随机事件与概率

官方数学老师·18 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
概率公理样本空间条件概率反直觉

随机事件与概率

从样本空间到公理化:搞懂随机性的严格刻画与反直觉边界

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概率公理样本空间条件概率反直觉

随机事件与概率

从样本空间到公理化:搞懂随机性的严格刻画与反直觉边界

1第 1 页 · 随机事件与概率

不可能事件

上一节我们认识了随机事件——同样条件下结果不确定但可观察。可有些事在同样条件下根本不会发生?比如箱子里只装红球,问「摸出白球」,无论试多少次都不可能。今天就来看这种特殊事件。

定义
在一定条件下,事先就能断定绝不会发生的事件,记为 ∅
概率特征
P(∅) = 0,是概率值域的最小值
边界陷阱
反方向不成立:P=0 的事件不一定是不可能事件(连续型单点)
不是小概率
概率极小不等于不可能;「几乎不发生」与「不会发生」是两回事
只装红球的盒子里摸白球对应 →不可能事件

样本空间里根本没有白球元素,问「能否摸到」本身是个无效问题

P()=0P(\varnothing) = 0
2第 2 页 · 不可能事件

随机事件

上页说到「太阳从西边升起」永远不发生,那是不可能事件。但生活中更常见的是「可能发生,也可能不发生」——明天下雨、抛硬币正面朝上、抽奖中一等奖。这一类,就是我们要讲的「随机事件」。

定义
在相同条件可重复的试验中,可能出现也可能不出现的结果
三个特征
① 试验可重复;② 结果不止一种;③ 试验前不能预知哪个结果出现
概率范围
严格介于 0 与 1 之间:0 < P(A) < 1,与不可能、必然事件划清边界
集合视角
随机事件 A 是样本空间 Ω 的真子集,A ⊊ Ω 且 A ≠ ∅
抛硬币看正反对应 →随机事件

试验可重复、结果有两种、抛之前不知道是哪面——三条特征全对上

0<P(A)<1,AΩ0 < P(A) < 1, \quad A \subsetneq \Omega
3第 3 页 · 随机事件

必然事件

上页讲了不可能事件——某些条件下'永远不会发生'。反过来,有些事件在同样条件下'一定发生',比如太阳明天照常升起、抛硬币必出现正反之一。这类事件,就是必然事件。

定义
在给定条件下,试验中每次都必定会发生的事件
概率值
P(必然事件) = 1,概率的取值上界
集合本质
必然事件就是样本空间Ω本身——所有结果的'全集'
互补关系
与不可能事件∅互为对立,把概率夹在 [0,1] 区间
盒子里只装红球和白球对应 →必然事件:摸出的球是红或白

样本空间就这两种结果,'属于其中之一'必发生

P(Ω)=1,P(Ω)+P()=1P(\Omega)=1,\quad P(\Omega)+P(\varnothing)=1
4第 4 页 · 必然事件

随机试验

我们已经认识了随机事件、不可能事件和必然事件——它们都从同一个地方冒出来:随机试验。

可重复性
相同条件下能反复进行,结果不受重复影响
结果多样性
不止一种可能结果,至少两个
结果不可预知
试验前无法确定哪个结果会出现
抛硬币对应 →随机试验

同一枚硬币条件固定,结果有两种(正/反),抛之前不知落哪面

5第 5 页 · 随机试验

样本点

掷一颗骰子观察朝上的点数——出现 1、2、3、4、5、6 中的某一个,这种最基本、不可再拆分的单一结果,就是样本点。

定义
随机试验的最小、不可再分的结果
符号
记作 ω(ω∈Ω),Ω 为样本空间
别名
又称基本事件(elementary event)
排他性
一次试验只能出现且必出现一个样本点
作用
复杂事件可表示为若干 ω 的集合
一次考试交出的答卷对应 →样本点 / 样本空间

一份答卷 = 一个样本点;所有可能答卷 = 样本空间;「答对」= 那些答对的答卷的集合

ωΩ\omega \in \Omega
6第 6 页 · 样本点

样本空间

上页我们认识了样本点——随机试验中每一个不可再分的结果。但零散的点还不够,我们需要一个'容器'把它们全部装下,这就是样本空间。

定义与记号
随机试验中所有样本点的集合,记作 Ω(有时用 S)
完备与互斥
任一次试验结果必落入 Ω;同一时刻只对应 Ω 中唯一一个样本点
粒度可调
同一试验可构造不同 Ω,取决于'多细算一个结果',粒度不同模型也不同
三大类型
有限(如掷骰子 6 点)、可列无限(如抛硬币直到首次正面)、不可列连续(如 [0,1])
承载事件
随机事件 A 必是 Ω 的子集,即 A⊆Ω
一颗骰子的 6 个面对应 →样本空间 Ω

