizziamo:

\[ Z= \frac{178-175}{2} = 1,5 \]

Quindi:

\[ P(\bar X>178) = P(Z>1,5) \approx0,0668 \]


22. Singola osservazione e media

Per una singola osservazione:

\[ \sigma_X=\sigma \]

Per una media:

\[ \boxed{ \sigma_{\bar X} = \frac{\sigma}{\sqrt n} } \]

La media è quindi molto meno variabile.


23. Per dimezzare l'errore standard

Poiché:

\[ SE\propto\frac1{\sqrt n} \]

per dimezzarlo bisogna quadruplicare \(n\).


24. TCL per la somma

Se:

\[ S_n=X_1+\cdots+X_n \]

allora:

\[ E(S_n)=n\mu \]

\[ \operatorname{Var}(S_n)=n\sigma^2 \]

e:

\[ \boxed{ S_n \approx N(n\mu,n\sigma^2) } \]


25. Standardizzazione della somma

\[ \boxed{ Z= \frac{ S_n-n\mu }{ \sigma\sqrt n } \approx N(0,1) } \]


26. Collegamento con la binomiale

Se:

\[ X\sim Bin(n,p) \]

allora:

\[ E(X)=np \]

\[ \operatorname{Var}(X)=np(1-p) \]

Per \(n\) grande:

\[ \boxed{ X \approx N(np,np(1-p)) } \]


27. Correzione di continuità

Poiché la binomiale è discreta e la normale continua:

\[ P(X\leq10) \]

si approssima con:

\[ P(Y<10,5) \]

e:

\[ P(X=10) \]

con:

\[ P(9,5<Y<10,5) \]


28. Confronto LGN e TCL

Legge dei Grandi Numeri:

\[ \boxed{ \bar X\to\mu } \]

Teorema Centrale del Limite:

\[ \boxed{ \frac{\bar X-\mu}{\sigma/\sqrt n} \approx N(0,1) } \]


29. Idea conclusiva

Possiamo ricordare:

\[ \boxed{ \text{LGN: la media va verso }\mu } \]

\[ \boxed{ \text{TCL: la media si distribuisce come una normale} } \]

Questi risultati sono la base della statistica inferenziale.


Capitolo 14 – Campionamento, stima puntuale e intervalli di confidenza

1. Dalla probabilità alla statistica

Nella probabilità partiamo da un modello noto.

Nella statistica partiamo dai dati e vogliamo conoscere la popolazione.

Schema:

\[ \boxed{ \text{Popolazione} \rightarrow \text{Campione} \rightarrow \text{Inferenza} } \]


2. Popolazione e campione

La popolazione è l'insieme completo degli elementi studiati.

Il campione è un sottoinsieme osservato.


3. Parametri e statistiche

Parametri della popolazione:

\[ \mu,\quad\sigma^2,\quad p \]

Statistiche campionarie:

\[ \bar X,\quad S^2,\quad\hat p \]


4. Stima puntuale

Se \(\mu\) è sconosciuta, possiamo stimarla con:

\[ \boxed{ \hat\mu=\bar X } \]

Per esempio, se:

\[ \bar x=175,4 \]

stimiamo:

\[ \mu\approx175,4 \]


5. Perché non basta

Una stima calcolata su 5 osservazioni è meno precisa della stessa stima calcolata su 500 osservazioni.

Serve quindi quantificare l'incertezza.


6. Distribuzione della media

Sappiamo che:

\[ E(\bar X)=\mu \]

e:

\[ SE(\bar X) = \frac{\sigma}{\sqrt n} \]


7. Intervallo di confidenza con \(\sigma\) nota

Se:

\[ Z= \frac{ \bar X-\mu }{ \sigma/\sqrt n } \]

e:

\[ P(-1,96<Z<1,96)\approx0,95 \]

allora:

\[ \boxed{ \mu \in \bar X \pm 1,96\frac{\sigma}{\sqrt n} } \]

al livello di confidenza del 95%.


8. Forma generale

\[ \boxed{ \bar X \pm z_{\alpha/2} \frac{\sigma}{\sqrt n} } \]

dove:

\[ 1-\alpha \]

è il livello di confidenza.


9. Valori critici

90%:

\[ z\approx1,645 \]

95%:

\[ z\approx1,96 \]

99%:

\[ z\approx2,576 \]


10. Esempio completo

Supponiamo:

\[ \sigma^2=10,66 \]

\[ n=58 \]

\[ \bar x=175,4 \]

Allora:

\[ \sigma=\sqrt{10,66}\approx3,265 \]

e:

\[ SE= \frac{3,265}{\sqrt{58}} \approx0,429 \]


11. Intervallo al 90%

\[ E= 1,645\cdot0,429 \approx0,706 \]

Quindi:

\[ 175,4\pm0,706 \]

ossia circa:

\[ \boxed{ [174,69,\ 176,11] } \]


12. Intervallo al 95%

\[ E= 1,96\cdot0,429 \approx0,841 \]

Quindi:

\[ \boxed{ [174,56,\ 176,24] } \]


13. Intervallo al 99%

\[ E= 2,576\cdot0,429 \approx1,105 \]

Quindi:

\[ \boxed{ [174,30,\ 176,51] } \]


14. Livello di confidenza e ampiezza

Aumentando il livello di confidenza, l'intervallo diventa più largo.

Più vogliamo essere prudenti, più dobbiamo accettare un intervallo ampio.


15. Margine di errore

\[ \boxed{ E= z_{\alpha/2} \frac{\sigma}{\sqrt n} } \]

L'intervallo è:

\[ \boxed{ \bar X\pm E } \]


16. Da cosa dipende

Il margine dipende da:

\[ z_{\alpha/2} \]

\[ \sigma \]

\[ n \]


17. Effetto di \(n\)

Se \(n\) aumenta, l'intervallo si restringe.

Per dimezzare il margine bisogna quadruplicare il campione.


18. Interpretazione del 95%

Formalmente, il parametro:

\[ \mu \]

è fisso.

Sono gli intervalli a cambiare da campione a campione.

Se ripetessimo il campionamento molte volte, circa il 95% degli intervalli costruiti conterrà \(\mu\).


19. Quando \(\sigma\) è sconosciuta

Nella pratica \(\sigma\) spesso non è nota.

