概率论,是研究随机现象数量规律的数学分支。随机现象是相对于决定性现象而言的,在一定条件下必然发生某一结果的现象称为
决定性现象
。例如在
标准大气压
下,纯水加热到100℃时水必然会沸腾等。随机现象则是指在基本条件不变的情况下,每一次试验或观察前,不能肯定会出现哪种结果,呈现出
偶然性
。例如,掷一硬币,可能出现正面或反面。随机现象的实现和对它的观察称为
随机试验
。随机试验的每一可能结果称为一个基本事件,一个或一组基本事件统称随机事件,或简称事件。典型的随机试验有掷骰子、扔硬币、抽扑克牌以及轮盘游戏等。
事件的概率是衡量该事件发生的可能性的量度。虽然在一次随机试验中某个事件的发生是带有偶然性的,但那些可在相同条件下大量重复的随机试验却往往呈现出明显的数量规律。
概率论
起源
概率论是研究随机现象数量规律的数学分支,是一门研究事情发生的可能性的学问。但是最初概率论的起源与赌博问题有关。16世纪,意大利的学者
吉罗拉莫·卡尔达诺
(Girolamo Cardano)开始研究
掷骰子
等赌博中的一些简单问题。
概率与
统计
的一些
概念
和简单的方法,早期主要用于赌博和人口统计模型。随着人类的社会实践,人们需要了解各种不确定现象中隐含的必然规律性,并用
数学方法
研究各种结果出现的可能性大小,从而产生了概率论,并使之逐步发展成一门严谨的学科。概率与统计的方法日益渗透到各个领域,并广泛应用于自然科学、经济学、医学、金融保险甚至人文科学中。
概率论
发展
随着18、19世纪科学的发展,人们注意到在某些生物、物理和社会现象与机会游戏之间有某种相似性,从而由机会游戏起源的概率论被应用到这些领域中;同时这也大大推动了概率论本身的发展。使概率论成为数学的一个分支的奠基人是瑞士数学家
伯努利
,他建立了概率论中第一个
极限
定理,即
伯努利大数定律
,阐明了事件的频率稳定于它的概率。随后
棣莫弗
和
拉普拉斯
又导出了第 二个基本极限定理(
中心极限定理
)的原始形式。
拉普拉斯在系统总结前人工作的基础上写出了《分析的概率理论》,明确给出了概率的古典定义,并在概率论中引入了更有力的分析工具,将概率论推向一个新的发展阶段。
19世纪末,俄国数学家
切比雪夫
、
马尔可夫
、
李亚普诺夫
等人用分析方法建立了
大数定律
及
中心极限定理
的一般形式,科学地解释了为什么实际中遇到的许多
随机变量
近似服从
正态分布
。20世纪初受物理学的刺激,人们开始研究随机过程。这方面
柯尔莫哥洛夫
、
维纳
、马尔可夫、
辛钦
、
莱维
及
费勒
等人作了杰出的贡献。
概率论
传统概率
传统概率又称为
拉普拉斯
概率,因为其定义是由法国数学家
拉普拉斯
提出的。如果一个随机试验所包含的单位事件是有限的,且每个单位事件发生的可能性均相等,则这个随机试验叫做拉普拉斯试验。在拉普拉斯试验中,事件A在事件空间S中的概率P(A)为:
例如,在一次同时掷一个硬币和一个骰子的随机试验中,假设事件A为获得国徽面且点数大于4,那么事件A的概率应该有如下计算方法:S={(国徽,1点),(数字,1点),(国徽,2点),(数字,2点),(国徽,3点),(数字,3点),(国徽,4点),(数字,4点),(国徽,5点),(数字,5点),(国徽,6点),(数字,6点)},A={(国徽,5点),(国徽,6点)},按照拉普拉斯定义,A的概率为2/12=1/6,注意到在拉普拉斯试验中存在着若干的疑问,在现实中是否存在着这样一个试验,其单位事件的概率具有精确的相同的概率值,因为人们不知道,硬币以及骰子是否"完美",即骰子制造的是否均匀,其重心是否位于正中心,以及轮盘是否倾向于某一个数字等等。
尽管如此,传统概率在实践中被广泛应用于确定事件的
概率值
,其理论根据是:
如果没有足够的论据来证明一个事件的概率大于另一个事件的概率,那么可以认为这两个事件的概率值相等
。 如果仔细观察这个定义会发现拉普拉斯用概率解释了概率,定义中用了"相同的可能性"(原文是égalementpossible)一词,其实指的就是"相同的概率"。这个定义也并没有说出,到底什么是概率,以及如何用数字来确定概率。在现实生活中也有一系列问题,无论如何不能用传统概率定义来解释,比如,人寿保险公司无法确定一个50岁的人在下一年将死去的概率等。
