宋浩概率论与数理统计-第一章-笔记

2023-11-06

引言

确定性(必然):一定发生(不发生)
随机(偶然):可能发生 可能不发生
统计规律

1.1.1 随机事件

试验:观察 测量 实验

随机试验:

  1. 在相同的条件下,可以重复
  2. 试验结果不止一个
  3. 无法预测哪个结果会出现

事件:每种结果

随机事件:A, B, C

基本事件:相对于实验目的来说 不能再分(不必再分)

复合事件:由基本事件复合而成

Ω \Omega Ω:全集
Φ \Phi Φ:空集

必然事件:一定发生 Ω \Omega Ω

不可能事件:一定不发生 Φ \Phi Φ

1.1.2 样本空间与事件的集合表示

样本空间:所有基本事件的集合 Ω \Omega Ω

样本点:样本空间的元素 ω \omega ω

事件的集合表示

1.1.3 事件间的关系

包含

A ⊂ B A\subset B AB:A发生必然导致B发生
Φ ⊂ A ⊂ Ω \Phi \subset A \subset \Omega ΦAΩ
相等:若 A ⊂ B A\subset B AB B ⊂ A B\subset A BA,则 A = B A=B A=B

并(和)

A ∪ B A\cup B AB A + B A+B A+B:A与B中至少有一个发生
A ⊂ A + B A\subset A+B AA+B
A + A = A A+A=A A+A=A
A + Φ = A A+\Phi=A A+Φ=A
A + Ω = Ω A+\Omega=\Omega A+Ω=Ω

交(积)

A ∩ B A\cap B AB A B AB AB:AB同时发生
A B ⊂ A AB\subset A ABA
A A = A AA=A AA=A
A Φ = Φ A\Phi=\Phi AΦ=Φ
A Ω = A A\Omega=A AΩ=A

无限可列个:按某种规律排成一个序列
例:全体自然数,全体整数,全体有理数
实数集(×),直线上的点集(×)

A − B A-B AB:A发生而B不发生

互不相容事件

A、B不同时发生
A B = Φ AB=\Phi AB=Φ
n个事件: A 1 , A 2 , . . . , A n A_1, A_2, ..., A_n A1,A2,...,An
A i A j = Φ A_iA_j=\Phi AiAj=Φ

对立事件

A、B不互相容且 A ∪ B = Ω A\cup B=\Omega AB=Ω
A B = Φ AB=\Phi AB=Φ A + B = Ω A+B=\Omega A+B=Ω
A = B ‾ A=\overline{B} A=B
B = A ‾ B=\overline{A} B=A

  1. A ‾ ‾ = A \overline{\overline{A}}=A A=A
  2. A − B = A − A B = A B ˉ A-B=A-AB=A\bar{B} AB=AAB=ABˉ

联系与区别:

  1. 两事件对立,则一定互不相容
  2. 互不相容适用于多个事件,对立只适用于两个事件
  3. 互不相容不能同时发生,可以都不发生;对立有且只有一个发生

完备事件组

A 1 , A 2 , . . . , A n A_1, A_2, ..., A_n A1,A2,...,An两两互不相容,且 ∪ i = 1 n A i = Ω \cup_{i=1}^nA_i=\Omega i=1nAi=Ω

运算律

  1. 交换
    A ∪ B A\cup B AB= B ∪ A B\cup A BA
    A ∩ B A\cap B AB= B ∩ A B\cap A BA
  2. 结合
    ( A ∪ B ) ∪ C = A ∪ ( B ∪ C ) (A\cup B)\cup C=A\cup (B\cup C) (AB)C=A(BC)
    ( A ∩ B ) ∩ C = A ∩ ( B ∩ C ) (A\cap B)\cap C=A\cap (B\cap C) (AB)C=A(BC)
  3. 分配
    ( A ∪ B ) ∩ C = ( A ∩ C ) ∪ ( B ∩ C ) (A\cup B)\cap C=(A\cap C)\cup (B\cap C) (AB)C=(AC)(BC)
    ( A ∩ B ) ∪ C = ( A ∪ C ) ∩ ( B ∪ C ) (A\cap B)\cup C=(A\cup C)\cap (B\cup C) (AB)C=(AC)(BC)
  4. 对偶
    A ∪ B ‾ = A ‾ ∩ B ‾ \overline{A\cup B}=\overline{A}\cap \overline{B} AB=AB
    A ∩ B ‾ = A ‾ ∪ B ‾ \overline{A\cap B}=\overline{A}\cup \overline{B} AB=AB