La stimiamo con:

\[ s \]

e utilizziamo la distribuzione:

\[ \boxed{\text{t di Student}} \]


20. Intervallo con t

\[ \boxed{ \bar X \pm t_{\alpha/2,n-1} \frac{s}{\sqrt n} } \]

I gradi di libertà sono:

\[ \boxed{ n-1 } \]


21. Esempio

Supponiamo:

\[ n=25 \]

\[ \bar x=50 \]

\[ s=10 \]

Per il 95%, con 24 gradi di libertà:

\[ t\approx2,064 \]

Errore standard:

\[ \frac{10}{5}=2 \]

Margine:

\[ 2,064\cdot2=4,128 \]

Intervallo:

\[ \boxed{ [45,872,\ 54,128] } \]


22. Varianza campionaria

\[ \boxed{ S^2= \frac{ \sum_{i=1}^{n}(X_i-\bar X)^2 }{ n-1 } } \]

Il denominatore \(n-1\) rende \(S^2\) uno stimatore non distorto di \(\sigma^2\).


23. Intervallo per una proporzione

Se:

\[ \hat p=\frac Xn \]

allora, per campioni grandi:

\[ \boxed{ \hat p \pm z_{\alpha/2} \sqrt{ \frac{\hat p(1-\hat p)}{n} } } \]


24. Esempio

Su 400 persone:

\[ 240 \]

rispondono sì.

\[ \hat p=\frac{240}{400}=0,6 \]

Errore standard:

\[ SE= \sqrt{ \frac{0,6\cdot0,4}{400} } \approx0,0245 \]

Margine al 95%:

\[ 1,96\cdot0,0245 \approx0,048 \]

Intervallo:

\[ \boxed{ [0,552,\ 0,648] } \]


25. Campionamento corretto

Un campione grande ma distorto può produrre una stima molto precisa del valore sbagliato.

La qualità del campionamento è fondamentale.


26. Errore campionario e sistematico

Errore campionario:

  • dovuto al caso;
  • diminuisce aumentando \(n\).

Errore sistematico:

  • campione non rappresentativo;
  • errori di misura;
  • selezione distorta.

Aumentare \(n\) non lo elimina.


27. Dimensione campionaria per la media

Da:

\[ E= z_{\alpha/2} \frac{\sigma}{\sqrt n} \]

ricaviamo:

\[ \boxed{ n= \left( \frac{ z_{\alpha/2}\sigma }{ E } \right)^2 } \]


28. Esempio

Vogliamo:

\[ \sigma=12 \]

confidenza 95%,

\[ E=2 \]

Quindi:

\[ n= \left( \frac{1,96\cdot12}{2} \right)^2 \approx138,3 \]

Servono almeno:

\[ \boxed{139} \]

osservazioni.


29. Dimensione campionaria per una proporzione

\[ \boxed{ n= \frac{ z_{\alpha/2}^2p(1-p) }{ E^2 } } \]

Se \(p\) è sconosciuta usiamo spesso:

\[ p=0,5 \]

perché massimizza:

\[ p(1-p) \]


30. Sintesi del Capitolo 14

Media con \(\sigma\) nota:

\[ \boxed{ \bar x \pm z_{\alpha/2} \frac{\sigma}{\sqrt n} } \]

Media con \(\sigma\) sconosciuta:

\[ \boxed{ \bar x \pm t_{\alpha/2,n-1} \frac{s}{\sqrt n} } \]

Proporzione:

\[ \boxed{ \hat p \pm z_{\alpha/2} \sqrt{ \frac{\hat p(1-\hat p)}{n} } } \]


Dal campione all’intervallo: segui il laboratorio guidato.

Capitolo 15 – Test di ipotesi e p-value

1. Dalla stima alla verifica

Supponiamo che qualcuno affermi:

la media della popolazione è 100.

Vogliamo capire se i dati osservati sono compatibili con questa affermazione.

Nascono così i test di ipotesi.


2. Ipotesi nulla e alternativa

Definiamo:

\[ \boxed{H_0} \]

ipotesi nulla,

e:

\[ \boxed{H_1} \]

ipotesi alternativa.

Esempio:

\[ H_0:\mu=100 \]

\[ H_1:\mu\neq100 \]


3. Principio del test

Il ragionamento è:

  1. assumiamo vera \(H_0\);
  2. vediamo quanto sono plausibili i dati;
  3. se sono troppo estremi, rifiutiamo \(H_0\).

4. Statistica test

Per una media con \(\sigma\) nota:

\[ \boxed{ Z= \frac{ \bar X-\mu_0 }{ \sigma/\sqrt n } } \]


5. Interpretazione

\(Z\) misura quante unità di errore standard separano:

\[ \bar X \]

da:

\[ \mu_0 \]


6. Esempio

\[ \mu_0=100 \]

\[ \bar x=104 \]

\[ \sigma=12 \]

\[ n=36 \]

Errore standard:

\[ SE=2 \]

Quindi:

\[ Z= \frac{104-100}{2} = 2 \]


7. Test bilaterale

Se:

\[ H_1:\mu\neq\mu_0 \]

il test è bilaterale.

Sono rilevanti entrambe le code.


8. Test unilaterale destro

Se:

\[ H_1:\mu>\mu_0 \]

cerchiamo valori grandi della statistica test.


9. Test unilaterale sinistro

Se:

\[ H_1:\mu<\mu_0 \]

cerchiamo valori molto negativi.


10. Livello di significatività

Scegliamo:

\[ \alpha \]

Valori comuni:

\[ 0,10,\quad0,05,\quad0,01 \]


11. Errore di I tipo

Consiste nel rifiutare \(H_0\) quando è vera.

La probabilità è:

\[ \boxed{\alpha} \]


12. Regione critica

In un test bilaterale al 5%:

\[ |Z|>1,96 \]

porta al rifiuto di \(H_0\).


13. Test unilaterale

Al 5%:

\[ Z>1,645 \]

per un test destro,

oppure:

\[ Z<-1,645 \]

per un test sinistro.


14. p-value

Il:

\[ \boxed{p\text{-value}} \]

è la probabilità, assumendo vera \(H_0\), di osservare un risultato almeno altrettanto estremo di quello ottenuto.


15. Regola decisionale

Se:

\[ p<\alpha \]

rifiutiamo \(H_0\).

Se:

\[ p\geq\alpha \]

non rifiutiamo \(H_0\).


16. Non rifiutare non significa accettare

Non rifiutare \(H_0\) significa soltanto:

i dati non forniscono evidenza sufficiente contro \(H_0\).

