概率论02 概率公理

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概率论早期用于研究赌博中的概率事件。赌徒对于结果的判断基于直觉,但高明的赌徒尝试从理性的角度来理解。然而,赌博中的一些结果似乎有矛盾。比如掷一个骰子,每个数字出现的概率相等,都是1/6。然而,如果有两个骰子,那么出现的2到12这些数字的概率却不相同。概率论这门学科正是为了搞清楚这些矛盾背后的原理。

早期的概率论是一门混合了经验的数学学科,并没有严格的用语。因此,概率论在数学的精密架构下,显得有些异类。许多名词,如“概率”等,一定程度上是按照人们的直觉来定义的。1933年,俄国数学家Andrei N.Kolmogorov建立了概率论的公理化体系,严格定义了概率论的语言。正如现代数学的其他学科一样,概率论的公理化体系同样基于 集合论。公理化的概率论体系基于几条简单易懂的公理,衍生出整个概率论的体系。学习这个公理化的体系,可以消除直觉中的许多混淆。这一公理体系的核心是“概率测度”。

实验与样本空间

任何一个过程,如果它的结果是随机的(无法事前知道),那么该过程就称为一个 实验 。实验所有可能的结果组成一个集合(set),叫做 样本空间(sample space),用Ω表示。我们看下面实验的样本空间:

实验1. 连续掷一个硬币两次:

Ω={HH,HT,TH,TT}

H表示正面,T表示反面。上面括号里包含了所有可能的结果:正正,正反,反正,反反。

实验2. 打印机的队列最多允许10个工作。某时刻的工作数目:

Ω={0,1,3,...,9,10}

实验3. 开车经过两个路口,遇到的红绿灯情况:

Ω={rr,rg,ry,gg,gr,gy,yy,yr,yg}

r表示红灯,g表示绿灯,y表示黄灯。

(利用 计数原理 ,我们可以知道所有可能结果的总数为9)

对于概率论来说,集合是“如来佛的手掌心”。事实上,整个现代数学体系都是建立在集合论的基础上。集合本身没有什么神秘的,就是一些元素的集合。数学的关键是不同集合的特性、集合内部的结构和集合之间的关系。看似平常的集合给数学带来许多意想不到的结果。

事件

样本空间包含了概率论研究的基本元素,也就是实验的结果。它们好象化学里的原子。 在掷撒子的游戏中,1,2,3,4,5,6,这些结果就构成了我们的原子。然而,就像赌徒只对“大”和“小”感兴趣一样,在许多时候,我们会对分子那样的原子集合更感兴趣。在概率论里,这样的“分子”就是样本空间的 子集。样本空间的一个子集,被称为一个 事件 (event)。比如说,在实验1中,第一次投掷为正面的所有结果构成子集,即一个事件。该事件包含有两个元素:

A={(H,H),(H,T)}

再比如,第二次投掷为正面也构成一个事件,即

B={(H,H),(T,H)}

我们可以将事件理解为一些特定结果的合集。通过事件,我们可以将结果“聚合”,从而在高一层的单位上进行概率研究。

既然事件是样本空间的一个子集,那么事件可以有 补集 。事件A的补集包含所有 不属于A 的样本空间元素。

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该补集代表的事件为: 第一次投掷是反面。

补集

两个集合可以有 交集 和 并集 运算。我们以集合A和集合B为例。

C=AB

交集C中包含了所有既在A中又在B中的元素。事件C表示第一次为正面且第二次为正面。C={(H,H)}

交集: 交叉阴影区域

D=AB

并集D中包含了所有在A中或者在B中的元素。事件D表示第一次为正面或者第二次为正面,D={(H,H),(T,H),(H,T)}

并集: 交叉阴影区域

空集Φ是一个不包含任何元素的集合。如果两个集合的交集为空集,即MN=Φ,那么这两个集合不相交。在概率论中,不相交的两个事件 互斥 。

和加法一样,集合的交并集运算同样有运算法则。这些法则可以如上面那样,画出集合图形,来辅助理解。

交换律

AB=BA
AB=BA

结合律

(AB)C=A(BC)
(AB)C=A(BC)

分配律

(AB)C=(AC)(BC)
(AB)C=(AC)(BC)

概率测度

我们上面定义了一些基本用语,即“实验”,“样本空间”,“事件”。我们下面要给“分子”上色:引入概率的概念。我们用函数来给每个事件分配一个概率,即分子和颜色的对应关系。

概率测度 是基于样本空间Ω的一个函数P。这个函数P定义了从样本空间的子集(即事件)到实数的映射,且满足下面的条件:

1.P(Ω)=1

2. 如果AΩ, 那么P(A)0

3. 如果A1和A2不相交,那么

P(A1A2)=P(A1)+P(A2)

“概率测度”是一个有些抽象的概念。“测度”这个词是在提示我们概率定义的基础是“测度论”。粗糙的说,“测度论”用于研究一个集合的“大小”或者说“面积”。更严格的说,就像概率一样,“测度”是集合的子集到实数的一个映射。比如一个正方形的面积为6,实际上是说,一个点的集合(正方形)的某个“测度”为6,即点的集合和实数6对应。“面积”的一个关键特点是可加。比如我们买地的时候,如果两块地不重叠,那么它们的面积总和是两个各自面积的和。概率测度有相同的特点,就是上面的第3点。第1,2两点是概率的基本特征,即所有情况的概率总和为1,而概率值不为负。基于这样一种直观但不严格的类比,我们可以把概率(也就是“概率测度”)想象成“集合的面积”。而“样本空间的总面积为1”。

以上是概率论的公理体系。利用上面的定义以及集合论工具,我们会进一步建立起概率论的体系。但要注意的是,上面公理化的定义,尽管严谨,但并没有说明“概率是什么”,而只是说“概率那个人啊,它应该长的方脸,长鼻子,小眼镜”。这有些像编程中的”duck typing”,也就是根据对象的动作或者特点,来定义对象。即使是今天,概率的本质也存在争议。主流的观点分为两派,即频率观点和贝叶斯观点。在频率观点中,如果我们以相同的条件重复尝试N次,那么如果某个事件出现了n次,那么该事件的概率为P(A) = n/N。在贝叶斯观点中,概率代表了主观上对某一论断的信心。 尽管对概率的理解不同,这两个流派都开衍生出了非常有用的工具。

另一方面,定义也没有告诉我们如何确定函数P,即如何计算概率测度。很多时候,函数P的确定依然基于一些假设和一定程度的直觉。 比如在等概率条件下,我们利用 计数 方法,来获得概率。比如一枚硬币出现正反两面的概率相同,结果总数为2,那么P(H) = 1/2。这也正是我们第一讲中讲解计数的目的所在。然而在其他情况下,比如不均匀硬币,我们不能简单的用1除以结果总数。我们可以利用频率观点,大量重复实验,来获得P函数。

Python中的集合

集合这一数据结构在多种语言中都有。比如Python中的集合:

上面实现了集合的运算。

再比如,我们可以用in来判断元素是否属于集合,以及用>, >=, <,<=来判断两个集合的归属关系,比如一个集合是另一个集合的子集。

set是一个数据容器,len(), max(), min()函数同样可用于set,分别返回集合中元素总数,集合最大值,集合最小值。此外,set还有一些方法,比如下面的增加和删除元素,注意set中不会有重复的元素:

上面的set中元素都为整数,还可以是其他的任意对象。

练习: 利用Python,验证集合的运算律。

总结

样本空间,事件

互斥事件

概率测度

「概率论」系列文章

文/ Vamei

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