6 个面穷举所有可能结果,掷出必命中其一;若分正反面,粒度变 12,Ω 也跟着变

Ω={ω1,ω2,},AΩ\Omega = \{\omega_1, \omega_2, \ldots\}, \quad A \subseteq \Omega
7第 7 页 · 样本空间

基本事件

样本点 ωi 是 Ω 里的「元素」,但如果把单个样本点本身也当作一个事件——它就叫「基本事件」。它是搭建复杂事件的最小砖块,也是概率加法定理的起点。

定义
样本空间中只含一个样本点的事件,不可再分解
与样本点关系
基本事件 = {单个样本点},既被视作点也被视作事件
构造作用
任何复杂事件都是若干基本事件的并集,概率可由此累加
乐高最小单块积木对应 →基本事件

复杂事件像城堡,由若干基本事件拼接而成,缺一不可

P(A)=ωiAP(ωi)P(A)=\sum_{\omega_i\in A}P(\omega_i)
8第 8 页 · 基本事件

事件的包含关系

上一节我们认识了样本点和样本空间。一次试验可以切出很多事件,它们之间有没有大小关系?有的——这就引出事件的包含关系。

集合定义
若A中每个样本点都属于B,则称A⊆B
概率语言
A⊆B等价于「A发生必然导致B发生」
两个边界
Ø⊆任何事件;任何事件⊆Ω
三条性质
自反性、反对称性、传递性
俄罗斯套娃对应 →事件的包含关系

小娃娃只能套在大娃娃里——小事件发生必对应大事件发生

AB    ABˉ=A\subseteq B \iff A\cap \bar{B}=\varnothing
9第 9 页 · 事件的包含关系

并事件

上一页我们看了包含:A 发生则 B 一定发生。但更多时候关心的是「或者」——比如掷骰子「出现偶数或者大于 4」,只要满足其中一个就算数。这种「或」逻辑,就是并事件。

定义
A 或 B 至少有一个发生,记作 A∪B
与交的区别
并是「或」逻辑,交是「且」逻辑,两者恰好相反
加法公式
P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B),重叠要扣
互斥时简化
A、B 不相交时,P(A∪B)=P(A)+P(B)
典型应用
「至少一个发生」类问题,如至少一门课及格
抽奖抽中一或二等奖对应 →并事件 A∪B

中一个就满足——对应「或」逻辑

P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)
10第 10 页 · 并事件

交事件

上页讲了并事件「A 或 B 发生」,对应逻辑里的「或」。这一页翻过来:「A 且 B 同时发生」——逻辑里的「且」——就是交事件。比如既要抽到红桃又要抽到 K,缺任何一条都不算。

定义
A∩B = {e∈Ω | e∈A 且 e∈B},两事件同时发生
符号
A∩B 或 AB;∩ 读作「交」
运算律
交换律、结合律,对并满足分配律
互斥边界
A∩B=∅ 时 A 与 B 互斥,交为空是极端情形
条件概率入口
P(A∩B) 是 P(A|B)=P(A∩B)/P(B) 的分子
既是男生又是班长对应 →交事件 A∩B

两个集合都收下的人才留下——单满足一个不算

AB={eΩeA 且 eB}A \cap B = \{e \in \Omega \mid e \in A \ \text{且}\ e \in B\}
11第 11 页 · 交事件

互斥事件

上一页的交事件 A∩B 可以非空,但有些事件'水火不容',一次试验里绝不可能同时发生——这就是互斥事件。

定义
一次试验中,两个事件不可能同时发生
集合表述
互斥等价于 A∩B = ∅,即没有公共样本点
加法公式
互斥时 P(A∪B)=P(A)+P(B),无需减交集
互斥≠对立
对立还需 A∪B=Ω,是对立的真子集
硬币正反面对应 →互斥事件

落地只现一面,正面反面不可能同时朝上

P(AB)=P(A)+P(B),AB=P(A \cup B) = P(A) + P(B),\quad A \cap B = \varnothing
12第 12 页 · 互斥事件

对立事件

互斥事件说「两个不能同时发生」,但硬币还可能立在桌上——既不是正面也不是反面。真正「二选一、穷尽一切」的,是对立事件。本页把它与互斥的边界讲清楚。

定义
若 A∩B=∅ 且 A∪B=Ω,则 A 与 B 互为对立事件,记作 B=Ā
两个条件缺一不可
既要互斥(无公共样本点),又要穷尽(合起来覆盖整个样本空间 Ω)
互补概率公式
P(A)+P(Ā)=1,因此求 P(Ā) = 1−P(A)
与互斥的差别
互斥只管不重叠;对立还要求合起来必须是整个 Ω,绝不能「两个都不发生」
典型应用:反面转化
「至少一个发生」难求时,转而求「一个都不发生」,再用 1 减去
考试及格与不及格对应 →对立事件 A 与 Ā