Non significa aver dimostrato che \(H_0\) sia vera.


17. Esempio completo

Abbiamo:

\[ Z=2 \]

In un test bilaterale al 5%:

\[ |2|>1,96 \]

quindi rifiutiamo \(H_0\).

Il p-value è:

\[ p= 2P(Z\geq2) \]

\[ \approx0,0456 \]

Poiché:

\[ 0,0456<0,05 \]

rifiutiamo \(H_0\).


18. Al livello dell'1%

\[ 0,0456>0,01 \]

quindi non rifiutiamo \(H_0\).


19. Significatività statistica

Se:

\[ p<\alpha \]

diciamo che il risultato è statisticamente significativo.

Ma:

\[ \boxed{ \text{significativo} \neq \text{importante} } \]


20. Errore di II tipo

Consiste nel non rifiutare \(H_0\) quando è falsa.

La sua probabilità si indica con:

\[ \boxed{\beta} \]


21. Potenza del test

\[ \boxed{ 1-\beta } \]

è la probabilità di rifiutare correttamente \(H_0\) quando è falsa.


22. Come aumenta la potenza

Generalmente aumenta quando:

  • aumenta \(n\);
  • aumenta l'effetto reale;
  • diminuisce la variabilità;
  • aumenta \(\alpha\).

23. t-test

Se \(\sigma\) è sconosciuta:

\[ \boxed{ T= \frac{ \bar X-\mu_0 }{ s/\sqrt n } } \]

con:

\[ n-1 \]

gradi di libertà.


24. Test su una proporzione

Per:

\[ H_0:p=p_0 \]

usiamo:

\[ \boxed{ Z= \frac{ \hat p-p_0 }{ \sqrt{ p_0(1-p_0)/n } } } \]


25. Esempio proporzione

Un'azienda dichiara:

\[ p=0,60 \]

Su:

\[ 400 \]

clienti, soddisfatti:

\[ 260 \]

quindi:

\[ \hat p=0,65 \]

La statistica è circa:

\[ Z\approx2,04 \]

Poiché:

\[ 2,04>1,96 \]

rifiutiamo \(H_0\) al 5%.


26. Legame con intervallo di confidenza

Per un test bilaterale al livello:

\[ \alpha \]

rifiutiamo:

\[ H_0:\mu=\mu_0 \]

se:

\[ \mu_0 \]

non appartiene all'intervallo di confidenza:

\[ 1-\alpha \]


27. Esempio

Se l'intervallo al 95% è:

\[ [101,2,\ 106,8] \]

il valore:

\[ 100 \]

non appartiene all'intervallo.

Quindi il test al 5% rifiuta:

\[ H_0:\mu=100 \]


28. p-value: errore comune

Se:

\[ p=0,04 \]

non significa:

\(H_0\) ha probabilità 4% di essere vera.

Il p-value è calcolato assumendo \(H_0\) vera.


29. Esempio pratico

Un produttore dichiara:

\[ \mu=500\text{ g} \]

Vogliamo verificare:

\[ H_1:\mu<500 \]

Supponiamo:

\[ n=64 \]

\[ \bar x=497 \]

\[ \sigma=12 \]

Allora:

\[ Z= \frac{497-500}{12/8} = -2 \]

Poiché:

\[ -2<-1,645 \]

rifiutiamo \(H_0\) al 5%.


30. Test multipli

Se eseguiamo molti test, aumenta il rischio di falsi positivi.

Una correzione semplice è Bonferroni:

\[ \boxed{ \alpha^\ast= \frac{\alpha}{m} } \]

dove \(m\) è il numero di test.


31. Dimensione dell'effetto

Un p-value piccolo non implica necessariamente un effetto grande.

È utile considerare anche:

  • differenza osservata;
  • intervallo di confidenza;
  • misura dell'effetto.

32. Procedura generale

  1. definire il parametro;
  2. scrivere \(H_0\) e \(H_1\);
  3. scegliere \(\alpha\);
  4. calcolare la statistica test;
  5. calcolare il p-value;
  6. prendere la decisione;
  7. interpretare nel contesto.

33. Sintesi del Capitolo 15

Z-test:

\[ \boxed{ Z= \frac{ \bar X-\mu_0 }{ \sigma/\sqrt n } } \]

t-test:

\[ \boxed{ T= \frac{ \bar X-\mu_0 }{ s/\sqrt n } } \]

Test proporzione:

\[ \boxed{ Z= \frac{ \hat p-p_0 }{ \sqrt{ p_0(1-p_0)/n } } } \]

Errore di I tipo:

\[ \alpha \]

Errore di II tipo:

\[ \beta \]

Potenza:

\[ 1-\beta \]


Capitolo 16 – Covarianza, correlazione e regressione lineare

1. Da una variabile a due variabili

Spesso vogliamo studiare due variabili contemporaneamente.

Esempi:

  • altezza e peso;
  • ore di studio e voto;
  • temperatura e consumo;
  • pubblicità e vendite.

La domanda è:

esiste una relazione tra \(X\) e \(Y\)?


2. Coppie di osservazioni

Osserviamo:

\[ (x_1,y_1), (x_2,y_2), \ldots, (x_n,y_n) \]

Ogni osservazione è una coppia.


3. Diagramma di dispersione

Lo scatter plot rappresenta:

\[ X \]

sull'asse orizzontale e:

\[ Y \]

su quello verticale.

Può mostrare:

  • relazione positiva;
  • negativa;
  • assenza di relazione lineare;
  • relazione curva;
  • outlier.

4. Covarianza

La covarianza è:

\[ \boxed{ \operatorname{Cov}(X,Y) = E[(X-\mu_X)(Y-\mu_Y)] } \]


5. Formula alternativa

\[ \boxed{ \operatorname{Cov}(X,Y) = E(XY)-E(X)E(Y) } \]


6. Interpretazione

Se:

\[ \operatorname{Cov}(X,Y)>0 \]

le variabili tendono a muoversi nella stessa direzione.

Se:

\[ \operatorname{Cov}(X,Y)<0 \]

tendono a muoversi in direzioni opposte.


7. Covarianza campionaria

\[ \boxed{ s_{XY} = \frac{ \sum_{i=1}^{n} (x_i-\bar x)(y_i-\bar y) }{ n-1 } } \]


8. Limite della covarianza

Dipende dalle unità di misura.

Per questo è difficile confrontarne direttamente la grandezza.


9. Correlazione

Standardizziamo la covarianza:

\[ \boxed{ \rho= \frac{ \operatorname{Cov}(X,Y) }{ \sigma_X\sigma_Y } } \]

Nel campione:

\[ \boxed{ r= \frac{ s_{XY} }{ s_Xs_Y } } \]


10. Intervallo

\[ \boxed{ -1\leq r\leq1 } \]


11. Interpretazione

\[ r\approx1 \]

forte relazione lineare positiva.

\[ r\approx-1 \]

forte relazione lineare negativa.

\[ r\approx0 \]

relazione lineare debole o assente.


12. Correlazione zero non significa indipendenza

Può esistere una relazione non lineare anche quando:

\[ r=0 \]

Per esempio:

\[ Y=X^2 \]

con \(X\) simmetrica attorno a zero.


13. Correlazione non implica causalità

\[ \boxed{ \text{correlazione}\neq\text{causalità} } \]

Due variabili possono essere correlate per effetto di una terza variabile.


14. Regressione lineare

Il modello più semplice è:

\[ \boxed{ Y=a+bX+\varepsilon } \]

dove:

  • \(a\) = intercetta;
  • \(b\) = coefficiente angolare;
  • \(\varepsilon\) = errore.

15. Retta stimata

\[ \boxed{ \hat Y=a+bX } \]


16. Significato di \(b\)

Il coefficiente:

\[ b \]

indica di quanto varia in media \(Y\) quando \(X\) aumenta di una unità.


17. Residuo

\[ \boxed{ e_i=y_i-\hat y_i } \]

È la differenza tra valore osservato e valore previsto.


18. Minimi quadrati

La retta viene scelta minimizzando:

\[ \boxed{ \sum_{i=1}^{n}(y_i-\hat y_i)^2 } \]


19. Pendenza

\[ \boxed{ b= \frac{ \sum(x_i-\bar x)(y_i-\bar y) }{ \sum(x_i-\bar x)^2 } } \]

equivalentemente:

\[ \boxed{ b= \frac{s_{XY}}{s_X^2} } \]


20. Intercetta

\[ \boxed{ a= \bar y-b\bar x } \]

La retta passa sempre per:

\[ (\bar x,\bar y) \]


21. Collegamento con correlazione

\[ \boxed{ b= r\frac{s_Y}{s_X} } \]

Il segno di \(b\) coincide con il segno di \(r\).


22. Esempio

Supponiamo:

\[ \bar x=4 \]

\[ \bar y=10 \]

\[ s_X=2 \]

\[ s_Y=6 \]

\[ r=0,5 \]

Allora:

\[ b= 0,5\cdot\frac62 = 1,5 \]

e:

\[ a= 10-1,5\cdot4 = 4 \]

Quindi:

\[ \boxed{ \hat Y=4+1,5X } \]


23. Predizione

Per:

\[ X=6 \]

abbiamo:

\[ \hat Y= 4+1,5\cdot6 = 13 \]


24. Interpolazione ed estrapolazione

Interpolazione:

previsione dentro l'intervallo osservato.

Estrapolazione:

previsione fuori dall'intervallo osservato.

L'estrapolazione è più rischiosa.


25. Coefficiente di determinazione

Nella regressione lineare semplice con intercetta:

\[ \boxed{ R^2=r^2 } \]


26. Interpretazione

Se:

\[ R^2=0,64 \]

circa il 64% della variabilità di \(Y\) è descritta dal modello lineare.


27. Outlier

Un valore estremo può modificare fortemente:

  • \(r\);
  • pendenza;
  • intercetta.

Va analizzato, non eliminato automaticamente.


28. Residui

Un buon modello lineare dovrebbe produrre residui:

  • centrati attorno a zero;
  • senza pattern;
  • con dispersione abbastanza costante.

29. Omoschedasticità

Se la dispersione degli errori è costante:

\[ \boxed{\text{omoschedasticità}} \]

Se cambia con \(X\):

\[ \boxed{\text{eteroschedasticità}} \]


30. Test sulla pendenza

Possiamo verificare:

\[ H_0:b=0 \]

contro:

\[ H_1:b\neq0 \]

con una statistica del tipo:

\[ \boxed{ t= \frac{\hat b}{SE(\hat b)} } \]


31. Esempio ore di studio

Supponiamo:

\[ \hat Y=18+4X \]

La pendenza 4 significa:

ogni ora di studio in più è associata a un aumento medio di 4 punti.

Non significa necessariamente causalità.


32. Variabili confondenti

La relazione osservata può essere influenzata da:

  • preparazione iniziale;
  • motivazione;
  • difficoltà;
  • altri fattori.

33. Esercizi

Esercizio 1

Se:

\[ \operatorname{Cov}(X,Y)=12 \]

\[ \sigma_X=3 \]

\[ \sigma_Y=8 \]

allora:

\[ r= \frac{12}{24} = 0,5 \]


Esercizio 2

Se:

\[ r=-0,7 \]

abbiamo una relazione lineare negativa abbastanza marcata.


Esercizio 3

Se:

\[ r=0 \]

non possiamo concludere indipendenza.


Esercizio 4

Se:

\[ \hat Y=12+3X \]

per:

\[ X=4 \]

otteniamo:

\[ \hat Y=24 \]


Esercizio 5

Se:

\[ r=0,9 \]

allora:

\[ R^2=0,81 \]

cioè:

\[ 81\% \]


34. Sintesi del Capitolo 16

Covarianza:

\[ \boxed{ \operatorname{Cov}(X,Y) = E[(X-\mu_X)(Y-\mu_Y)] } \]

Correlazione:

\[ \boxed{ \rho= \frac{ \operatorname{Cov}(X,Y) }{ \sigma_X\sigma_Y } } \]

Retta:

\[ \boxed{ \hat Y=a+bX } \]

Pendenza:

\[ \boxed{ b= \frac{s_{XY}}{s_X^2} = r\frac{s_Y}{s_X} } \]

Intercetta:

\[ \boxed{ a=\bar y-b\bar x } \]

Coefficiente di determinazione:

\[ \boxed{ R^2=r^2 } \]

Idea fondamentale:

\[ \boxed{ \text{correlazione non implica causalità} } \]

Capitolo 17 – Distribuzione ipergeometrica e binomiale negativa

1. Due nuovi modelli discreti

Esistono due situazioni che non rientrano perfettamente nei modelli già studiati:

  1. estrazioni senza reinserimento;
  2. prove ripetute fino al raggiungimento del \(r\)-esimo successo.

