概率论与数理统计
Published in:2023-11-22 | category: 学习笔记

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}A = \{a_1, a_2, \dots, a_n\}
  • 描述法:A={xx满足某种性质}A = \{x | x \text{满足某种性质}\}

空间:所有可能出现的元素的集合,记为Ω\Omega

集合与集合的关系和运算

  • ABA \subset BAABB的子集
  • ABA \supset BAABB的超集
  • A=BA = BAABB相等
  • ABA \cap BAABB的交集
  • ABA \cup BAABB的并集
  • 对于多个集合的交集和并集,可以用\bigcap\bigcup表示,如:

    i=1nAi=A1A2An\bigcap\limits_{i=1}^n A_i = A_1 \cap A_2 \cap \dots \cap A_n

    i=1nAi=A1A2An\bigcup\limits_{i=1}^n A_i = A_1 \cup A_2 \cup \dots \cup A_n

集合的代数性质(都相对好理解)

  • 交换律:AB=BAA \cap B = B \cap AAB=BAA \cup B = B \cup A
  • 结合律:(AB)C=A(BC)(A \cap B) \cap C = A \cap (B \cap C)(AB)C=A(BC)(A \cup B) \cup C = A \cup (B \cup C)
  • 分配律:A(BC)=(AB)(AC)A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)A(BC)=(AB)(AC)A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)
  • 互斥律:AB=A \cap B = \emptysetAB=ΩA \cup B = \Omega
  • 补集律:AAc=ΩA \cup A^c = \OmegaAAc=A \cap A^c = \emptyset
  • 对偶律:(AB)c=AcBc(A \cap B)^c = A^c \cup B^c(AB)c=AcBc(A \cup B)^c = A^c \cap B^c
  • 吸收律:A(AB)=AA \cap (A \cup B) = AA(AB)=AA \cup (A \cap B) = A
  • 德摩根定律(AB)c=AcBc(A \cap B)^c = A^c \cup B^c(AB)c=AcBc(A \cup B)^c = A^c \cap B^c

概率模型

  • 样本空间:所有可能出现的元素的集合,记为Ω\Omega
  • 事件:样本空间的子集,记为AA
  • 概率:事件AA发生的可能性,记为P(A)P(A)

概率的性质

  • 非负性:P(A)0P(A) \geq 0
  • 规范性:P(Ω)=1P(\Omega) = 1
  • 可列可加性:对于任意可列个互斥事件A1,A2,A_1, A_2, \dots,有:

    P(i=1Ai)=i=1P(Ai)P(\bigcup\limits_{i=1}^\infty A_i) = \sum\limits_{i=1}^\infty P(A_i)

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\Omega中的元素有限,且每个元素发生的可能性相同,即:

P(A)=事件A试验结果数量样本空间的等可能试验结果数P(A) = \frac{事件A试验结果数量}{样本空间的等可能试验结果数}

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\Omega中的元素是连续的,且每个元素发生的可能性相同,即:

P(A)=A的面积样本空间的面积P(A) = \frac{A的面积}{样本空间的面积}

概率的基本性质

  • ABA \subset B,则P(A)P(B)P(A) \leq P(B)
  • P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)
  • P(AB)P(A)+P(B)P(A \cup B) \leq P(A) + P(B)
  • P(ABC)=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(A \cap B) - P(A \cap C) - P(B \cap C) + P(A \cap B \cap C)容斥原理

条件概率

条件概率的定义

事件BB发生的条件下,事件AA发生的概率,记为P(AB)P(A|B),定义为:

P(AB)=P(AB)P(B)P(A|B) = \frac{P(A \cap B)}{P(B)}

乘法公式

P(A1A2An)=P(A1)P(A2A1)P(A3A1A2)P(AnA1A2An1)P(A_1 \cap A_2 \cap \dots \cap A_n) = P(A_1)P(A_2|A_1)P(A_3|A_1 \cap A_2) \dots P(A_n|A_1 \cap A_2 \cap \dots \cap A_{n-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B1B2Bn=ΩB_1 \cup B_2 \cup \dots \cup B_n = \Omega,则:

P(BjA)=P(ABj)P(Bj)P(A)P(B_j|A) = \frac{P(A|B_j)P(B_j)}{P(A)}

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,AnA_1, A_2, \dots A_n为若干个原因,而BB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(AiB)P(A_i|B)后验概率P(Ai)P(A_i)先验概率

独立性

独立性的定义

事件AA和事件BB相互独立,当且仅当:

P(AB)=P(A)P(B)P(A \cap B) = P(A)P(B)

如果P(B)0P(B) \neq 0,则上式等价于:

P(AB)=P(A)P(A|B) = P(A)

条件独立性:事件AA和事件BB在事件CC发生的条件下相互独立,当且仅当:

P(ABC)=P(AC)P(BC)P(A \cap B|C) = P(A|C)P(B|C)

多个事件的独立性:事件A1,A2,,AnA_1, A_2, \dots, A_n相互独立,当且仅当对于任意的1i1<i2<<ikn1 \leq i_1 < i_2 < \dots < i_k \leq n,有:

P(Ai1Ai2Aik)=P(Ai1)P(Ai2)P(Aik)P(A_{i_1} \cap A_{i_2} \cap \dots \cap A_{i_k}) = P(A_{i_1})P(A_{i_2}) \dots P(A_{i_k})

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

  • 独立试验:试验的结果只有两种可能,即成功和失败,记为SSFF,且P(S)=pP(S) = pP(F)=1pP(F) = 1 - p
  • 伯努利实验:独立试验重复进行,每次试验结果相互独立。
  • 二项概率:nn次伯努利实验中,成功的次数为kk的概率,记为Pn(k)P_n(k),即:

    Pn(k)=Cnkpk(1p)nkP_n(k) = C_n^kp^k(1-p)^{n-k}

计数法

排列

nn个元素中取出kk个元素,且考虑元素的顺序,称为从nn个元素中取出kk个元素的排列,记为AnkA_n^k,即:

Ank=n(n1)(n2)(nk+1)=n!(nk)!A_n^k = n(n-1)(n-2)\dots(n-k+1) = \frac{n!}{(n-k)!}

组合

nn个元素中取出kk个元素,且不考虑元素的顺序,称为从nn个元素中取出kk个元素的组合,记为CnkC_n^k,即:

Cnk=Ankk!=n!k!(nk)!C_n^k = \frac{A_n^k}{k!} = \frac{n!}{k!(n-k)!}

也可以简单记作:

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

分割

nn个元素分成kk组,每组至少有一个元素,称为将nn个元素分成kk组的分割,记为S(n,k)S(n, k),即:

S(n,k)=1k!i=0k(1)iCki(ni)kS(n, k) = \frac{1}{k!}\sum\limits_{i=0}^k(-1)^iC_k^i(n-i)^k

或者简单记作:

(nn1,n2,nk)=n!n1!n2!nk!\binom{n}{n_1 , n_2 , \dots n_k} = \frac{n!}{n_1!n_2!\dots n_k!}

二项式定理

(a+b)n=k=0nCnkakbnk(a+b)^n = \sum\limits_{k=0}^nC_n^ka^kb^{n-k}

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