一次考试只有这两种结果,没有第三种,且不可能同时及格又不及格

P(A)+P(Aˉ)=1P(Aˉ)=1P(A)P(A) + P(\bar{A}) = 1 \quad \Rightarrow \quad P(\bar{A}) = 1 - P(A)
13第 13 页 · 对立事件

古典概型

掷一颗均匀骰子,你说『出现1点的概率是1/6』——凭什么直觉就信?凭的是所有点数『机会均等』。这正是古典概型的核心假设。

有限样本空间
基本事件总数有限可数,是前提
等可能性
每个基本事件发生概率相等,缺它则公式失效
概率公式
P(A)=m/n,m 为 A 含的基本事件数
本质是模型
依赖对称性假设,不可硬套非对称场景
均匀袋中摸编号球对应 →古典概型

球大小相同=等可能;球总数=有限样本空间;目标球数=有利事件数

P(A)=mnP(A)=\dfrac{m}{n}
14第 14 页 · 古典概型

概率的古典定义

上一节我们认识了古典概型——"等可能"世界里最直观的概率模型。但"等可能"到底意味着什么?概率值又该怎么精确计算?这一节,我们用数学语言给它一个正式定义。

有限样本空间
样本点总数n是一个有限数,这是能用枚举法计数的前提
等可能性
所有基本事件发生概率相同,是古典定义的灵魂前提
古典概率公式
P(A)=k/n,k为事件A所含样本点数,n为样本点总数
等可能的判断
需根据实际背景判断(如公平骰子、均匀抽签),不能凭直觉假设
搅匀的抽签对应 →等可能性前提

10张签搅匀后随机摸,每张被摸到的概率=1/10;签若没搅匀,"等可能"只是错觉

P(A)=knP(A) = \frac{k}{n}
15第 15 页 · 概率的古典定义

概率的基本性质

上一页我们用古典定义算出了一堆具体数字。但这些数字不是乱给的——它们都必须满足一套「宪法」,这就是概率的三大基本性质。

非负性
任何事件的概率都不小于零:P(A) ≥ 0
规范性
样本空间Ω的概率恒为1:P(Ω) = 1
可列可加性
可列个两两互斥事件的并,概率等于各概率之和
三条推论
P(∅)=0;0≤P(A)≤1;对立事件 P(Ā)=1−P(A)
单调性
若A⊆B,则P(A)≤P(B)(由可加性直接推出)
量一块地的面积对应 →概率的三大性质

面积不能为负;整块地归一;不相交的几块地面积可相加

P(A)0,P(Ω)=1,P ⁣(i=1Ai)=i=1P(Ai) (Ai 两两互斥)P(A)\geq 0,\quad P(\Omega)=1,\quad P\!\left(\bigcup_{i=1}^{\infty}A_i\right)=\sum_{i=1}^{\infty}P(A_i)\ (A_i\ \text{两两互斥})
16第 16 页 · 概率的基本性质

本节要点

  • 事件确定性刻画:必然与不可能是两端,随机事件填充中间
  • 样本空间是概率计算的锚点:样本点必须互斥且穷尽
  • 事件运算遵守对偶原则:互斥是对立的必要不充分条件
  • 古典概型的前提是等可能性,而非计算结论
  • 概率三公理构成推理地基:非负、规范、可列可加
延伸主题:条件概率与贝叶斯公式几何概型概率公理化体系
17第 17 页 · 本节要点

课后思考

先合上屏幕自己想五分钟,再翻看参考答案。思考过程比答案本身更重要。

1互斥事件和对立事件都要求'不能同时发生',它们的本质区别在哪里?什么情况下两者会重合?

参考答案互斥只要求不能同时发生,对立还要求'加起来刚好是全部'。两个对立事件一定互斥,但互斥不一定对立——比如'抽到A'和'抽到B'互斥,可还有C、D,所以不构成对立。

2抽奖箱5张'谢谢参与'、1张'一等奖',一等奖概率1/6。主办方却宣称'中奖率50%'——这种说法混淆了今天的什么概念?

参考答案混淆了'随机事件'与'必然事件'。'谢谢参与'每次必发,是必然事件;但'一等奖'才是随机事件,概率1/6。主办方用'中奖'偷换了'一等奖'的概念。

3从1到100随机选一个数,选到偶数概率1/2。如果'1到100'换成'1到无穷',这个结论还成立吗?古典概型的边界在哪?

参考答案不成立。古典概型要求样本空间有限——'1到无穷'无法枚举基本事件,更谈不上等可能。这正是几何概型或测度论要解决的问题。

18第 18 页 · 课后思考