基本概念

2021-07-15 数学基础 概率论

# 一、样本空间、随机事件

# 1.1 样本空间

随机试验的所有可能结果构成的集合称为样本空间,记为 S={e}。SS=\{e\}。S 中的元素 ee 称为样本点。

# 1.2 随机事件

样本空间 SS 的子集 AA 称为随机事件 AA,简称事件 AA。当且仅当 AA 中的某个样本点发生称事件 AA 发生。

事件 AA 可用集合表示,也可用语言来表示。

事件分类

  • 如果事件在每次试验中总是发生,则称其为必然事件。
  • 如果事件只包含一个样本点,则称其为基本事件。
  • 如果事件是空集,里面不包含任何样本点,记为 ϕ\phi,则每次试验 ϕ\phi 都不发生,称 ϕ\phi 为不可能事件。

# 二、事件的相互关系及运算

# 2.1 事件的关系

  • A⊂BA\subset{B}:事件 AA 发生一定导致 BB 发生。
  • A=B⇔{A⊂BB⊂AA=B\Leftrightarrow\left\{\begin{aligned}A\subset{B}\\B\subset{A}\\\end{aligned}\right.

# 2.2 事件的运算及关系

  • AA 与 BB 的和事件,记为 A∪BA\cup{B},表示 AA 与 BB 至少有一发生。
  • AA 与 BB 的积事件,记为 A∩BA\cap{B} 或 ABAB,表示 AA 与 BB 同时发生。
  • AA 与 BB 的差事件,记为 A−BA-B,表示 AA 发生 BB 不发生。
    • A−B=AB‾=A∪B−B=A−ABA-B=A\overline{B}=A\cup{B}-B=A-AB。
  • AA 的逆事件,记为 A‾\overline{A},也称 AA 的互逆、对立事件。
    • A∪A‾=SA\cup\overline{A}=S,AA‾=ϕA\overline{A}=\phi,A‾‾=A\overline{\overline{A}}=A
  • 当 AB=ϕAB=\phi 时,称事件 AA 与 BB 不相容或互斥。

# 2.3 事件的运算定律

交换律

  • A∪B=B∪AA\cup{B}=B\cup{A};
  • A∩B=B∩AA\cap{B}=B\cap{A}。

结合律

  • A∪(B∪C)=(A∪B)∪CA\cup(B\cup{C})=(A\cup{B})\cup{C};
  • A∩(B∩C)=(A∩B)∩CA\cap(B\cap{C})=(A\cap{B})\cap{C}。

分配律

  • A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C)A\cup(B\cap{C})=(A\cup{B})\cap(A\cup{C});
  • A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)A\cap(B\cup{C})=(A\cap{B})\cup(A\cap{C})。

对偶律(德·摩根定律)

  • A∪B‾=A‾∩B‾\overline{A\cup{B}}=\overline{A}\cap\overline{B};
  • A∩B‾=A‾∪B‾\overline{A\cap{B}}=\overline{A}\cup\overline{B}。

对偶律推广:

  • ⋂i=1nAi‾=⋃i=1nAi‾=A1‾∪A2‾∪⋯∪An‾\overline{\bigcap\limits_{i=1}^{n}A_i}=\bigcup\limits_{i=1}^{n}\overline{A_i}=\overline{A_1}\cup\overline{A_2}\cup\cdots\cup\overline{A_n};
  • ⋃i=1nAi‾=⋂i=1nAi‾=A1‾∩A2‾∩⋯∩An‾\overline{\bigcup\limits_{i=1}^{n}A_i}=\bigcap\limits_{i=1}^{n}\overline{A_i}=\overline{A_1}\cap\overline{A_2}\cap\cdots\cap\overline{A_n}。

# 三、频率

# 3.1 频率的定义

fn(A)=nAnf_n(A)=\frac{n_A}{n}

其中 nAn_A 是 AA 发生的次数(频数),nn 是总试验次数。

称 fn(A)f_n(A) 为 AA 在这 nn 次试验中发生的频率。

# 3.2 频率的性质

  • 0≤fn(A)≤10\le{f_n(A)}\le{1};
  • fn(S)=1f_n(S)=1;
  • 若 A1,A2,…,AkA_1,A_2,\dots,A_k 两两不相容,则 fn(⋃i=1kAi)=∑i=1kfnAif_n(\bigcup\limits_{i=1}^{k}A_i)=\sum\limits_{i=1}^{k}f_n{A_i}。

注:fn(A)f_n(A) 随 nn 的增大渐趋稳定,稳定值为 pp。

# 四、概率

# 4.1 统计性定义

当试验的次数增加时,随机事件 AA 发生的频率的稳定值 pp 称为概率,记为 P(A)=pP(A)=p。

# 4.2 公理化定义

设随机试验对应的样本空间为 SS,对每个事件 AA,定义 P(A)P(A),满足:

  1. 非负性:P(A)≥0P(A)\ge{0};
  2. 规范性:P(S)=1P(S)=1;
  3. 可列可加性:A1,A2,…A_1,A_2,\dots 两两互斥,则 P(⋃i=1∞Ai)=∑i=1∞P(Ai)P(\bigcup\limits_{i=1}^{\infty}A_i)=\sum\limits_{i=1}^{\infty}P(A_i)。