Queste situazioni portano rispettivamente a:

\[ \boxed{\text{distribuzione ipergeometrica}} \]

e:

\[ \boxed{\text{distribuzione binomiale negativa}} \]


2. Perché la binomiale non basta

La binomiale richiede:

  • probabilità di successo costante;
  • prove indipendenti.

Se estraiamo senza reinserimento, la composizione della popolazione cambia.

Quindi anche la probabilità di successo cambia.


3. Distribuzione ipergeometrica

Supponiamo di avere:

\[ N \]

elementi totali, di cui:

\[ K \]

sono successi.

Estraiamo:

\[ n \]

elementi senza reinserimento.

Definiamo:

\[ X=\text{numero di successi estratti} \]

Allora:

\[ \boxed{ X\sim Hyp(N,K,n) } \]


4. Formula

\[ \boxed{ P(X=k) = \frac{ \binom Kk \binom{N-K}{n-k} }{ \binom Nn } } \]


5. Interpretazione

Il denominatore:

\[ \binom Nn \]

conta tutti i possibili campioni.

Il numeratore conta:

  • \(k\) successi tra \(K\);
  • \(n-k\) insuccessi tra \(N-K\).

6. Esempio

Urna con:

  • 6 rosse;
  • 4 blu.

Estraiamo 3 palline senza reinserimento.

Probabilità di esattamente 2 rosse:

\[ P(X=2) = \frac{ \binom62\binom41 }{ \binom{10}{3} } \]

\[ = \frac{15\cdot4}{120} = \frac12 \]


7. Valore atteso

\[ \boxed{ E(X)=n\frac KN } \]


8. Varianza

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = n\frac KN \left(1-\frac KN\right) \frac{N-n}{N-1} } \]

Il termine:

\[ \frac{N-n}{N-1} \]

è la correzione per popolazione finita.


9. Confronto con la binomiale

Con reinserimento o popolazione molto grande:

\[ \boxed{\text{Binomiale}} \]

Senza reinserimento da popolazione finita:

\[ \boxed{\text{Ipergeometrica}} \]


10. Esempio con carte

Da 52 carte estraiamo 5 carte.

Probabilità di esattamente 2 assi:

\[ \boxed{ P(X=2) = \frac{ \binom42\binom{48}{3} }{ \binom{52}{5} } } \]


11. Almeno un successo

\[ P(X\geq1) = 1-P(X=0) \]

Quindi:

\[ \boxed{ P(X\geq1) = 1- \frac{ \binom{N-K}{n} }{ \binom Nn } } \]


12. Binomiale negativa

La geometrica risponde:

quante prove fino al primo successo?

La binomiale negativa risponde:

quante prove fino al \(r\)-esimo successo?


13. Definizione

Consideriamo prove di Bernoulli indipendenti con probabilità di successo:

\[ p \]

Definiamo:

\[ X=\text{numero di prove necessarie per ottenere }r\text{ successi} \]

Allora:

\[ \boxed{ X\sim NB(r,p) } \]


14. Formula

\[ \boxed{ P(X=k) = \binom{k-1}{r-1} p^r(1-p)^{k-r} } \]

con:

\[ k=r,r+1,\ldots \]


15. Perché

Affinché il \(r\)-esimo successo arrivi alla prova \(k\):

  • nelle prime \(k-1\) prove devono esserci \(r-1\) successi;
  • la prova \(k\) deve essere un successo.

16. Esempio

Moneta equilibrata.

Qual è la probabilità che la terza testa arrivi al quinto lancio?

\[ P(X=5) = \binom42 \left(\frac12\right)^3 \left(\frac12\right)^2 \]

\[ = \frac3{16} \]


17. Media e varianza

\[ \boxed{ E(X)=\frac rp } \]

\[ \boxed{ \operatorname{Var}(X) = \frac{r(1-p)}{p^2} } \]


18. La geometrica come caso particolare

Se:

\[ r=1 \]

otteniamo:

\[ \boxed{ Geom(p)=NB(1,p) } \]


19. Confronto finale

Binomiale:

\[ \boxed{\text{numero di prove fisso}} \]

\[ \boxed{\text{numero di successi casuale}} \]

Binomiale negativa:

\[ \boxed{\text{numero di successi fissato}} \]

\[ \boxed{\text{numero di prove casuale}} \]


20. Sintesi del Capitolo 17

Ipergeometrica:

\[ \boxed{ P(X=k) = \frac{ \binom Kk\binom{N-K}{n-k} }{ \binom Nn } } \]

Binomiale negativa:

\[ \boxed{ P(X=k) = \binom{k-1}{r-1} p^r(1-p)^{k-r} } \]


Capitolo 18 – Come riconoscere la distribuzione giusta

1. Il vero problema

Spesso la difficoltà non è la formula.

La vera domanda è:

\[ \boxed{ \text{quale distribuzione devo usare?} } \]


2. Prima distinzione

La variabile è:

\[ \boxed{\text{discreta}} \]

oppure:

\[ \boxed{\text{continua}} \]


3. Variabili discrete

Esempi:

  • numero di clienti;
  • numero di difetti;
  • numero di successi;
  • numero di tentativi.

Distribuzioni principali:

  • Bernoulli;
  • Binomiale;
  • Geometrica;
  • Binomiale negativa;
  • Ipergeometrica;
  • Poisson.

4. Variabili continue

Esempi:

  • altezza;
  • tempo;
  • temperatura;
  • peso.

Distribuzioni principali:

  • Uniforme;
  • Esponenziale;
  • Normale.

5. Bernoulli

Una sola prova:

\[ \boxed{\text{successo/insuccesso}} \]


6. Binomiale

Numero fisso di prove.