事件的概率

1.2.1 概率的初等描述

概率:可能性的大小, P ( A ) P(A) P(A)

性质:

  1. P ( Ω ) = 1 , P ( Φ ) = 0 P(\Omega)=1, P(\Phi)=0 P(Ω)=1,P(Φ)=0
  2. 0 ≤ P ( A ) ≤ 1 0\leq P(A)\leq 1 0P(A)1

1.2.2 古典概型(排列组合)

条件:

  1. 有限个样本点
  2. 等可能性

P ( A ) = A 的 有 利 样 本 点 Ω 中 样 本 点 总 数 = A 中 包 含 的 基 本 事 件 数 基 本 事 件 总 数 P(A)=\frac{A的有利样本点}{\Omega 中样本点总数}=\frac{A中包含的基本事件数}{基本事件总数} P(A)=ΩA=A

排列组合

加法原理:几类方案 加法
乘法原理:分几步 乘法

排列:

  • 不重复排列
    n n n个不同的元素中取出 m m m个不同的进行排列
    A n m = n ( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ ( n − m + 1 ) = n ! ( n − m ) ! \displaystyle A^m_n=n(n-1)(n-2)\cdots (n-m+1)=\frac{n!}{(n-m)!} Anm=n(n1)(n2)(nm+1)=(nm)!n!
    全排列
    A n n = n ( n − 1 ) ⋯ 3 × 2 × 1 = n ! \displaystyle A^n_n=n(n-1)\cdots 3\times 2\times 1=n! Ann=n(n1)3×2×1=n!
  • 重复排列
    n n n个不同的元素中取出 m m m个进行排列
    n × n × ⋯ × n = n m n\times n\times \cdots \times n=n^m n×n××n=nm

组合:

  • n n n个不同的元素中取出 m m m个不同元素
    C n m = A n m m ! = n ( n − 1 ) ⋯ ( m − n + 1 ) m ( m − 1 ) ⋯ × 2 × 1 = n ! m ! ( n − m ) ! \displaystyle C_n^m=\frac{A_n^m}{m!}=\frac{n(n-1)\cdots (m-n+1)}{m(m-1)\cdots \times 2\times 1}=\frac{n!}{m!(n-m)!} Cnm=m!Anm=m(m1)×2×1n(n1)(mn+1)=m!(nm)!n!
    C n m = C n n − m \displaystyle C_n^m=C_n^{n-m} Cnm=Cnnm
    C n 0 = C n n = 1 \displaystyle C_n^0=C_n^n=1 Cn0=Cnn=1

古典概型

性质:

  1. 非负性: 0 ≤ P ( A ) ≤ 1 0\leq P(A)\leq 1 0P(A)1
  2. 规范性: P ( Ω ) = 1 , P ( Φ ) = 0 P(\Omega)=1,P(\Phi)=0 P(Ω)=1,P(Φ)=0
  3. 有限可加: A 1 , A 2 , ⋯   , A n A_1,A_2,\cdots,A_n A1,A2,,An互不相容
    P ( A 1 + A 2 + ⋯ + A n ) = P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯ + P ( A n ) P(A_1+A_2+\cdots+A_n)=P(A_1)+P(A_2)+\cdots+P(A_n) P(A1+A2++An)=P(A1)+P(A2)++P(An)

缺点:

  • 有限个结果
  • 等可能性

1.2.3 几何概型

线段、平面、立体
P ( A ) = μ ( G ) μ ( Ω ) \displaystyle P(A)=\frac{\mu(G)}{\mu(\Omega)} P(A)=μ(Ω)μ(G)
μ \mu μ:几何区域的度量

例题:
甲乙两人约定6点到7点见面,先到者等15 min。甲乙两人在一小时内任意时刻都有可能到达。问两人能见面的概率。

设:
A A A:两人能见面
x x x:甲到达的时间
y y y:乙到达的时间

{ y − x ≥ 0 ∣ x − y ∣ ≤ 15 \begin{cases} y-x\geq0 \\ |x-y|\leq15 \end{cases} {yx0xy15

例题:
蒲丰投针问题:向相距为 d d d的等距平行线之间随机投长度为 l l l的针( l < d l<d l<d),针的中点落在两平行线间,针与直线相交的概率。

x x x:针的中点离最近的直线的距离( 0 ≤ x ≤ d 2 0\leq x\leq \frac{d}{2} 0x2d
ϕ \phi ϕ:针与线之间的夹角( 0 ≤ ϕ ≤ π 0\leq \phi \leq \pi 0ϕπ

x s i n ϕ ≤ l 2 \displaystyle\frac{x}{sin\phi}\leq\frac{l}2{} sinϕx2l

Ω = { ( ϕ , x ) ∣ 0 ≤ ϕ ≤ π , 0 ≤ x ≤ d 2 } \Omega=\{ (\phi, x)|0\leq \phi \leq \pi, 0\leq x\leq \frac{d}{2}\} Ω={(ϕ,x)0ϕπ,0x2d}
a = { ( ϕ , x ) ! 0 ≤ ϕ ≤ π , 0 ≤ x ≤ l 2 s i n ϕ } a=\{ (\phi, x)! 0\leq \phi \leq \pi, 0\leq x\leq \frac{l}{2}sin \phi\} a={(ϕ,x)!0ϕπ,0x2lsinϕ}

∫ 0 π l 2 s i n ϕ d ϕ π × 2 d = 2 l π d \frac{\int_0^\pi \frac{l}{2}sin\phi d\phi}{\pi\times2d}=\frac{2l}{\pi d} π×2d0π2lsinϕdϕ=πd2l

性质:
几何概率模型具有与古典概率模型相同的性质
几何概率模型具有完全可加性

P ( ⋃ i = 1 ∞ A i ) = ∑ i = 1 ∞ P ( A i ) P(\displaystyle\bigcup_{i=1}^\infin A_i)=\displaystyle \sum_{i=1}^{\infin}P(A_i) P(i=1Ai)=i=1P(Ai)

1.2.4 频率与概率

频率: n n n次试验,事件 A A A发生了 m m m次, m n \frac{m}{n} nm称为频率,记作 ω n ( A ) \omega_n(A) ωn(A)

性质:

  1. 非负性 0 ≤ ω n ( A ) ≤ 1 0\leq \omega_n(A)\leq1 0ωn(A)1
  2. 规范性 ω n ( Ω ) = 1 , ω n ( Φ ) = 0 \omega_n(\Omega)=1,\omega_n(\Phi)=0 ωn(Ω)=1,ωn(Φ)=0
  3. 可加性
    A 1 , A 2 , ⋯   , A m A_1,A_2,\cdots,A_m A1,A2,,Am两两互不相容
    ω n ( A 1 + A 2 + ⋯ + A m ) = ω n ( A 1 ) + ω n ( A 2 ) + ⋯ + ω n ( A m ) \omega_n(A_1+A_2+\cdots+A_m)=\omega_n(A_1)+\omega_n(A_2)+\cdots+\omega_n(A_m) ωn(A1+A2++Am)=ωn(A1)+ωn(A2)++ωn(Am)

频率的稳定值称为统计概率

1.2.5 公理化

概率的四种定义:描述性定义、古典概型定义、几何概型定义、统计定义

性质:

  • 非负性
  • 规范性
  • 可加性

公理1(非负性) 0 ≤ P ( A ) ≤ 1 0\leq P(A)\leq1 0P(A)1
公理2(规范性) P ( Ω ) = 1 P(\Omega)=1 P(Ω)=1
公理3(完全可加性) 若 A 1 , A 2 , ⋯ A_1,A_2,\cdots A1,A2,两两互不相容,则 P ( A 1 + A 2 + ⋯   ) = P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯ P(A_1+A_2+\cdots)=P(A_1)+P(A_2)+\cdots P(A1+A2+)=P(A1)+P(A2)+

性质1

P ( Φ ) = 0 P(\Phi)=0 P(Φ)=0

证明:
Ω = Ω + Φ + Φ + ⋯ \Omega=\Omega+\Phi+\Phi+\cdots Ω=Ω+Φ+Φ+
P ( Ω ) = P ( Ω + Φ + Φ + ⋯   ) = P ( Ω ) + P ( Φ ) + P ( Φ ) + ⋯ = 1 + P ( Φ ) + P ( Φ ) + ⋯ = 1 \begin{aligned} P(\Omega)= & P(\Omega+\Phi+\Phi+\cdots) \\ = & P(\Omega)+P(\Phi)+P(\Phi)+\cdots \\ = & 1+P(\Phi)+P(\Phi)+\cdots \\ = & 1 \end{aligned} P(Ω)====P(Ω+Φ+Φ+)P(Ω)+P(Φ)+P(Φ)+1+P(Φ)+P(Φ)+1
[公理2、公理3]
P ( Φ ) + P ( Φ ) + ⋯ = 0 P(\Phi)+P(\Phi)+\cdots=0 P(Φ)+P(Φ)+=0
0 ≤ P ( Φ ) ≤ 1 0\leq P(\Phi)\leq 1 0P(Φ)1[公理1]
P ( Φ ) = 0 P(\Phi)=0 P(Φ)=0

性质2(有限可加性)

A 1 , A 2 , ⋯   , A n A_1,A_2,\cdots, A_n A1,A2,,An两两互不相容,则 P ( A 1 + A 2 + ⋯ + A n ) = P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯ + P ( A n ) P(A_1+A_2+\cdots+A_n)=P(A_1)+P(A_2)+\cdots+P(A_n) P(A1+A2++An)=P(A1)+P(A2)++P(An)

证明:
A 1 , A 2 , ⋯   , A n , Φ , Φ , ⋯ A_1,A_2,\cdots, A_n,\Phi,\Phi,\cdots A1,A2,,An,Φ,Φ, 两两互不相容

P ( A 1 + A 2 + ⋯ + A n ) = P ( A 1 + A 2 + ⋯ + A n + Φ + Φ + ⋯   ) = P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯ + P ( A n ) + P ( Φ ) + P ( Φ ) + ⋯ = P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯ + P ( A n ) P(A_1+A_2+\cdots+A_n) \\ =P(A_1+A_2+\cdots+A_n+\Phi+\Phi+\cdots) \\ =P(A_1)+P(A_2)+\cdots+P(A_n)+P(\Phi)+P(\Phi)+\cdots \\ =P(A_1)+P(A_2)+\cdots+P(A_n) P(A1+A2++An)=P(A1+A2++An+Φ+Φ+)=P(A1)+P(A2)++P(An)+P(Φ)+P(Φ)+=P(A1)+P(A2)++P(An)
[公理3]

性质3

P ( A ‾ ) = 1 − P ( A ) P(\overline{A})=1-P(A) P(A)=1P(A)

证明:
A ∩ A ‾ = Φ A\cap\overline{A}=\Phi AA=Φ
A + A ‾ = Ω A+\overline{A}=\Omega A+A=Ω
所以
P ( Ω ) = P ( A + A ‾ ) = P ( A ) + P ( A ‾ ) = 1 P(\Omega)=P(A+\overline{A})=P(A)+P(\overline{A})=1 P(Ω)=P(A+A)=P(A)+P(A)=1
[公理2、性质2]
所以 P ( A ‾ ) = 1 − P ( A ) P(\overline{A})=1-P(A) P(A)=1P(A)

推论:若 A 1 + A 2 + ⋯ + A n A_1+A_2+\cdots+A_n A1+A2++An构成了完备事件组,则 P ( Ω ) = P ( A 1 + A 2 + ⋯ + A n ) = P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯ + P ( A n ) = 1 P(\Omega)=P(A_1+A_2+\cdots+A_n)=P(A_1)+P(A_2)+\cdots+P(A_n)=1 P(Ω)=P(A1+A2++An)=P(A1)+P(A2)++P(An)=1

性质4

  1. P ( A − B ) = P ( A ) − P ( A B ) P(A-B)=P(A)-P(AB) P(AB)=P(A)P(AB)
  2. A ⊃ B A\supset B AB,则 P ( A − B ) = P ( A ) − P ( B ) P(A-B)=P(A)-P(B) P(AB)=P(A)P(B) P ( A ) ≥ P ( B ) P(A)\geq P(B) P(A)P(B)

