概率论和数理统计
本部分笔记部分参考 Dimitri P. Bertsekas & John N. Tsitsiklis 的著作Introduction to Probability,并同时参考其他资料整理
本部分的概念不能深究,因为大都不严谨。
样本空间与概率
集合
集合是一些对象的集合,这些对象称为集合的元素。
集合的表示方法
- 列举法:A={a1,a2,…,an}
- 描述法:A={x∣x满足某种性质}
空间:所有可能出现的元素的集合,记为Ω。
集合与集合的关系和运算
- A⊂B:A是B的子集
- A⊃B:A是B的超集
- A=B:A与B相等
- A∩B:A与B的交集
- A∪B:A与B的并集
- 对于多个集合的交集和并集,可以用⋂和⋃表示,如:
i=1⋂nAi=A1∩A2∩⋯∩An
i=1⋃nAi=A1∪A2∪⋯∪An
集合的代数性质(都相对好理解)
- 交换律:A∩B=B∩A,A∪B=B∪A
- 结合律:(A∩B)∩C=A∩(B∩C),(A∪B)∪C=A∪(B∪C)
- 分配律:A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C),A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C)
- 互斥律:A∩B=∅,A∪B=Ω
- 补集律:A∪Ac=Ω,A∩Ac=∅
- 对偶律:(A∩B)c=Ac∪Bc,(A∪B)c=Ac∩Bc
- 吸收律:A∩(A∪B)=A,A∪(A∩B)=A
- 德摩根定律:(A∩B)c=Ac∪Bc,(A∪B)c=Ac∩Bc
概率模型
- 样本空间:所有可能出现的元素的集合,记为Ω。
- 事件:样本空间的子集,记为A。
- 概率:事件A发生的可能性,记为P(A)。
概率的性质
古典概型
离散概率:$$P({s_1, S_2, \dots , s_n}) = P(s_1) + P(s_2) + \dots + P(s_n)$$
样本空间Ω中的元素有限,且每个元素发生的可能性相同,即:
P(A)=样本空间的等可能试验结果数事件A试验结果数量
几何概型
连续概率:$$P(A) = \frac{A的面积}{样本空间的面积}$$
样本空间Ω中的元素是连续的,且每个元素发生的可能性相同,即:
P(A)=样本空间的面积A的面积
概率的基本性质
- 若A⊂B,则P(A)≤P(B)
- P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)
- P(A∪B)≤P(A)+P(B)
- P(A∪B∪C)=P(A)+P(B)+P(C)−P(A∩B)−P(A∩C)−P(B∩C)+P(A∩B∩C) (容斥原理)
条件概率
条件概率的定义
事件B发生的条件下,事件A发生的概率,记为P(A∣B),定义为:
P(A∣B)=P(B)P(A∩B)
乘法公式
P(A1∩A2∩⋯∩An)=P(A1)P(A2∣A1)P(A3∣A1∩A2)…P(An∣A1∩A2∩⋯∩An−1)
全概率公式和贝叶斯定理
- 全概率公式:$$P(A) = \sum\limits_{i=1}^n P(A|B_i)P(B_i)$$
- 贝叶斯定理:$$P(B_j|A) = \frac{P(A|B_j)P(B_j)}{\sum\limits_{i=1}^n P(A|B_i)P(B_i)}$$
对于贝叶斯定理,可以理解为:
一组互不相容的事件,看作为对于样本空间的一个分割,即B1∪B2∪⋯∪Bn=Ω,则:
P(Bj∣A)=P(A)P(A∣Bj)P(Bj)
再将分母用全概率公式展开,即可得到贝叶斯定理。
这个公式的一个作用是因果推理,有若干的原因可以达到某个结果,通过这个推断原因的时候,可以假定A1,A2,…An为若干个原因,而B为结果,通过贝叶斯定理,可以计算出每个原因的概率。这个时候,称P(Ai∣B)为后验概率,P(Ai)为先验概率。
独立性
独立性的定义
事件A和事件B相互独立,当且仅当:
P(A∩B)=P(A)P(B)
如果P(B)=0,则上式等价于:
P(A∣B)=P(A)
条件独立性:事件A和事件B在事件C发生的条件下相互独立,当且仅当:
P(A∩B∣C)=P(A∣C)P(B∣C)
多个事件的独立性:事件A1,A2,…,An相互独立,当且仅当对于任意的1≤i1<i2<⋯<ik≤n,有:
P(Ai1∩Ai2∩⋯∩Aik)=P(Ai1)P(Ai2)…P(Aik)
需要注意的是,两两独立和相互独立是不同的,两两独立是指任意两个事件都相互独立,但是整体不一定独立。任意个数的事件出现与不出现,并不能影响其中任何一个或一部分事件的概率,这个时候,这些事件是相互独立的。
独立试验、伯努利实验和二项概率
计数法
排列
从n个元素中取出k个元素,且考虑元素的顺序,称为从n个元素中取出k个元素的排列,记为Ank,即:
Ank=n(n−1)(n−2)…(n−k+1)=(n−k)!n!
组合
从n个元素中取出k个元素,且不考虑元素的顺序,称为从n个元素中取出k个元素的组合,记为Cnk,即:
Cnk=k!Ank=k!(n−k)!n!
也可以简单记作:
(kn)=k!(n−k)!n!
分割
将n个元素分成k组,每组至少有一个元素,称为将n个元素分成k组的分割,记为S(n,k),即:
S(n,k)=k!1i=0∑k(−1)iCki(n−i)k
或者简单记作:
(n1,n2,…nkn)=n1!n2!…nk!n!
二项式定理
(a+b)n=k=0∑nCnkakbn−k