概率论与数理统计讲义稿

南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿1第一章随机事件与概率§1.1随机事件1.1.1随机试验与样本空间概率论约定为研究随机现象所作的随机试验应具备以下三个特征：（1）在相同条件下试验是可重复的；（2）试验的全部可能结果不只一个，且都是事先可以知道的；（3）每一次试验都会出现上述可能结果中的某一个结果，至于是哪一个结果则事前无法预知。为简单计，今后凡是随机试验皆简称试验，并记之以英文字母E。称试验的每个可能结果为样本点，并称全体样本点的集合为试验的样本空间，分别用希腊字母和表示样本点及样本空间。必须指出的是这个样本空间并不完全由试验所决定，它部分地取决于实验的目的。假设抛掷一枚硬币两次，出于某些目的，也许只需要考虑三种可能的结果就足够了，两次都是正面，两次都是反面，一次是正面一次是反面。于是这三个结果就构成了样本空间。但是，如果要知道硬币出现正反面的精确次序，那么样本空间就必须由四个可能的结果组成，正面-正面、反面-反面、正面-反面、反面-正面。如果还考虑硬币降落的精确位置，它们在空中旋转的次数等事项，则可以获得其它可能的样本空间。经常使用比绝对必要的样本空间较大的样本空间，因为它便于使用。比如，在前面的例子中，由四个可能结果组成的样本空间便于问题的讨论，因为对于一个“均匀”的硬币这四个结果是“等可能”的。尽管这在有3种结果的样本空间内是不对的。例1.1.11E：从最简单的试验开始，这些试验只有两种结果。在抛掷硬币这一试验中出现“正面”或“反面”；在检查零件质量时，可能是“合格”或“不合格”；当用来模拟电子产品旋转的方向时，结果是“左边”或者“右边”；在这些情况下样本空间简化为：={正面,反面}。2E：更复杂一些，有的随机试验会产生多种可能的结果，比如掷一颗骰子，观察出现的点数。样本空间为：{1,2,3,4,5,6}。3E:掷两枚硬币（或者观察两个零件或两个电子产品），可以得到={（正面，正面）、（反面，反面）、（正面，反面）、（反面，正面)}读者可以将其推广到掷n个硬币，样本空间里有多少样本点呢？4E：再复杂一些，一名射手向某目标射击，直至命中目标为止，观察其命中目标所进行的射击次数。从理论上讲，只要不能击中目标,射手就必须一直射下去，故样本空间为{1,2,3,,,}n，其中含无穷多个样本点。这也适用于商品销售，假设商场可以无限量地销售某种商品，每天销售的该商品数的样本空间为},2,1,0{。南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿25E：在人类学研究中“随机抽取一个人”并测量他的身高和重量，电梯设计师能利用这些资料设计电梯的空间和载重，对于中国人，身高（单位：米）的样本空间取]}5.2,0[,{就足够了，体重（单位：公斤）的样本空间取]}200,0[,{也许就足够了。在大部分实际的设计问题中，设计师有时会同时考虑电梯使用者的所有可能的身高和体重，更具体地说，设计者通常会对同时提供了可能使用者身高和体重的结果感兴趣。因此，样本空间是12{(,)()[0,2.5][0200]}高度,重量，。□1.1.2随机事件随机试验的结果称为随机事件，简称事件，并以大写英文字母,,,,ABCD记之。1.1.3事件与集合的对应以及它们的运算通常用希腊字母表示样本空间,表示样本点。称“是的成员”或者“属于”，或者“是的元素”，记为.如果不是试验的一个可能结果，那么不是的元素，则记为.一个事件对应于样本空间的一个子集，因此某事件发生当且仅当它对应的子集中的某个元素（即样本点）在试验中出现。用A表示事件A是的子集。事件的相互关系与集合论中集合的包含、相等以及集合的运算等概念对应。以下就是这些对应关系与运算。为简化起见，以下均假设涉及的集合12,,,,,nABAAA等都是的子集，而不再每次申明。1.事件的包含—集合的包含集合AB即“A包含于B”，意为A中元素都在B中，或说，如果A，必有B。对应于事件，表示A的样本点都在B中，即当A的样本点出现于试验结果B之中，即A发生时，B当然也就发生了，或说“A的发生必导致B的发生”。图1.1AB的文氏图2.事件的相等—集合的相等称集合A和B相等，并记为AB，是说“AB且BA”。对应于事件，称A和B相等，记为AB，就是“如果A发生，则B必然发生，同样如果B发生，则A必然发生”。相等的事件含有相同的样本点。3.事件的并（和）—并集集合A和B的并集记为AB,它的元素或者属于A，或者属于B（当然有的可能同时属于A和B），即:ABAB或。对应事件的并AB表示“A或B至少有一个发生”。南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿3图1.2AB的文氏图并的概念可以推广到n个事件和可数个事件,12,,,nAAA的并121niniAAAA表示“(1,2,,)iAin中至少有一个发生”；可数个事件12,,,,nAAA的并niiAAAA211表示“(1,2,,,)iAin中至少有一个发生”。4.事件的交（积）—交集两个集合A和B的交集记为AB，它是由既属于A又属于B的元素构成的集合，即AB}:{BA且对应于事件的交AB表示“A和B同时发生”。AB常简记作AB。图1.3AB的文氏图类似地，交得概念也可以推广到n个事件的交,121niniAAAA表示“n个事件(1,2,,)iAin同时发生”，可数个事件的交121iniAAAA表示“可数个事件(1,2,,,)iAin同时发生”。5.逆事件（对立事件）—补集的子集A的补集记为A，它是由属于但不属于A的元素构成的集合，因为仅牵涉到属于（样本空间）的点，集合A就是由那些不属于A元素组成的。记为A}:{A且南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿4图1.4A的文氏图对应于事件，A发生当且仅当A不发生时发生，称作事件A的逆事件。利用上述事件的并和交的运算符号，有AA及AA6.事件的差—差集集合A与B的差集AB由A中那些不属于B的元素全体组成。对应地，事件的差AB表示“A发生而B不发生”即ABAB。图1.5AB的文氏图7.互斥（或不相容）—事件不交集在集合论中,若AB,则表明A,B没有公共元素，它们互不相交。对应于事件,若AB，则表明A，B不同时发生，称A与B互斥（或不相容）。图1.6AB的文氏图8.必然事件和不可能事件—样本空间和空集有两个特殊的集合需要特别讨论，一个是样本空间本身，从集合的定义容易推断出是它自身的子集，从包含关系的左边取一个元素使它不在右边集合中，显然是不可能的，因此。又假设存在集合，该集合不包含任何元素（空的集合），必定是每一个集合的子集，对任何子集A，要从中找到一个元素不在A中，显然是不可能的，因南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿5为没有元素，因此，A成立。对应于事件，称试验必然会出现的结果为必然事件。注意到以下等式总是成立的,,,,,,.AAAAAAAAA　　　　　　　　　　　　　　　上述事件间的关系与运算可由集合论中的文氏图予以展示。与集合运算一样，事件的运算亦有如下的运算律：1．交换律：ABBA，ABBA；2．结合律：()()ABCABC，()()ABCABC；3．分配律：()()()ABCABAC，()()()ABCABAC；4．对偶律：ABAB，ABAB。上述运算律亦可推广到任意有限个或可列个事件的情况。例如，对n个事件(1,2,,)iBin有分配律11nniiiiABAB，11nniiiiABAB对偶律留给读者自行写出。图1.7n个事件的关系图对可列个事件(1,2,,,)iAin的分配律也留给读者，此处给出有对偶律11iiiiAA及11iiiiAAA南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿6为帮助读者熟悉事件的运算。以三个集合为例，A、B和C的并集，如图1.8的文氏图是有用的。根据图1.8，请读者检验这些等式：,ABCABAAABABC()()(),()()()ABCABACABCABAC图1.8三个事件的关系图例已知一批机器螺钉中含有许多次品，随机抽取三个并检验。令,,ABC分别表示其第一、二、三次所抽到的螺钉是次品的事件。试用,,ABC及其运算表示下列事件：（1）第三次抽到正品；（2）只有第三次抽到次品；（3）恰有一次抽到次品；（4）至少有一次抽到次品；（5）不止一次抽到次品（或至少抽到两个次品）；（6）没有抽到次品。解（1）.C（2）.ABC（3）.ABCABCABC（4）.ABC（5）.ABACBC（6）CBACBA.□§1.2概率1.2.1频率与概率定义1.2.1称在相同条件下所做的n次试验中事件A发生的次数An为A发生的频数，并称比值Ann为事件A发生的频率，记作().AnnfAn定义1.2.2在相同条件下所做的n次试验中，当n时，事件A发生的频率()nfA稳定在某个常数p附近。称此常数p为事件A发生的概率，记作().PAp1.2.2概率的公理化定义南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿7定义1.2.3设试验E的样本空间为。对于中每一个事件A都赋予一个实数()PA，它具有以下三条基本性质：1.0()1PA；2.()1P；3.如果,,,321AAA是中任意一列两两互斥的事件(,)ijAAij当，无论有限或无限，如果123BAAA表示事件“至少出现一个iA”，则123()()()()PBPAPAPAiiAP)(或表示为11()iiiiPAPA，则称实数()PA为事件A的概率。利用概率的三条基本性质可以推导出概率的其他性质。4.()1()PAPA。证因AA，AA，故由基本性质2及3有1()()()()PPAAPAPA，移项即得。□5.不可能事件的概率为0，即()=0P。证因=，由基本性质3有()()()PPP再由性质1得()=0P。□注空集的概率为0，它被称之为不可能事件。但要注意的是这并不是意味着一个概率为0的事件A必须是“不可能”或者等于。将在后面举例说明。6.有限可加性：若事件12,,,nAAA两两互斥，则南京理工大学泰州科技学院基础部《概率论与数理统计》考研讲义初稿811()nniiiiPAPA证因121=niniAAAA，故121()niniPAPAAA，再由性质3和5即得。□注本性质从概率的可数可加性导出了有限可加性。7.若AB，则()()()PBAPBPA且()()PAPB。证由于AB，则()BABA，且A与()BA互斥，故由性质6有()()()PBPAPBA即()()()PBAPBPA。再由性质1，()0PBA，于是()()PAPB。□8.（加法定理）如果1A和2A是任何事件，不必是互斥事件，则121212()()()()PAAPAPAPAA证显然12112()AAAAA和21212()()AAAAA对于每一个等式来说右端的并集中的两个事件都是互斥事件。根据性质312112()()()PAAPAPAA21212()()()PAPAAPAA第二个等式给出12212()()()PAAPAPAA，把它代入第一个等式就得到了要证明的结论。□可将性质8推广到n个事件的情形：如果1A,2A,,nA是任何事件，不必是互斥事件，则1121111()()()(1)()nnniiijijkniiijnijknPAPAPAAPAAAPAAA