Пространство вероятностей - Википедия - Probability space

В теория вероятности, а вероятностное пространство или тройная вероятность ${ displaystyle ( Omega, { mathcal {F}}, P)}$ это математическая конструкция который обеспечивает формальную модель случайный процесс или «эксперимент». Например, можно определить вероятностное пространство, моделирующее бросание умереть.

Вероятностное пространство состоит из трех элементов:^[1]^[2]

А пространство образца, ${ displaystyle Omega}$ , который представляет собой набор всех возможных исходов.
An пространство событий, который представляет собой набор События ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ , событие представляет собой набор результаты в пространстве образца.
А функция вероятности, который присваивает каждому событию в пространстве событий вероятность - число от 0 до 1.

Чтобы предоставить разумную модель вероятности, эти элементы должны удовлетворять ряду аксиом, подробно описанных в статье.

В примере с броском стандартного кубика мы возьмем пространство образца равным ${ displaystyle {1,2,3,4,5,6 }}$ . Для пространства событий мы могли бы просто использовать набор всех подмножеств пространства выборки, которое затем будет содержать простые события, такие как ${ displaystyle {5 }}$ («кубик приземляется на 5»), а также сложные события, такие как ${ displaystyle {2,4,6 }}$ («кубик выпадает на четное число»). Наконец, для функции вероятности мы сопоставим каждое событие с количеством исходов в этом событии, деленным на 6 - так, например, ${ displaystyle {5 }}$ будет отображаться на ${ displaystyle 1/6}$ , и ${ displaystyle {2,4,6 }}$ будет отображаться на ${ Displaystyle 3/6 = 1/2}$ .

Когда проводится эксперимент, мы представляем, что «природа» «выбирает» единственный результат, ${ displaystyle omega}$ , из пробного пространства ${ displaystyle Omega}$ . Все события в пространстве событий ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ которые содержат выбранный результат ${ displaystyle omega}$ говорят, что «произошло». Этот «выбор» происходит таким образом, что если бы эксперимент повторялся много раз, количество повторений каждого события, как часть общего количества экспериментов, было бы стремиться к вероятности, присвоенной этому событию функцией вероятности. ${ displaystyle P}$ .

Русский математик Андрей Колмогоров ввел понятие вероятностного пространства вместе с другими аксиомы вероятности, в 1930-е гг. В современной теории вероятностей существует ряд альтернативных подходов к аксиоматизации - например, алгебра случайных величин.

Вступление

Вероятностное пространство - это математическая тройка ${ displaystyle ( Omega, { mathcal {F}}, P)}$ это представляет собой модель для определенного класса реальных ситуаций. Как и в случае с другими моделями, его автор в конечном итоге определяет, какие элементы ${ displaystyle Omega}$ , ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ , и ${ displaystyle P}$ будет содержать.

В пространство образца ${ displaystyle Omega}$ это набор всех возможных исходов. An исход является результатом однократного выполнения модели. Результатами могут быть состояния природы, возможности, экспериментальные результаты и т.п. Каждый случай реальной ситуации (или запуска эксперимента) должен давать ровно один результат. Если результаты разных прогонов эксперимента различаются каким-либо образом, это разные результаты. Какие различия имеют значение, зависит от того, какой анализ мы хотим провести. Это приводит к разному выбору пространства сэмплов.
В σ-алгебра ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ это собрание всех События мы хотели бы рассмотреть. Эта коллекция может включать или не включать каждый из элементарный События. Здесь «событие» - это набор из нуля или более результатов, т. Е. подмножество пространства образца. Событие считается «произошедшим» во время эксперимента, если его результат является элементом события. Поскольку один и тот же исход может быть частью многих событий, возможно, что многие события произошли при одном исходе. Например, когда проба состоит из броска двух кубиков, набор всех результатов с суммой 7 пунктов может составлять событие, тогда как результаты с нечетным количеством пунктов могут составлять другое событие. Если результатом является элемент элементарного события в два пункта на первом кубике и пять на втором, то считается, что оба события, «7 пунктов» и «нечетное количество пунктов», произошли.
В вероятностная мера ${ displaystyle P}$ это функция, возвращающая событие вероятность. Вероятность - это действительное число между нулем (невозможные события имеют нулевую вероятность, хотя события с нулевой вероятностью не обязательно невозможны) и единицей (событие происходит почти наверняка, с почти полной уверенностью). Таким образом ${ displaystyle P}$ это функция ${ Displaystyle P: { mathcal {F}} rightarrow [0,1]}$ . Функция вероятностной меры должна удовлетворять двум простым требованиям: во-первых, вероятность счетный объединение взаимоисключающих событий должно быть равно счетной сумме вероятностей каждого из этих событий. Например, вероятность объединения взаимоисключающих событий ${ displaystyle { text {Head}}}$ и ${ displaystyle { text {Хвост}}}$ в случайном эксперименте с одним подбрасыванием монеты, ${ displaystyle P ({ text {Head}} cup { text {Tail}})}$ , - сумма вероятностей для ${ displaystyle { text {Head}}}$ и вероятность ${ displaystyle { text {Хвост}}}$ , ${ displaystyle P ({ text {Head}}) + P ({ text {Tail}})}$ . Во-вторых, вероятность того, что пространство выборки ${ displaystyle Omega}$ должен быть равен 1 (что объясняет тот факт, что при выполнении модели должен произойти какой-то результат). В предыдущем примере вероятность набора исходов ${ displaystyle P ( {{ text {Head}}, { text {Tail}} })}$ должен быть равен единице, потому что совершенно очевидно, что результат будет либо ${ displaystyle { text {Head}}}$ или же ${ displaystyle { text {Хвост}}}$ (модель не учитывает любую другую возможность) за один бросок монеты.

Не все подмножества выборочного пространства ${ displaystyle Omega}$ обязательно должны рассматриваться как событие: некоторые из подмножеств просто не представляют интереса, другие не могут быть "измеренный". Это не так очевидно в случае подбрасывания монеты. В другом примере можно рассмотреть длину метания копья, где события обычно представляют собой интервалы типа «от 60 до 65 метров» и объединение таких интервалов, но не наборы, подобные «иррациональным числам между 60 и 65 метрами».

Определение

Короче говоря, вероятностное пространство - это измерить пространство такая, что мера всего пространства равна единице.

Расширенное определение следующее: вероятностное пространство - это тройка ${ displaystyle ( Omega, { mathcal {F}}, P)}$ состоящий из:

то пространство образца ${ displaystyle Omega}$ - произвольный непустой набор,
то σ-алгебра ${ Displaystyle { mathcal {F}} substeq 2 ^ { Omega}}$ ${ Displaystyle { mathcal {F}} substeq 2 ^ { Omega}}$ (также называемое σ-полем) - множество подмножеств ${ displaystyle Omega}$ $Омега$ , называется События, такое, что:
- ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ содержит пробел: ${ displaystyle Omega in { mathcal {F}}}$ ,
- ${ Displaystyle { mathcal {F}}}$ закрыт под дополняет: если ${ displaystyle A in { mathcal {F}}}$ , то также ${ displaystyle ( Omega setminus A) in { mathcal {F}}}$ ,
- ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ ${ mathcal {F}}$ закрыт под счетный союзы: если ${ displaystyle A_ {i} in { mathcal {F}}}$ ${ displaystyle A_ {i} in { mathcal {F}}}$ за ${ Displaystyle я = 1,2, точки}$ ${ Displaystyle я = 1,2, точки}$ , то также ${ displaystyle textstyle ( bigcup _ {я = 1} ^ { infty} A_ {i}) in { mathcal {F}}}$ ${ displaystyle textstyle ( bigcup _ {я = 1} ^ { infty} A_ {i}) in { mathcal {F}}}$
  - Следствие из двух предыдущих свойств и Закон де Моргана в том, что ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ также замкнуто относительно счетного перекрестки: если ${ displaystyle A_ {i} in { mathcal {F}}}$ за ${ Displaystyle я = 1,2, точки}$ , то также ${ displaystyle textstyle ( bigcap _ {я = 1} ^ { infty} A_ {i}) in { mathcal {F}}}$
то вероятностная мера ${ displaystyle P: { mathcal {F}} to [0,1]}$ ${ displaystyle P: { mathcal {F}} to [0,1]}$ - функция на ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ ${ mathcal {F}}$ такой, что:
- п является счетно аддитивный (также называемый σ-аддитивным): если ${ Displaystyle {A_ {я} } _ {я = 1} ^ { infty} substeq { mathcal {F}}}$ является счетным набором попарно непересекающиеся множества, тогда ${ displaystyle textstyle P ( bigcup _ {i = 1} ^ { infty} A_ {i}) = sum _ {i = 1} ^ { infty} P (A_ {i}),}$
- мера всего пространства отсчетов равна единице: ${ Displaystyle Р ( Омега) = 1}$ .

Дискретный корпус

Дискретная теория вероятностей требует только самое большое количество пробелы ${ displaystyle Omega}$ . Вероятности можно отнести к точкам ${ displaystyle Omega}$ посредством функция массы вероятности ${ displaystyle p: Omega to [0,1]}$ такой, что ${ displaystyle textstyle sum _ { left { omega in Omega right }} p ( omega) = 1}$ . Все подмножества ${ displaystyle Omega}$ можно рассматривать как события (таким образом, ${ Displaystyle { mathcal {F}} = 2 ^ { Omega}}$ это набор мощности ). Вероятностная мера принимает простой вид

{ Displaystyle (*) qquad P (A) = sum _ { omega in A} p ( omega) quad { text {для всех}} A substeq Omega.}

Наибольшая σ-алгебра

{ Displaystyle { mathcal {F}} = 2 ^ { Omega}}

описывает полную информацию. В общем случае σ-алгебра

{ Displaystyle { mathcal {F}} substeq 2 ^ { Omega}}

соответствует конечному или счетному раздел

{ Displaystyle Omega = B_ {1} чашка B_ {2} чашка точки}

, общая форма мероприятия

{ displaystyle A in { mathcal {F}}}

существование

{ Displaystyle A = B_ {k_ {1}} чашка B_ {k_ {2}} чашка точки}

. См. Также примеры.

Дело ${ displaystyle p ( omega) = 0}$ разрешено определением, но используется редко, так как такие ${ displaystyle omega}$ можно безопасно исключить из пробного пространства.

Общий случай

Если Ω есть бесчисленный, тем не менее, может случиться так, что п(ω) ≠ 0 для некоторых ω; такой ω называются атомы. Они не более чем счетные (возможно пустой ) множество, вероятность которого является суммой вероятностей всех атомов. Если эта сумма равна 1, то все остальные точки можно безопасно исключить из выборочного пространства, возвращая нас к дискретному случаю. В противном случае, если сумма вероятностей всех атомов находится между 0 и 1, то вероятностное пространство распадается на дискретную (атомарную) часть (возможно, пустую) и неатомный часть.

Неатомный случай

Если п(ω) = 0 для всех ω∈Ω (в этом случае Ω должно быть несчетным, поскольку в противном случае P (Ω) = 1 не могло быть выполнено), то уравнение (∗) не выполняется: вероятность набора не обязательно является суммой вероятностей его элементов, поскольку суммирование определено только для счетного числа элементов. Это делает теорию вероятностного пространства более технической. Формулировка сильнее суммирования, теория меры применимо. Первоначально вероятности приписываются некоторым «генераторным» установкам (см. Примеры). Затем процедура ограничения позволяет присваивать вероятности множествам, которые являются пределами последовательностей генераторных установок или пределами пределов и т. Д. Все эти множества являются σ-алгеброй ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ . Технические подробности см. Теорема Каратеодори о продолжении. Наборы, принадлежащие ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ называются измеримый. В целом они намного сложнее, чем генераторные установки, но намного лучше, чем неизмеримые множества.

Полное вероятностное пространство

Вероятностное пространство ${ Displaystyle ( Omega, ; { mathcal {F}}, ; P)}$ называется полным вероятностным пространством, если для всех ${ Displaystyle B , in , { mathcal {F}}}$ с ${ Displaystyle Р (В) , = ; 0}$ и все ${ Displaystyle A ; подмножество ; B}$ надо ${ Displaystyle A ; in ; { mathcal {F}}}$ . Часто изучение вероятностных пространств ограничивается полными вероятностными пространствами.

Примеры

Дискретные примеры

Пример 1

Если эксперимент состоит из одного переворота честная монета, то результат либо орел, либо решка: ${ displaystyle Omega = {{ text {H}}, { text {T}} }}$ . Σ-алгебра ${ Displaystyle { mathcal {F}} = 2 ^ { Omega}}$ содержит ${ displaystyle 2 ^ {2} = 4}$ события, а именно: ${ displaystyle {{ text {H}} }}$ («Головы»), ${ displaystyle {{ text {T}} }}$ («Решки»), ${ Displaystyle {}}$ («Ни орла, ни решки»), и ${ displaystyle {{ text {H}}, { text {T}} }}$ («Орел или решка»); другими словами, ${ displaystyle { mathcal {F}} = { {}, {{ text {H}} }, {{ text {T}} }, {{ text {H} }, { text {T}} } }}$ . Вероятность подбрасывания орлов составляет пятьдесят процентов, а решки - пятьдесят процентов, поэтому мера вероятности в этом примере равна ${ Displaystyle Р ( {}) = 0}$ , ${ Displaystyle Р ( {{ текст {H}} }) = 0,5}$ , ${ Displaystyle Р ( {{ текст {T}} }) = 0,5}$ , ${ Displaystyle P ( {{ text {H}}, { text {T}} }) = 1}$ .

Пример 2

Честная монета подбрасывается трижды. Существует 8 возможных исходов: Ω = {HHH, HHT, HTH, HTT, THH, THT, TTH, TTT} (здесь «HTH», например, означает, что первая монета выпала орлом, второй раз решка и последний раз снова головы). Полная информация описывается σ-алгеброй ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ = 2^Ω из 2⁸ = 256 событий, где каждое из событий является подмножеством Ω.

Алиса знает только результат второго броска. Таким образом, ее неполная информация описывается разбиением Ω = A₁ ⊔ А₂ = {HHH, HHT, THH, THT} ⊔ {HTH, HTT, TTH, TTT}, где ⊔ - несвязный союз, а соответствующая σ-алгебра ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Алиса = {{}, А₁, А₂, Ω}. Брайан знает только общее количество решек. Его разбиение состоит из четырех частей: Ω = B₀ ⊔ B₁ ⊔ B₂ ⊔ B₃ = {HHH} ⊔ {HHT, HTH, THH} ⊔ {TTH, THT, HTT} ⊔ {TTT}; соответственно, его σ-алгебра ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Брайан содержит 2⁴ = 16 событий.

Две σ-алгебры суть несравненный: ни один ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Алиса ⊆ ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Брайан ни ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Брайан ⊆ ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Алиса; обе являются суб-σ-алгебрами в 2^Ω.

Пример 3

Если 100 избирателей должны быть выбраны случайным образом из числа всех избирателей в Калифорнии и их спросить, за кого они будут голосовать за губернатора, тогда набор всех последовательности из 100 калифорнийских избирателей будет пробным пространством Ω. Мы предполагаем, что отбор проб без замены используется: только последовательности из 100 разные избиратели допускаются. Для простоты рассматривается упорядоченный образец, то есть последовательность {Алиса, Брайан} отличается от {Брайан, Алиса}. Мы также считаем само собой разумеющимся, что каждый потенциальный избиратель точно знает свой будущий выбор, то есть он не выбирает случайным образом.

Алиса знает только то, Арнольд Шварцнеггер получил не менее 60 голосов. Ее неполная информация описывается σ-алгеброй ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Алиса который содержит: (1) множество всех последовательностей в Ω, в которых не менее 60 человек голосуют за Шварценеггера; (2) набор всех последовательностей, в которых менее 60 голосуют за Шварценеггера; (3) все пространство отсчетов Ω; и (4) пустое множество ∅.

Брайан знает точное количество избирателей, которые проголосуют за Шварценеггера. Его неполная информация описывается соответствующим разбиением Ω = B₀ ⊔ B₁ ... ⊔ B₁₀₀ и σ-алгебра ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Брайан состоит из 2¹⁰¹ События.

В этом случае σ-алгебра Алисы является подмножеством алгебры Брайана: ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Алиса ⊂ ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ _Брайан. Σ-алгебра Брайана, в свою очередь, является подмножеством гораздо большей «полной информации» σ-алгебры 2.^Ω состоящий из 2^{п(п−1)...(п−99)} события, где п число всех потенциальных избирателей в Калифорнии.

Неатомные примеры

Пример 4

Число от 0 до 1 выбирается случайно и равномерно. Здесь Ω = [0,1], ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ является σ-алгеброй Наборы Бореля на Ω и п это Мера Лебега на [0,1].

В этом случае открытые интервалы вида (а,б), где 0 <а < б <1, можно было бы принять за генераторные установки. Каждому такому набору можно приписать вероятность п((а,б)) = (б − а), что порождает Мера Лебега на [0,1], а Борелевская σ-алгебра на Ω.

Пример 5

Честная монета подбрасывается бесконечно. Здесь можно взять Ω = {0,1}^∞, множество всех бесконечных последовательностей чисел 0 и 1. Комплекты цилиндров {(Икс₁, Икс₂, ...) ∈ Ω: Икс₁ = а₁, ..., Икс_п = а_п} могут использоваться как генераторные установки. Каждый такой набор описывает событие, в котором первый п броски привели к фиксированной последовательности (а₁, ..., а_п), а остальная часть последовательности может быть произвольной. Каждому такому событию естественным образом можно дать вероятность 2^−п.

Эти два неатомарных примера тесно связаны: последовательность (Икс₁,Икс₂,...) ∈ {0,1}^∞ ведет к числу 2⁻¹Икс₁ + 2⁻²Икс₂ + ... ∈ [0,1]. Это не индивидуальная переписка между {0,1}^∞ и [0,1] однако: это изоморфизм по модулю нуля, что позволяет рассматривать два вероятностных пространства как две формы одного и того же вероятностного пространства. Фактически, все непатологические неатомарные вероятностные пространства в этом смысле одинаковы. Они так называемые стандартные вероятностные пространства. Базовые приложения вероятностных пространств нечувствительны к стандартности. Однако недискретное обусловливание легко и естественно в стандартных вероятностных пространствах, иначе оно становится неясным.

Связанные понятия

Распределение вероятностей

Любой распределение вероятностей определяет вероятностную меру.

Случайные переменные

А случайная переменная Икс это измеримая функция Икс: Ω → S из выборочного пространства Ω в другое измеримое пространство S называется пространство состояний.

Если А ⊂ S, обозначение Pr (Икс ∈ А) - это обычно используемое сокращение для п({ω ∈ Ω: Икс(ω) ∈ А}).

Определение событий с точки зрения пространства выборки

Если Ω есть счетный мы почти всегда определяем ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ как набор мощности Ω, т. е. ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ = 2^Ω которая тривиально является σ-алгеброй и самой большой алгеброй, которую мы можем создать с помощью Ω. Поэтому мы можем опустить ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ и просто напишите (Ω, P), чтобы определить вероятностное пространство.

С другой стороны, если Ω является бесчисленный и мы используем ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ = 2^Ω у нас возникают проблемы с определением нашей вероятностной меры п потому что ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ слишком «большой», то есть часто будут наборы, которым невозможно присвоить уникальную меру. В этом случае мы должны использовать меньшую σ-алгебру ${ Displaystyle scriptstyle { mathcal {F}}}$ , например Борелевская алгебра множества Ω, являющейся наименьшей σ-алгеброй, делающей все открытые множества измеримыми.

Условная возможность

Колмогоровское определение вероятностных пространств дает начало естественной концепции условная возможность. Каждый набор А с ненулевой вероятностью (то есть п(А)> 0) определяет другую вероятностную меру

{ Displaystyle P (B | A) = {P (B cap A) над P (A)}}

на пространстве. Обычно это произносится как «вероятность B данный А”.

На любое мероприятие B такой, что п(B)> 0 функция Q определяется Q(А) = п(А|B) для всех событий А сам по себе является вероятностной мерой.

Независимость

Два события, А и B как говорят независимый если п(А∩B)=п(А)п(B).

Две случайные величины, Икс и Y, считаются независимыми, если какое-либо событие определяется с помощью Икс не зависит от какого-либо события, определенного в терминах Y. Формально они порождают независимые σ-алгебры, где две σ-алгебры грамм и ЧАС, которые являются подмножествами F называются независимыми, если любой элемент грамм не зависит от какого-либо элемента ЧАС.

Взаимная эксклюзивность

Два события, А и B как говорят взаимоисключающий или же непересекающийся если возникновение одного влечет за собой отсутствие другого, т.е. их пересечение пусто. Это более сильное условие, чем вероятность их пересечения нулю.

Если А и B являются непересекающимися событиями, то п(А∪B) = п(А) + п(B). Это распространяется на (конечную или счетно бесконечную) последовательность событий. Однако вероятность объединения бесчисленного множества событий не является суммой их вероятностей. Например, если Z это нормально распределенный случайная величина, тогда п(Z=Икс) равно 0 для любого Икс, но п(Z∈р) = 1.

Событие А∩B упоминается как "А и B», И событие А∪B в качестве "А или же B”.

Смотрите также

Библиография

Пьер Симон де Лаплас (1812) Аналитическая теория вероятностей

Первый крупный трактат, сочетающий исчисление с теорией вероятностей, первоначально на французском языке: Аналитическая теория вероятностей.

Андрей Николаевич Колмогоров (1950) Основы теории вероятностей

Современные теоретико-меры теории вероятностей; оригинальная немецкая версия (Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitrechnung) появился в 1933 году.

Гарольд Джеффрис (1939) Теория вероятности

Эмпирик, байесовский подход к основам теории вероятностей.

Эдвард Нельсон (1987) Радикально элементарная теория вероятностей

Основы теории вероятностей на основе нестандартного анализа. Загружаемый. http://www.math.princeton.edu/~nelson/books.html

Патрик Биллингсли: Вероятность и мера, Джон Уайли и сыновья, Нью-Йорк, Торонто, Лондон, 1979.
Хенк Таймс (2004) Понимание вероятности

Живое введение в теорию вероятностей для начинающих, Cambridge Univ. Нажмите.

Дэвид Уильямс (1991) Вероятность с мартингалами

Введение для студентов в теоретико-мерную вероятность, Cambridge Univ. Нажмите.

Gut, Аллан (2005). Вероятность: выпускной курс. Springer. ISBN 0-387-22833-0.

внешняя ссылка

Сазонов, В. (2001) [1994], «Пространство вероятностей», Энциклопедия математики, EMS Press
Анимация демонстрация вероятностного пространства игральных костей
Виртуальные лаборатории теории вероятностей и статистики (главный автор Кайл Зигрист), особенно, Пространства вероятностей
Citizendium
Полное вероятностное пространство
Вайсштейн, Эрик В. «Пространство вероятностей». MathWorld.

[1] Loève, Мишель. Теория вероятностей, Том 1. Нью-Йорк: D. Van Nostrand Company, 1955.

[2] Строок, Д. В. (1999). Теория вероятностей: аналитический взгляд. Издательство Кембриджского университета.

[1]

[2]