Discrete Probability Distributions

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DISCRETE PROBABILITY DISTRIBUTIONS Discrete Uniform Distribution  The simplest  discrete random variable is one that assumes only a finite number of  possible values,  each with equal probability. PMF 6-2

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138821573 Ang and Tang Solutions

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DISCRETE PROBABILITY DISTRIBUTIONS

Discrete 

Uniform 

Distribution

•   The simplest discrete random variable is one that assumes only a 

finite number of  possible values, each with equal probability.

PMF

6-2

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The Bernoulli sequence and the Binomial distribution

•   In many engineering applications, there are often problems involving 

the occurrence or non‐occurrence of  an event, which is unpredictable, 

in a sequence of  discrete ‘trials’.

•   For example, a piece of  equipment may or may not malfunction over the duration of  the project; in each year, the maximum flow of  the 

river may or may not exceed some specified flood level.

•   Problems of  this type may be modelled by a Bernoulli sequence, 

which is based on the following assumptions.

•   The experiment consists of  n repeated trials.

•   Each trial results in an outcome that may be classified as an occurrence or non‐

occurrence of  an event.

•   The 

probability 

of  

success, 

denoted 

by 

 p, 

remains 

constant 

from 

trial 

to 

trial.•   The repeated trials are independent.

6-3

The 

Binomial 

distribution 

•   The number  X  of  successes in n Bernoulli trials is called a bi nomial 

random variable. The probability distribution of  this discrete random 

variable is called the binomial distribution.

•   A Bernoulli trial can result in a success with probability  p and a failure 

with Distribution probability q = 1 — p. Then the probability 

distribution of  the binomial random variable  X , the number of  

occurrences in n independent trials, is

Binomial PMF

)!(!

!

,...,2,1,0,);(

 xn x

n

 x

nwhere

n xq p x

nn, p x f    xn x

 

 

 

 

 

  

   

6-4

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The 

Binomial 

distribution 

.

•   The corresponding CDF is 

•   In spite of  the simplicity, the Bernoulli model is quite useful in many 

engineering applications. For example, in each of  the following cases, 

if  the situation is repeated, the resulting series may be modelled as a 

Bernoulli sequence

•   The individual items produced on an assembly line may or may 

not pass the inspection to ensure product quality

•   In 

an 

earthquake 

risk 

zone, 

building 

may 

or 

may 

not 

be 

damaged annually

 

  

 

n

 xn xq p

 x

nn, p xF 

0

);(

6-5

•   An industrial engineer is keenly interested in the "proportion 

defective" in an industrial process. Often, quality control measures 

and sampling schemes for processes are based on the binomial 

distribution. 

•   The binomial distribution applies to any industrial situation where an 

outcome of  a process is dichotomous and the results of  the process 

are independent, with the probability of  a success being constant 

from trial to trial.

•   The binomial distribution is also used extensively for medical 

applications, where, a success or failure result is important. For 

example, "cure" or "no cure" is important in pharmaceutical work.

The 

Binomial 

distribution 

.

6-6

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The 

Binomial 

distribution 

.

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•   Each sample of  water has a 10% chance of  containing a particular 

organic pollutant. Assume that the samples are independent with 

regard to the presence of  the pollutant. Find the probability that in the 

next 18 samples, exactly 2 contain the pollutant.

Example

Determine the probability that at least four samples contain the pollutant

The 

Binomial 

distribution 

.

6-8

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•   Determine the probability that 3 ≤X< 7

Example . . .

The 

Binomial 

distribution 

.

6-9

The 

Geometric 

distribution 

•   In a Bernoulli sequence, the number of  trials until a specified event 

occurs for the first time is governed by the geometric distribution. 

Note that the height of the line at x is (1-p) times

the height of the line at x- 1. That is, the

probabilities decrease in a geometric

progression. The distribution acquires its

name from this result.

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The 

Geometric 

distribution 

.

•   In a time (or space) problem that is appropriately discretised into 

corresponding intervals, and can be modelled as a Bernoulli 

sequence, the number of  time intervals until the first occurrence of  

an 

event 

is 

called 

the 

first 

occurrence 

time.•   The probability distribution of  the recurrence time is equal to that of  

the first occurrence time. Therefore, the recurrence time in a 

Bernoulli sequence is also governed by the geometric distribution.

•   The mean recurrence time, which is popularly known in engineering 

as the (average) return period is

1

21   1

...)321()1()( t 

 pqq p p pt T  E T 

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The 

Geometric 

distribution 

.