称 P(A)P(A) 为事件 AA 的概率。

# 4.3 概率的性质

  • P(ϕ)=0P(\phi)=0;
  • P(A)=1−P(A‾)P(A)=1-P(\overline{A});
  • 有限可加性:A1,A2,…,An,AiAj=ϕ,i≠j⇒P(⋃i=1nAi)=∑i=1nP(Ai)A_1,A_2,\dots,A_n,A_iA_j=\phi,i\not=j\Rightarrow{P(\bigcup\limits_{i=1}^{n}A_i)=\sum\limits_{i=1}^{n}P(A_i)};
  • 若 A⊂BA\subset{B},则有 P(B−A)=P(B)−P(A)P(B-A)=P(B)-P(A);
  • 概率的加法公式:P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(AB)P(A\cup{B})=P(A)+P(B)-P(AB)。

加法公式的推广

  • P(A∪B∪C)=P(A)+P(B)+P(C)−P(AB)−P(AC)−P(BC)+P(ABC)P(A\cup{B}\cup{C})=P(A)+P(B)+P(C)-P(AB)-P(AC)-P(BC)+P(ABC)
  • P(⋃i=1nAi)=∑i=1nP(Ai)−∑1≤i<j≤nP(AiAj)+∑1≤i<j<k≤nP(AiAjAk)+⋯+(−1)n−1P(A1A2…An)P(\bigcup\limits_{i=1}^{n}A_i)=\sum\limits_{i=1}^{n}P(A_i)-\sum\limits_{1\le{i}<j\le{n}}P(A_iA_j)+\sum\limits_{1\le{i}<j<k\le{n}}P(A_iA_jA_k)+\dots+(-1)^{n-1}P(A_1A_2\dots{A_n})

# 五、等可能概型(古典概型)

若试验满足:

  1. 样本空间 SS 中的样本点有限(有限性)
  2. 出现每一个样本点的概率相等(等可能性)

称这种试验为等可能概型(古典概型)。

P(A)=A所包含的样本点数S中的样本点数P(A)=\frac{A \text{所包含的样本点数} }{S \text{中的样本点数} }

# 六、条件概率

# 6.1 条件概率的定义

P(B∣A)=P(AB)P(A),P(A)≠0P(B|A)=\frac{P(AB)}{P(A)},P(A)\not=0

# 6.2 条件概率的性质

  • 非负性:P(B∣A)≥0P(B|A)\ge0;
  • 规范性:P(S∣A)=1P(S|A)=1;
  • 可列可加性:B1,B2,…,Bn,BiBj=ϕ,i≠j⇒P(⋃i=1nBi∣A)=∑i=1nP(Bi∣A)B_1,B_2,\dots,B_n,B_iB_j=\phi,i\not=j\Rightarrow{P(\bigcup\limits_{i=1}^{n}B_i|A)=\sum\limits_{i=1}^{n}P(B_i|A)}。

注:P(⋅∣A)P(\cdot|A) 具有概率的所有性质。

# 6.3 条件概率的乘法公式

当下面的条件概率都有意义时:

  • P(AB)=P(A)P(B∣A)=P(B)P(A∣B)P(AB)=P(A)P(B|A)=P(B)P(A|B);
  • P(ABC)=P(A)P(B∣A)P(C∣AB)P(ABC)=P(A)P(B|A)P(C|AB);
  • P(A1A2…An)=P(A1)P(A2∣A1)P(A3∣A1A2)…P(An∣A1A2…An−1)P(A_1A_2\dots{A_n})=P(A_1)P(A_2|A_1)P(A_3|A_1A_2)\dots{P(A_n|A_1A_2\dots{A_{n-1}})}。

# 七、全概率公式与贝叶斯公式

# 7.1 全概率公式

设 B1,B2,…,BnB_1,B_2,\dots,B_n 为 SS 的一个划分,且 P(Bi)>0P(B_i)>0,则有全概率公式:

P(A)=∑j=1nP(Bj)P(A∣Bj)P(A)=\sum\limits_{j=1}^{n}P(B_j)P(A|B_j)

注:在运用全概率公式时,关键是构造合适的划分。

# 7.2 贝叶斯公式

设 B1,B2,…,BnB_1,B_2,\dots,B_n 为 SS 的一个划分且 P(Bi)>0P(B_i)>0,对 P(A)>0P(A)>0 有 BayesBayes 公式:

P(Bi∣A)=P(Bi)P(A∣Bi)∑j=1nP(Bj)P(A∣Bj)P(B_i|A)=\frac{P(B_i)P(A|B_i)}{\sum\limits_{j=1}^{n}P(B_j)P(A|B_j)}

# 八、事件独立性

设 A,BA,B 是两随机事件,如果 P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B),则称 AA 与 BB 相互独立。

若 P(A)>0,P(B)>0P(A)>0,P(B)>0,则:

P(AB)=P(A)P(B)⇒{P(A∣B)=P(A)P(B∣A)=P(B)P(AB)=P(A)P(B)\Rightarrow\left\{\begin{aligned}P(A|B)=P(A)\\P(B|A)=P(B)\\\end{aligned}\right.
Last Updated: 2023-01-28 4:31:25