证明:
A = ( A − B ) ∪ A B A=(A-B)\cup AB A=(AB)AB A − B A-B AB A B AB AB互不相容
P ( A ) = P ( A − B ) + P ( A B ) P(A)=P(A-B)+P(AB) P(A)=P(AB)+P(AB)
[性质2]
P ( A − B ) = P ( A ) − P ( A B ) P(A-B)=P(A)-P(AB) P(AB)=P(A)P(AB)
A ⊃ B A\supset B AB时, A B = B AB=B AB=B,则有 P ( A − B ) = P ( A ) − P ( B ) P(A-B)=P(A)-P(B) P(AB)=P(A)P(B)

性质5(加法公式) ⋆ ⋆ ⋆ \star\star\star

P ( A + B ) = P ( A ) + P ( B ) − P ( A B ) P(A+B)=P(A)+P(B)-P(AB) P(A+B)=P(A)+P(B)P(AB)

证明:
A + B = A + ( B − A B ) A+B=A+(B-AB) A+B=A+(BAB) A A A B − A B B-AB BAB互不相容
P ( A + B ) = P ( A + ( B − A B ) ) = P ( A ) + P ( B − A B ) P(A+B)=P(A+(B-AB))=P(A)+P(B-AB) P(A+B)=P(A+(BAB))=P(A)+P(BAB)
[性质2]
P ( B − A B ) = P ( B ) − P ( B A B ) = P ( B ) − P ( A B ) P(B-AB)=P(B)-P(BAB)=P(B)-P(AB) P(BAB)=P(B)P(BAB)=P(B)P(AB)
[性质4]
P ( A + B ) = P ( A ) + P ( B − A B ) = P ( A ) + P ( B ) − P ( A B ) P(A+B)=P(A)+P(B-AB)=P(A)+P(B)-P(AB) P(A+B)=P(A)+P(BAB)=P(A)+P(B)P(AB)

补: P ( A + B + C ) = P ( A ) + P ( B ) + P ( C ) − P ( A B ) − P ( A C ) − P ( B C ) + P ( A B C ) P(A+B+C)=P(A)+P(B)+P(C)-P(AB)-P(AC)-P(BC)+P(ABC) P(A+B+C)=P(A)+P(B)+P(C)P(AB)P(AC)P(BC)+P(ABC)

【例题】

【例1】 P ( A ) = 0.4 , P ( B ) = 0.3 , P ( A + B ) = 0.6 P(A)=0.4,P(B)=0.3,P(A+B)=0.6 P(A)=0.4,P(B)=0.3,P(A+B)=0.6,求 P ( A B ‾ ) P(A\overline{B}) P(AB)

根据加法原理,
P ( A + B ) = P ( A ) + P ( B ) − P ( A B ) P(A+B)=P(A)+P(B)-P(AB) P(A+B)=P(A)+P(B)P(AB)
P ( A B ) = 0.1 P(AB)=0.1 P(AB)=0.1
P ( A B ‾ ) = P ( A − B ) = P ( A ) − P ( A B ) = 0.3 P(A\overline{B})=P(A-B)=P(A)-P(AB)=0.3 P(AB)=P(AB)=P(A)P(AB)=0.3

【例2】 P ( A ) = P ( B ) = P ( C ) = 1 / 4 , P ( A B ) = 0 , P ( A C ) = P ( B C ) = 1 / 16 P(A)=P(B)=P(C)=1/4,P(AB)=0,P(AC)=P(BC)=1/16 P(A)=P(B)=P(C)=1/4,P(AB)=0,P(AC)=P(BC)=1/16,求:1. A B C ABC ABC至少一个发生的概率;2. A B C ABC ABC都不发生的概率
P ( A + B + C ) = P ( A ) + P ( B ) + P ( C ) − P ( A B ) − P ( A C ) − P ( B C ) + P ( A B C ) = 1 / 4 + 1 / 4 + 1 / 4 − 0 − 1 / 16 − 1 / 16 + 0 = 5 / 8 P(A+B+C)\\ =P(A)+P(B)+P(C)-P(AB)-P(AC)-P(BC)+P(ABC)\\ =1/4+1/4+1/4-0-1/16-1/16+0\\ =5/8 P(A+B+C)=P(A)+P(B)+P(C)P(AB)P(AC)P(BC)+P(ABC)=1/4+1/4+1/401/161/16+0=5/8
P ( A + B + C ‾ ) = 1 − P ( A + B + C ) = 3 / 8 P(\overline{A+B+C})=1-P(A+B+C)=3/8 P(A+B+C)=1P(A+B+C)=3/8