•   A fixed offshore platform is designed for a wave height of  8m above the 

mean sea level. This wave height corresponds to a 5% probability of  being 

exceeded per year.

(a) what is the probability that the platform will be subjected to the design 

wave height within return period?(b) what is the probability that the first exceedance of  the design wave 

height will occur after the third year?

Example

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The 

Geometric 

distribution 

.

The return period of  the design wave height is

By the geomteric distribution, 

Example . . .

 yearsT    2005.0

1

3585.095.01)20,8(1)20,8(  20

  yr in H P yr in H P

8574.0])95.0(05.0)95.0(05.0)95.0(05.0[1)3(1)3(  131211  

T PT P

6-13

The 

Poisson 

distribution 

•   Experiments yielding numerical values of  a random variable X, the 

number of  outcomes occurring during a given time interval or in a 

specified region, are called Poisson experiments.

•   The given time interval may be of  any length, such as a minute, a day, 

a week, a month, or even a year.

•   The specified region could be a line segment, an area, a volume, or 

perhaps a piece of  material.

•   Examples: the number of 

•  telephone calls per hour received by an office

• days school is closed due to snow during the winter

•  postponed games due to rain during a baseball season

•  particles of  contamination in semiconductor manufacturing

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The 

Poisson 

distribution 

.

•   Properties of  Poisson Process

•   The number of  outcomes occurring in one time interval or 

specified region is independent of  the number that occurs in any 

other disjoint time interval or region of  space. In this way we say 

that the Poisson process has no memory.

•   The probability that a single outcome will occur during a very 

short time interval or in a small region is proportional to the 

length of  the time interval or the size of  the region and does not 

depend on the number of  outcomes occurring outside this time 

interval or region.

•   The probability that more than one outcome will occur in such a 

short time interval or fall in such a small region is negligible.•   The number X of  outcomes occurring during a Poisson experiment is 

called a Poisson random variable, and its probability distribution is 

called the Poisson distribution

6-15

The 

Poisson 

distribution 

.

•   It should be evident from the three principles of  the Poisson process 

that the Poisson distribution relates to the binomial distribution. 

•   Bernoulli sequence divides the time or space into appropriate 

small intervals, and assumes that an event will either occur or not 

occur (only two possibilities) within each interval, thus 

constituting a Bernoulli trial

•   However, if  the event can randomly occur at any instant of  time 

(or at any point in space), it may occur more than once in any 

given interval, in such cases, the occurrences of  the event may be 

more appropriately modelled with a Poisson process or Poisson 

sequence

•   The Bernoulli sequence approaches the Poison process as the time 

(or space) interval is decreased

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The 

Poisson 

distribution 

.

•   If  Xt is number of  occurrences in a time (or space) interval (0, t ), the 

Poisson PMF is

where  is the mean occurrence rate, i.e., the average number of  

occurrences per unit time, distance.

•   The mean number of  occurrences in t is E(Xt)= t, and the variance is 

also same.

•  It is important to use consistent units in the calculation of  

probabilities, means, and variances

  ,...2,1,0!

)(      xe x

t  x f    t 

 x

    

6-17

The 

Poisson 

distribution 

.

•   Historical records  of  severe rainstorms in a town over the last 20 

years indicated that there had been an average number of   four 

rainstorms per year. Assuming that the occurrences of  rainstorms 

may be modelled with Poisson process

a) what is the probability that there would not be any rainstorms next 

year ?

b) what is the probability of  four rainstorms next year?

c) what is the probability of  two or more rainstorms in the next year?

d) generate a Poisson PMF for up to 12 rainstorms in the next year

Example

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The 

Poisson 

distribution 

.

Example

  018.0!0

14)0(   14

0

  e X  f  t 

  195.0!4

14)4(   14

4

  e X  f  t 

      908.0!

141

!

14)2(   14

1

0

14

2

 

  e

 xe

 x X F 

 x

 x

 x

 x

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The 

Poisson 

distribution 

.

•   Both in the Bernoulli sequence and the Poisson process, the 

occurrences of  an event between trials (in case of  Bernoulli model) 

and between intervals (in the Poisson model) are statistically 

independent

•   However, the probability of  occurrence of  an event in a given trial 

may depend on earlier trials, and thus could involve conditional 

probabilities. If  this conditional probability depends on the 

immediately preceding trial (or interval), the resulting model is a 

Markov chain (or Markov Process). 

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