Domanda:

quanti successi?

\[ \boxed{ X\sim Bin(n,p) } \]


7. Geometrica

Domanda:

quante prove fino al primo successo?

\[ \boxed{ X\sim Geom(p) } \]


8. Binomiale negativa

Domanda:

quante prove fino al \(r\)-esimo successo?

\[ \boxed{ X\sim NB(r,p) } \]


9. Ipergeometrica

Estrazione senza reinserimento da popolazione finita.

\[ \boxed{ X\sim Hyp(N,K,n) } \]


10. Poisson

Domanda:

quanti eventi in un intervallo?

\[ \boxed{ X\sim Poisson(\lambda) } \]


11. Uniforme

Tutti i valori di un intervallo sono equiplausibili.

\[ \boxed{ X\sim U(a,b) } \]


12. Esponenziale

Domanda:

quanto tempo fino al prossimo evento?

\[ \boxed{ X\sim Exp(\lambda) } \]


13. Normale

Fenomeno continuo, simmetrico e a campana:

\[ \boxed{ X\sim N(\mu,\sigma^2) } \]


14. Percorso decisionale discreto

Una sola prova?

\[ \boxed{\text{Bernoulli}} \]

Numero fisso di prove, conto i successi?

\[ \boxed{\text{Binomiale}} \]

Primo successo?

\[ \boxed{\text{Geometrica}} \]

\(r\)-esimo successo?

\[ \boxed{\text{Binomiale negativa}} \]

Senza reinserimento?

\[ \boxed{\text{Ipergeometrica}} \]

Eventi in un intervallo?

\[ \boxed{\text{Poisson}} \]


15. Percorso decisionale continuo

Valori equiplausibili?

\[ \boxed{\text{Uniforme}} \]

Tempo di attesa?

\[ \boxed{\text{Esponenziale}} \]

Campana simmetrica?

\[ \boxed{\text{Normale}} \]


16. Esempio: moneta 10 volte

Probabilità di esattamente 7 teste.

Numero fisso di prove:

\[ n=10 \]

Quindi:

\[ \boxed{\text{Binomiale}} \]


17. Stessa moneta fino alla prima testa

\[ \boxed{\text{Geometrica}} \]


18. Stessa moneta fino alla terza testa

\[ \boxed{\text{Binomiale negativa}} \]


19. Urna senza reinserimento

\[ \boxed{\text{Ipergeometrica}} \]


20. Sei chiamate all'ora

Numero di chiamate:

\[ \boxed{\text{Poisson}} \]

Tempo fino alla prossima:

\[ \boxed{\text{Esponenziale}} \]


21. Autobus in un intervallo

Se ogni istante tra le 8:00 e le 8:20 è equiprobabile:

\[ \boxed{\text{Uniforme}} \]


22. Altezza normalmente distribuita

\[ \boxed{\text{Normale}} \]


23. Modello esatto e approssimazione

Esempio:

\[ X\sim Bin(5000,0,001) \]

è il modello esatto.

Poiché:

\[ np=5 \]

possiamo usare:

\[ Poisson(5) \]

come approssimazione.


24. Approssimazioni importanti

Binomiale verso Poisson:

\[ n\text{ grande},\ p\text{ piccolo} \]

Binomiale verso normale:

\[ n\text{ grande} \]

Poisson verso normale:

\[ \lambda\text{ grande} \]


25. Regola fondamentale

Domandarsi sempre:

\[ \boxed{ \text{che cosa è fissato e che cosa è casuale?} } \]


26. Errori frequenti

Confondere:

  • Poisson ed esponenziale;
  • binomiale e geometrica;
  • binomiale e ipergeometrica;
  • distribuzione dei dati e distribuzione della media.

27. Modello e realtà

Una distribuzione è un modello.

Non diciamo:

la realtà è una Poisson.

Diciamo:

la Poisson è un modello utile per descrivere il fenomeno.


28. Sintesi del Capitolo 18

\[ \boxed{ \text{fenomeno} \rightarrow \text{variabile} \rightarrow \text{ipotesi} \rightarrow \text{distribuzione} \rightarrow \text{calcolo} } \]

Prima capire il fenomeno, poi scegliere la formula.


Capitolo 19 – Simulazione Monte Carlo e verifica sperimentale

1. Perché simulare

Molti problemi possono essere studiati simulando al computer l'esperimento casuale molte volte.

L'idea è:

\[ \boxed{ \text{probabilità} \approx \text{frequenza relativa in molte simulazioni} } \]


2. Frequenza relativa

Se un evento \(A\) si verifica:

\[ N_A \]

volte su:

\[ N \]

simulazioni:

\[ \boxed{ \hat p= \frac{N_A}{N} } \]


3. Esempio con moneta

10 lanci possono dare:

\[ 6 \]

teste.

Quindi:

\[ \hat p=0,6 \]

Con 10000 lanci potremmo ottenere:

\[ 0,502 \]

La frequenza tende verso:

\[ 0,5 \]


4. Collegamento con la Legge dei Grandi Numeri

Definiamo:

\[ I_i= \begin{cases} 1 & \text{se }A\text{ avviene}\\ 0 & \text{altrimenti} \end{cases} \]

Allora:

\[ \hat p= \frac1N\sum_{i=1}^NI_i \]

e:

\[ \hat p\to P(A) \]


5. Due dadi

Probabilità teorica di somma 7:

\[ \frac16 \]

Simulando 100000 lanci e ottenendo 16642 volte la somma 7:

\[ \hat p= 0,16642 \]

molto vicino a:

\[ 0,16667 \]


6. Che cos'è Monte Carlo

Il metodo Monte Carlo utilizza ripetute simulazioni casuali per stimare quantità matematiche.

Procedura:

  1. generare risultati casuali;
  2. calcolare la quantità di interesse;
  3. ripetere molte volte;
  4. fare una media o una frequenza.

7. Stima Monte Carlo

\[ \boxed{ \hat p_N= \frac1N \sum_{i=1}^{N}I_i } \]


8. Errore standard Monte Carlo

\[ \boxed{ SE(\hat p) = \sqrt{ \frac{p(1-p)}{N} } } \]

In pratica si usa:

\[ \hat p \]

al posto di \(p\).


9. Conseguenza

L'errore diminuisce come:

\[ \frac1{\sqrt N} \]

Per dimezzarlo bisogna quadruplicare il numero di simulazioni.


10. Intervallo Monte Carlo

Approssimativamente:

\[ \boxed{ \hat p \pm 1,96 \sqrt{ \frac{\hat p(1-\hat p)}{N} } } \]


11. Stima di \(\pi\)

Generiamo punti casuali nel quadrato:

\[ [-1,1]\times[-1,1] \]

Un punto appartiene al cerchio se:

\[ X^2+Y^2\leq1 \]

Poiché:

\[ P(\text{cerchio})=\frac{\pi}{4} \]

abbiamo:

\[ \boxed{ \pi \approx 4\frac{N_C}{N} } \]


12. Monte Carlo per integrali

Se:

\[ U\sim U(a,b) \]

allora:

\[ E[f(U)] = \frac1{b-a} \int_a^bf(x)\,dx \]

Quindi:

\[ \boxed{ \int_a^bf(x)\,dx \approx (b-a) \frac1N \sum_{i=1}^{N}f(U_i) } \]


13. Simulare la Legge dei Grandi Numeri

Possiamo:

  1. generare dati;
  2. calcolare la media progressiva;
  3. rappresentarla graficamente;
  4. confrontarla con \(\mu\).

14. Simulare il TCL

Procedura:

  1. scegliere una distribuzione non normale;
  2. estrarre un campione di dimensione \(n\);
  3. calcolare la media;
  4. ripetere migliaia di volte;
  5. costruire l'istogramma delle medie.

All'aumentare di \(n\), emerge la forma normale.


15. Standardizzazione delle medie

\[ \boxed{ Z= \frac{ \bar X-\mu }{ \sigma/\sqrt n } } \]

Gli \(Z\) simulati dovrebbero assomigliare a:

\[ N(0,1) \]


16. Simulazione di una binomiale

Per:

\[ X\sim Bin(20,0,3) \]

simuliamo 20 prove Bernoulli e contiamo i successi.

Ripetiamo molte volte.

L'istogramma empirico tenderà alla distribuzione teorica.


17. Simulazione Poisson

Per:

\[ X\sim Poisson(4) \]

simuliamo molti valori.

Dovremmo osservare:

\[ \bar X\approx4 \]

e:

\[ s^2\approx4 \]


18. Generatori pseudocasuali

I computer usano spesso numeri:

\[ \boxed{\text{pseudocasuali}} \]

Il seed permette di riprodurre la stessa sequenza.


19. Metodo dell'inversa

Se:

\[ U\sim U(0,1) \]

e \(F\) è invertibile:

\[ \boxed{ X=F^{-1}(U) } \]

ha distribuzione \(F\).


20. Esempio esponenziale

Per:

\[ F(x)=1-e^{-\lambda x} \]

si ottiene:

\[ \boxed{ X= -\frac{\ln U}{\lambda} } \]


21. Eventi rari

Se:

\[ P(A)=10^{-8} \]

anche milioni di simulazioni possono non osservare mai \(A\).

Monte Carlo diretto diventa inefficiente.


22. Bootstrap

Il bootstrap usa i dati osservati e genera nuovi campioni con reinserimento.

Procedura:

  1. campione originale;
  2. ricampionamento con reinserimento;
  3. calcolo della statistica;
  4. ripetizione;
  5. studio della distribuzione empirica.

23. Utilità del bootstrap

Permette di stimare:

  • errore standard;
  • bias;
  • intervalli di confidenza;

anche per statistiche complicate.


24. Laboratorio online

Un simulatore potrebbe chiedere:

  • distribuzione;
  • parametri;
  • numero di simulazioni;
  • evento.

E mostrare:

  • frequenza;
  • probabilità teorica;
  • errore;
  • istogramma;
  • media e varianza.

25. Laboratorio TCL

L'utente sceglie:

  • distribuzione iniziale;
  • dimensione campione \(n\);
  • numero di simulazioni.

Il programma mostra l'istogramma delle medie.


26. Laboratorio intervalli di confidenza

Si possono simulare 100 intervalli al 95%.

Circa:

\[ 95 \]

dovrebbero contenere il vero valore.

Questo rende visibile il significato frequentista della confidenza.


27. Laboratorio test di ipotesi

Con \(H_0\) vera e:

\[ \alpha=0,05 \]

ripetendo molti test dovremmo rifiutare erroneamente \(H_0\) circa nel 5% dei casi.


28. Teoria e simulazione

La teoria:

\[ \boxed{\text{spiega perché}} \]

La simulazione:

\[ \boxed{\text{mostra cosa accade}} \]

Sono strumenti complementari.


29. Sintesi del Capitolo 19

Procedura Monte Carlo:

  1. definire l'esperimento;
  2. generare dati casuali;
  3. calcolare il risultato;
  4. ripetere molte volte;
  5. riassumere frequenze e medie.

Prova le simulazioni: apri il laboratorio interattivo.

Capitolo 20 – Dai dati alla distribuzione

1. Il problema inverso

Finora spesso abbiamo fatto:

\[ \boxed{ \text{distribuzione} \rightarrow \text{probabilità} } \]

Nella pratica possiamo avere:

\[ x_1,x_2,\ldots,x_n \]

e voler capire:

\[ \boxed{ \text{quale distribuzione potrebbe aver generato i dati?} } \]


2. Primo passo: discreto o continuo

Dati interi di conteggio:

\[ 0,1,2,\ldots \]

suggeriscono una variabile discreta.

Misure reali:

\[ 2,13,\ 5,78,\ 9,41 \]

suggeriscono una variabile continua.


3. Capire il fenomeno

Non basta guardare il grafico.

Bisogna capire anche come sono generati i dati.

Per esempio:

  • conteggi → Poisson;
  • tempi di attesa → esponenziale;
  • successi → binomiale;
  • misure simmetriche → normale.

4. Statistiche descrittive

Calcoliamo:

  • numerosità;
  • minimo;
  • massimo;
  • media;
  • mediana;
  • varianza;
  • deviazione standard;
  • quartili;
  • percentili.

5. Media

\[ \boxed{ \bar x= \frac1n \sum_{i=1}^{n}x_i } \]


6. Varianza campionaria

\[ \boxed{ s^2= \frac{ \sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar x)^2 }{ n-1 } } \]


7. Quartili e IQR

\[ \boxed{ IQR=Q_3-Q_1 } \]

Misura la dispersione della parte centrale.


8. Istogramma

L'istogramma permette di osservare:

  • simmetria;
  • asimmetria;
  • picchi;
  • code;
  • outlier.

9. Distribuzione simmetrica

Se l'istogramma è a campana e simmetrico, una normale può essere plausibile.


10. Asimmetria a destra

Molti valori piccoli e pochi valori grandi possono suggerire modelli come l'esponenziale.


11. Uniformità

Se l'istogramma è abbastanza piatto:

\[ \boxed{\text{Uniforme}} \]

può essere una candidata.


12. Multimodalità

Più picchi possono indicare una miscela di popolazioni diverse.

In questo caso una singola distribuzione semplice può non essere sufficiente.


13. Box plot

Mostra:

  • quartili;
  • mediana;
  • dispersione;
  • valori estremi.

14. Outlier

Una regola comune considera sospetti valori inferiori a:

\[ Q_1-1,5IQR \]

o superiori a:

\[ Q_3+1,5IQR \]

Ma non vanno eliminati automaticamente.


15. Poisson: media e varianza

Per una Poisson:

\[ E(X)=\operatorname{Var}(X)=\lambda \]

Quindi se:

\[ \bar x\approx s^2 \]

una Poisson può essere plausibile.


16. Sovradispersione

Se:

\[ s^2\gg\bar x \]

potrebbe esserci sovradispersione.

Una binomiale negativa può essere più adatta.


17. Esponenziale

Per una esponenziale:

\[ E(X)=\sigma \]

Quindi dati positivi, asimmetrici a destra, con media e deviazione standard simili possono suggerire un modello esponenziale.


18. Normale

Per una normale ci aspettiamo:

  • simmetria;
  • media e mediana vicine;
  • un solo picco;
  • code su entrambi i lati.

19. Regola 68–95–99,7

Possiamo controllare quanti valori cadono entro:

\[ \bar x\pm s \]

\[ \bar x\pm2s \]

\[ \bar x\pm3s \]

e confrontare con:

\[ 68\%,95\%,99,7\% \]


20. Q-Q plot

Il Q-Q plot confronta:

  • quantili osservati;
  • quantili teorici.

Se i punti sono quasi allineati, il modello può essere plausibile.


21. Funzione empirica

\[ \boxed{ F_n(x) = \frac{ \#\{x_i\leq x\} }{ n } } \]

Può essere confrontata con una funzione teorica:

\[ F(x) \]


22. Test di adattamento

Possiamo usare test di bontà dell'adattamento.

Esempio:

\[ \boxed{\chi^2} \]

con statistica:

\[ \boxed{ \chi^2 = \sum_i \frac{ (O_i-E_i)^2 }{ E_i } } \]


23. Ipotesi

\[ H_0: \text{il modello è compatibile con i dati} \]

contro:

\[ H_1: \text{il modello non è adeguato} \]


24. Kolmogorov-Smirnov

Confronta:

\[ F_n(x) \]

e:

\[ F(x) \]

attraverso:

\[ \boxed{ D= \sup_x|F_n(x)-F(x)| } \]


25. Test di normalità

Tra i più usati:

  • Shapiro-Wilk;
  • Anderson-Darling;
  • Kolmogorov-Smirnov in versioni appropriate.

26. Un test non basta

Con campioni piccoli può avere poca potenza.

Con campioni enormi può rilevare differenze minime.

Meglio combinare:

\[ \boxed{ \text{grafici} + \text{indicatori} + \text{test} + \text{conoscenza del fenomeno} } \]


27. Stima dei parametri

Poisson:

\[ \boxed{ \hat\lambda=\bar x } \]

Esponenziale:

\[ \boxed{ \hat\lambda=\frac1{\bar x} } \]

Normale:

\[ \boxed{ \hat\mu=\bar x } \]

\[ \boxed{ \hat\sigma\approx s } \]

Binomiale:

\[ \boxed{ \hat p=\frac{\bar x}{n} } \]

se \(n\) è noto.


28. Metodo dei momenti

L'idea è uguagliare momenti teorici e campionari.

Se:

\[ E(X)=g(\theta) \]

poniamo:

\[ \bar x=g(\hat\theta) \]

e ricaviamo:

\[ \hat\theta \]


29. Massima verosimiglianza

La massima verosimiglianza sceglie i parametri che rendono i dati osservati il più plausibili possibile.

\[ \boxed{ \hat\theta = \arg\max_\theta L(\theta) } \]


30. Esempio Bernoulli

Con:

\[ k \]

successi su:

\[ n \]

prove:

\[ \boxed{ \hat p=\frac kn } \]


31. Confrontare più modelli

Possiamo confrontare:

  • istogramma;
  • densità teoriche;
  • Q-Q plot;
  • test di adattamento;
  • criteri statistici.

32. Parsimonia

Se due modelli descrivono i dati allo stesso modo, spesso preferiamo quello più semplice.


33. Esempio conteggi

Supponiamo:

\[ \bar x=3,1 \]

\[ s^2=3,3 \]

Una Poisson può essere plausibile.

Stimiamo:

\[ \hat\lambda=3,1 \]


34. Esempio tempi di attesa

Supponiamo:

\[ \bar x=5,2 \]

\[ s=5,0 \]

e forte asimmetria a destra.

Una esponenziale può essere plausibile.

\[ \hat\lambda = \frac1{5,2} \approx0,192 \]


35. Esempio normale

Supponiamo:

\[ \bar x=170,3 \]

\[ s=7,4 \]

con istogramma simmetrico.

Modello candidato:

\[ \boxed{ N(170,3,7,4^2) } \]


36. Simulatore automatico

Un programma potrebbe:

  1. leggere i dati;
  2. classificare discreto/continuo;
  3. calcolare statistiche;
  4. costruire grafici;
  5. proporre modelli;
  6. stimare parametri;
  7. confrontare i modelli;
  8. restituire un giudizio di compatibilità.

37. Output corretto

Meglio dire:

il modello normale appare compatibile con i dati

piuttosto che:

i dati seguono certamente una normale.


38. Se nessun modello funziona

È possibile rispondere:

\[ \boxed{ \text{nessuna delle distribuzioni considerate descrive adeguatamente i dati} } \]

Non bisogna forzare il modello.


39. Simulare dal modello stimato

Dopo aver stimato un modello possiamo generare nuovi dati e confrontarli con quelli reali.

Questo permette un controllo molto intuitivo dell'adeguatezza.


40. Schema finale

\[ \boxed{ \text{Dati} \rightarrow \text{Grafici} \rightarrow \text{Indicatori} \rightarrow \text{Modello} \rightarrow \text{Stima} \rightarrow \text{Controllo} } \]


41. Idea conclusiva

La probabilità parte dal modello:

\[ \boxed{ \text{modello} \rightarrow \text{dati} } \]

La statistica compie spesso il percorso opposto:

\[ \boxed{ \text{dati} \rightarrow \text{modello} } \]

Il ciclo completo diventa:

\[ \boxed{ \text{osservare} \rightarrow \text{ipotizzare} \rightarrow \text{verificare} \rightarrow \text{simulare} } \]

Questo è uno dei modi più completi per comprendere probabilità e statistica.