A A A为不可能事件 ⇒ P ( A ) = 0 \Rarr P(A)=0 P(A)=0
P ( A ) = 0 ⇏ A P(A)=0\not\Rarr A P(A)=0A为不可能事件
举例:0~1的线段上任取一点,恰好取到0.1位置的概率为0,但有可能发生

【例3】4个白球,3个黑球,任取3个,求其中至少有两个白球的概率。

P = C 4 2 C 3 1 + C 4 3 C 7 3 \displaystyle P=\frac{C_4^2C_3^1+C_4^3}{C_7^3} P=C73C42C31+C43

【例4】第一台机床不需要看管的概率为0.9,第二台机床不需要看管的概率为0.8,两台都需要的概率为0.02,问至少一台需要看管的概率。

P ( A 1 + A 2 ) = P ( A 1 ) + P ( A 2 ) − P ( A 1 A 2 ) = 0.1 + 0.2 − 0.02 = 0.28 P(A_1+A_2)=P(A_1)+P(A_2)-P(A_1A_2)=0.1+0.2-0.02=0.28 P(A1+A2)=P(A1)+P(A2)P(A1A2)=0.1+0.20.02=0.28

【例5】20件产品,一等品6件,二等品10件,三等品4件。任取3件,求至少两件等级相同的概率。

逆事件:三件等级各不相同
P ′ = C 6 1 C 10 1 C 4 1 C 20 3 \displaystyle P'=\frac{C_6^1C_{10}^1C_4^1}{C_{20}^3} P=C203C61C101C41
P = 1 − P ′ = 1 − C 6 1 C 10 1 C 4 1 C 20 3 \displaystyle P=1-P'=1-\frac{C_6^1C_{10}^1C_4^1}{C_{20}^3} P=1P=1C203C61C101C41

【例6】求 n n n个人至少两人生日相同的概率。

逆事件: n n n个人生日各不相同
P ′ = 365 × 364 × 363 × ⋯ × ( 365 − n + 1 ) 36 5 n P'=\frac{365\times 364\times 363\times\cdots\times(365-n+1)}{365^n} P=365n365×364×363××(365n+1)
P = 1 − P ′ = 1 − 365 × 364 × 363 × ⋯ × ( 365 − n + 1 ) 36 5 n P=1-P'=1-\frac{365\times 364\times 363\times\cdots\times(365-n+1)}{365^n} P=1P=1365n365×364×363××(365n+1)

n = 55 n=55 n=55时, P ≈ 0.99 P\approx 0.99 P0.99

1.3.1 条件概率

定义:
Ω \Omega Ω是样本空间, A B AB AB是两个事件, P ( B ) > 0 P(B)>0 P(B)>0,在 B B B已经发生的条件下 A A A发生的概率称为 A A A B B B的条件概率,记作 P ( A ∣ B ) P(A|B) P(AB)

P ( A ) P(A) P(A)无条件概率 ⟶ \longrightarrow 样本空间 Ω \Omega Ω
P ( A ∣ B ) P(A|B) P(AB)条件概率 ⟶ \longrightarrow 样本空间 B = Ω B B=\Omega_B B=ΩB

  1. P ( A ∣ B ) = n A B n B P(A|B)=\displaystyle\frac{n_{AB}}{n_B} P(AB)=nBnAB
  2. P ( A ∣ B ) = n A B / n n B / n = P ( A B ) P ( B ) P(A|B)=\displaystyle\frac{n_{AB}/n}{n_B/n}=\frac{P(AB)}{P(B)} P(AB)=nB/nnAB/n=P(B)P(AB)

性质:

  • P ( A ∣ B ) ≥ 0 P(A|B)\geq 0 P(AB)0
  • P ( Ω ∣ B ) = 1 P(\Omega|B)=1 P(ΩB)=1
  • A 1 , A 2 , ⋯ A_1,A_2,\cdots A1,A2,两两互不相容,则 P ( ∑ i = 1 ∞ A i ∣ B ) = ∑ i = 1 ∞ P ( A i ∣ B ) P(\displaystyle\sum_{i=1}^\infin A_i|B)=\sum_{i=1}^\infin P(A_i|B) P(i=1AiB)=i=1P(AiB)

P ( A ∣ B ) + P ( A ‾ ∣ B ) = 1 P(A|B)+P(\overline{A}|B)=1 P(AB)+P(AB)=1

1.3.2 乘法公式

P ( A ∣ B ) = P ( A B ) P ( B ) ⇒ P ( A B ) = P ( B ) P ( A ∣ B ) P(A|B)=\displaystyle\frac{P(AB)}{P(B)} \Rarr P(AB)=P(B)P(A|B) P(AB)=P(B)P(AB)P(AB)=P(B)P(AB)
P ( B ∣ A ) = P ( A B ) P ( A ) ⇒ P ( A B ) = P ( A ) P ( B ∣ A ) P(B|A)=\displaystyle\frac{P(AB)}{P(A)} \Rarr P(AB)=P(A)P(B|A) P(BA)=P(A)P(AB)P(AB)=P(A)P(BA)

P ( A 1 A 2 ⋯ A n ) = P ( A 1 ) P ( A 2 ∣ A 1 ) P ( A 3 ∣ A 1 A 2 ) ⋯ P ( A n ∣ A 1 A 2 ⋯ A n − 1 ) P(A_1A_2\cdots A_n)=P(A_1)P(A_2|A_1)P(A_3|A_1A_2)\cdots P(A_n|A_1A_2\cdots A_{n-1}) P(A1A2An)=P(A1)P(A2A1)P(A3A1A2)P(AnA1A2An1)

1.4.1 全概率公式

A 1 + A 2 + ⋯ + A n A_1+A_2+\cdots+A_n A1+A2++An是试验 E E E的一个完备事件组, P ( A i ) > 0 P(A_i)>0 P(Ai)>0 P ( B ) = ∑ i = 1 n P ( A i ) P ( B ∣ A i ) P(B)=\displaystyle\sum_{i=1}^nP(A_i)P(B|A_i) P(B)=i=1nP(Ai)P(BAi)

1.4.2 贝叶斯公式

A 1 + A 2 + ⋯ + A n A_1+A_2+\cdots+A_n A1+A2++An是试验 E E E的一个完备事件组, B B B是试验 E E E的一个事件, P ( A i ) > 0 P(A_i)>0 P(Ai)>0 P ( B ) > 0 P(B)>0 P(B)>0 P ( A i ∣ B ) = P ( A k ) P ( B ∣ A k ) ∑ i = 1 n P ( A i ) P ( B ∣ A i ) = P ( A k B ) P ( B ) P(A_i|B)=\displaystyle\frac{P(A_k)P(B|A_k)}{\displaystyle\sum_{i=1}^nP(A_i)P(B|A_i)}=\frac{P(A_kB)}{P(B)} P(AiB)=i=1nP(Ai)P(BAi)P(Ak)P(BAk)=P(B)P(AkB)

P ( A i ) P(A_i) P(Ai):先验概率
P ( A i ∣ B ) P(A_i|B) P(AiB):后验概率

1.5.1 事件的独立性

定义: A A A事件发生的概率不受 B B B事件发生与否的影响。
P ( A ∣ B ) = P ( A ) P(A|B)=P(A) P(AB)=P(A)

定理: P ( A ) > 0 , P ( B ) > 0 P(A)>0,P(B)>0 P(A)>0,P(B)>0,则 A A A B B B独立的充要条件是 P ( A B ) = P ( A ) P ( B ) P(AB)=P(A)P(B) P(AB)=P(A)P(B)

证明如下:

  1. 充分性: P ( A B ) = P ( A ) P ( B ) ⇒ A B P(AB)=P(A)P(B)\Rarr AB P(AB)=P(A)P(B)AB独立
    P ( A ∣ B ) = P ( A B ) P ( B ) P(A|B)=\displaystyle\frac{P(AB)}{P(B)} P(AB)=P(B)P(AB)
    [条件概率]
    P ( A ∣ B ) = P ( A ) P ( B ) P ( B ) = P ( A ) P(A|B)=\displaystyle\frac{P(A)P(B)}{P(B)}=P(A) P(AB)=P(B)P(A)P(B)=P(A)

  2. 必要性: A B AB AB独立 ⇒ P ( A B ) = P ( A ) P ( B ) \Rarr P(AB)=P(A)P(B) P(AB)=P(A)P(B)
    P ( A B ) = P ( B ) P ( A ∣ B ) = P ( B ) P ( A ) P(AB)=P(B)P(A|B)=P(B)P(A) P(AB)=P(B)P(AB)=P(B)P(A)
    [乘法公式]

P ( A ) = 0 P(A)=0 P(A)=0 P ( B ) = 0 P(B)=0 P(B)=0,上述公式仍成立

定义1.6:若 P ( A B ) = P ( A ) P ( B ) P(AB)=P(A)P(B) P(AB)=P(A)P(B),则称 A B AB AB独立。

Φ \Phi Φ Ω \Omega Ω与任意事件 A A A独立
证明如下:

  1. Φ \Phi Φ A A A独立:
    P ( Φ A ) = P ( Φ ) = 0 P(\Phi A)=P(\Phi)=0 P(ΦA)=P(Φ)=0
    P ( Φ ) P ( A ) = 0 P(\Phi)P(A)=0 P(Φ)P(A)=0
  2. Ω \Omega Ω A A A独立:
    P ( Ω A ) = P ( A ) P(\Omega A)=P(A) P(ΩA)=P(A)
    P ( Ω ) P ( A ) = P ( A ) P(\Omega)P(A)=P(A) P(Ω)P(A)=P(A)

定理1.5:

  • 如果 A B AB AB独立,则 A A A B ‾ \overline{B} B A ‾ \overline{A} A B B B A ‾ \overline{A} A B ‾ \overline{B} B也独立
  • P ( A ) = 0 P(A)=0 P(A)=0 P ( A ) = 1 P(A)=1 P(A)=1,则 A A A与任意事件独立

独立:可能性
互不相容: A B = Φ AB=\Phi AB=Φ

P ( A ) > 0 , P ( B ) > 0 P(A)>0,P(B)>0 P(A)>0,P(B)>0 A B AB AB独立和互不相容不能同时成立

n n n个事件独立:任选 k k k个事件( k ≤ n k\leq n kn)均独立
例:3个事件独立:
P ( A B ) = P ( A ) P ( B ) P(AB)=P(A)P(B) P(AB)=P(A)P(B)
P ( A C ) = P ( A ) P ( C ) P(AC)=P(A)P(C) P(AC)=P(A)P(C)
P ( B C ) = P ( B ) P ( C ) P(BC)=P(B)P(C) P(BC)=P(B)P(C)
P ( A B C ) = P ( A ) P ( B ) P ( C ) P(ABC)=P(A)P(B)P(C) P(ABC)=P(A)P(B)P(C)

使用条件?

  1. 投球 射击 ……场景
  2. 题干指出“独立”

1.5.2 伯努利模型

独立实验序列: E 1 , E 2 , ⋯   , E n E_1,E_2,\cdots,E_n E1,E2,,En独立
n n n重独立实验: E , E , ⋯   , E ⏟ n 个 \underbrace{E,E,\cdots,E}_{n个} n E,E,,E 独立
伯努利实验:结果只有两种 Ω = { A , A ‾ } \Omega=\{A,\overline{A}\} Ω={A,A}
n n n重伯努利实验: n n n次,独立,实验结果仅有两种

伯努利实验中,设 A A A发生的概率为 P P P,则 A ‾ \overline{A} A的概率为 1 − P 1-P 1P
n n n重伯努利实验中,设 A A A发生的概率为 P P P A A A发生 k k k次的概率为: P n ( k ) = C n k P k ( 1 − P ) n − k P_n(k)=C_n^kP^k(1-P)^{n-k} Pn(k)=CnkPk(1P)nk(二项概率公式)

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