概率基础

  • 基本概念
    • 随机现象
      • 条件相同时,现象的结果未必相同,如果知道所有的可能结果,则称为随机现象。
    • 随机试验
      • 对随机现象进行一次观察或试验,称为随机试验或试验,用 EE 表示。
      • 特定:可重复性、可预知性(已知所有结果)、随机性。
    • 样本空间
      • 随机试验 EE 的所有可能结果组成的集合,称为 EE 样本空间,记作 S={ω∣ωS=\{\omega | \omega 为 EE 的所有结果}\},ω\omega 称为样本点。
      • 一次试验只会出现恰好一个样本点,样本点是互斥的。
    • 随机事件
      • 样本空间中的子集称为随机事件或事件,记作 A,B,C,…A,B,C,\dots。
      • 如果随机试验中,一个事件中的样本点出现,则这个事件发生。
      • 仅由一个样本点构成的事件称为基本事件。
      • 事件的运算与关系:
        • 并:A∪B,⋃k=1nAk,⋃k=1+∞AkA\cup B,\bigcup\limits_{k=1}^n A_k,\bigcup\limits_{k=1}^{+\infty} A_k
        • 交 / 积:A∩B,AB,⋂k=1nAk,⋂k=1+∞AkA\cap B,AB,\bigcap\limits_{k=1}^n A_k,\bigcap\limits_{k=1}^{+\infty} A_k
        • 差:A−BA-B
        • 包含、互斥、对立
  • 古典概型
    • 定义
      • 随机试验有有限个可能结果,每一个基本事件的发生等可能。
      • SS 中有 nn 个样本点,AA 有 kk 个样本点,则 AA 发生的概率为 P(A)=knP(A)=\dfrac{k}{n}。
    • 性质
      • 非负性:P(A)≥0P(A) \ge 0
      • 归一性:P(S)=1P(S) = 1
      • 可加性:若 A1,A2,…,AmA_1, A_2, \dots, A_m 互斥,则 P(⋃i=1mAi)=∑i=1mP(Ai)P\left(\bigcup\limits_{i = 1}^m A_i\right)=\sum\limits_{i = 1}^m P(A_i)
  • 几何概型
    • 定义
      • 随机试验向可度量区域 GG 投一点,点落在 GG 中任意可度量区域 gg 的可能性只与 gg 的度量成正比。
      • S=GS=G,样本点为 GG 中的点,AA 对应 gg,则 P(A)=m(g)m(G)P(A) = \dfrac{m(g)}{m(G)},m(⋅)m(\cdot) 表示度量(如长度、面积)。
  • 概率公理化定义
    • 定义
      • 设试验 EE 的样本空间为 SS,事件域为 F\mathcal F,P:F⟼[0,1],A↦P(A)P:\mathcal F \longmapsto [0,1],A \mapsto P(A),如果满足以下条件,则 P(A)P(A) 为 AA 的概率:
        • 非负性:P(A)≥0P(A) \ge 0
        • 规范性:P(S)=1P(S) = 1
        • 可列可加性:对任意可列互斥 A1,A2,…A_1,A_2,\dots,P(⋃i=1∞Ai)=∑i=1∞P(Ai)P\left(\bigcup\limits_{i = 1}^\infty A_i\right)=\sum\limits_{i = 1}^{\infty} P(A_i)
    • 性质
      • P(∅)=0P(\varnothing)=0
      • 有限可加性:对任意互斥 A1,A2,…,AmA_1,A_2,\dots,A_m,P(⋃i=1mAi)=∑i=1mP(Ai)P\left(\bigcup\limits_{i = 1}^m A_i\right)=\sum\limits_{i = 1}^m P(A_i)
      • P(A‾)=1−P(A)P(\overline A) = 1 - P(A)
      • 若 A⊂BA \subset B,则 P(B−A)=P(B)−P(A)P(B - A) = P(B) - P(A),并且 P(B)≥P(A)P(B) \ge P(A)
      • P(B−A)=P(B−AB)=P(B)−P(AB)P(B - A) = P(B - AB) = P(B) - P(AB)
      • P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(AB)P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(AB)
  • 条件概率
    • 定义
      • 设事件 A,BA,B,P(B)>0P(B) > 0,定义 BB 发生的情况下 AA 发生的条件概率为 P(A∣B)=P(AB)P(B)P(A | B) = \dfrac{P(AB)}{P(B)}。
      • 条件概率满足概率定义。
    • 乘法公式
      • 设事件 A,BA,B,如果 P(B)>0P(B) > 0,则 P(AB)=P(B)P(A∣B)P(AB) = P(B)P(A|B)。如果 P(A)>0P(A) > 0,则 P(AB)=P(A)P(B∣A)P(AB) = P(A)P(B|A)。
      • 推广到多个事件时,只要满足作为条件的概率大于 00。
    • 全概率公式
      • 设有事件 AA 和若干互斥事件 B1,B2,…,BnB_1, B_2, \dots, B_n,满足 B1∪B2∪⋯∪Bn=AB_1 \cup B_2 \cup \cdots \cup B_n = A,则它们是 AA 的一个划分。
      • P(A)=∑i=1nP(Bi)P(A∣Bi)P(A) = \sum\limits_{i = 1}^n P(B_i)P(A|B_i)
    • 贝叶斯公式
      • P(Ai∣B)=P(Ai)P(B∣Ai)P(B)=P(Ai)P(B∣Ai)∑j=1nP(Aj)P(B∣Aj)P(A_i|B) = \dfrac{P(A_i)P(B|A_i)}{P(B)} = \dfrac{P(A_i)P(B|A_i)}{\sum\limits_{j = 1}^n P(A_j)P(B|A_j)}
  • 独立性
    • 定义
      • 对任意事件 A,BA,B,若P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B),则 AA 和 BB 独立。
      • 对任意 nn 个事件 A1,A2,…,AnA_1, A_2, \dots, A_n
        • 若对任意 k∈[2,n]k \in [2, n] 和 i1,i2,…,iki_1,i_2,\dots,i_k,P(Ai1Ai2⋯Aik)=P(Ai1)P(Ai2)⋯P(Aik)P(A_{i_1}A_{i_2}\cdots A_{i_k})=P(A_{i_1})P(A_{i_2})\cdots P(A_{i_k}),则这 nn 个事件独立。
        • 若对任意 i,ji,j,P(AiAj)=P(Ai)P(Aj)P(A_iA_j) = P(A_i)P(A_j),则这 nn 个事件两两独立。
    • 性质
      • 如果 P(A)=0P(A) = 0 或者 P(A)=1P(A) = 1,则一定独立。
      • 如果 A,BA,B 独立,则 AA 和 B‾\overline B、 A‾\overline A 和 BB、 A‾\overline A 和 B‾\overline B 独立,多个事件仍然成立。
      • 如果 A1,A2,…,AnA_1, A_2, \dots, A_n 独立,则其子集也独立。