概率论
公理化定义
如何定义概率,如何把概率论建立在严格的
逻辑基础
上,是概率理论发展的困难所在,对这一问题的探索一直持续了3个世纪。20世纪初完成的
勒贝格测度
与积分理论及随后发展的抽象测度和积分理论,为
概率公理
体系的建立奠定了基础。
在这种背景下,苏联数学家
柯尔莫哥洛夫
1933年在他的《概率论基础》一书中第一次给出了概率的
测度论
的定义和一套严密的
公理
体系。他的
公理化方法
成为现代概率论的基础,使概率论成为严谨的数学分支,对概率论的迅速发展起了积极的作用。
以下是公理化定义:
设随机实验E的
样本空间
为Ω。若按照某种方法,对E的每一事件A赋于一个实数P(A),且满足以下公理:
(1)
非负性:
P(A)≥0;
(2)
规范性:
P(Ω)=1;
(3)
可列(完全)可加性
:
对于两两互不相容的可列无穷多个事件A1,A2,……,An,……,有
,则称实数P(A)为事件A的概率。
概率论
统计定义
设随机事件A在n次重复试验中发生的次数为n
A
,若当试验次数n很大时,频率n
A
/n稳定地在某一数值p的附近摆动,且随着试验次数n的增加,其摆动的幅度越来越小,则称数p为随机事件A的概率,记为P(A)=p。
事件包括单位事件、事件空间、随机事件等。
在一次随机试验中可能发生的唯一的,且相互之间独立的结果被称为单位事件,用e表示。在随机试验中可能发生的所有单位事件的集合称为事件空间,用S来表示。例如在一次掷骰子的随机试验中,如果用获得的点数来表示单位事件,那么一共可能出现6个单位事件,则事件空间可以表示为S={1,2,3,4,5,6}。 上面的事件空间是由可数有限单位事件组成,事实上还存在着由可数无限以及不可数单位事件组成的事件空间,比如在一次直到获得
国徽
面朝上的随机掷硬币试验中,其事件空间由可数无限单位事件组成,表示为:S={国,数国,数数国,数数数国,数数数数国,···},注意到在这个例子中"数数数国"是单位事件。将两根筷子随意扔向桌面,其静止后所形成的
交角
假设为α,这个随机试验的事件空间的组成可以表示为
(2)生日悖论:在一个足球场上有23个人(2×11个运动员和1个裁判员),不可思议的是,在这23人当中至少有两个人的生日是在同一天的机率要大于50%。
(3)轮盘游戏:在游戏中玩家普遍认为,在连续出现多次红色后,出现黑色的机率会越来越大。这种判断也是错误的,即出现黑色的机率每次是相等的,因为球本身并没有“记忆”,它不会意识到以前都发生了什么,其机率始终是18/37。
(4)三门问题:在电视台举办的猜隐藏在门后面的汽车的游戏节目中,在参赛者的对面有三扇关闭的门,其中只有一扇门的后面有一辆汽车,其它两扇门后是山羊。游戏规则是,参赛者先选择一扇他认为其后面有汽车的门,但是这扇门仍保持关闭状态,紧接着主持人打开没有被参赛者选择的另外两扇门中后面有山羊的一扇门,这时主持人问参赛者,要不要改变主意,选择另一扇门,以使得赢得汽车的机率更大一些?
正确结果是,如果参赛者改变初衷,他的中奖概率将变成2/3。因为打开山羊门的那一刹那,本来的选择结果已经从1/3几率变到了1/2几率,如果改变初衷此时将是1/2中奖的几率。
有三种可能的情况,全部都有相等的可能性(1/3)︰参赛者挑山羊一号,主持人挑山羊二号。转换将赢得汽车。参赛者挑山羊二号,主持人挑山羊一号。转换将赢得汽车。参赛者挑汽车,主持人挑两头山羊的任何一头。转换将失败。在头两种情况,参赛者可以通过转换选择而赢得汽车。第三种情况是唯一一种参赛者通过保持原来选择而赢的情况。因为三种情况中有两种是通过转换选择而赢的,所以通过转换选择而赢的概率是2/3。
概率论
定理3
如果A1...An事件不能同时发生(为
互斥
事件),而且若干事件A1,A2,...An∈S每两两之间是
空集
关系,那么这些所有事件
集合
的概率等于单个事件的概率的和。
例如,在一次掷骰子中,得到5点或者6点的
概率
是: