SERIES · 概率论与数理统计

1 随机试验和随机事件

2024-08-15 · 10 min read · by GUMP

1 随机试验和随机事件

介绍随机试验、样本空间与事件等概念,并用集合运算表达事件的并、交、补与差及其性质。

随机试验和随机事件

一 基本概念

  1. 随机试验(Random Experiment): 随机试验是指在相同的条件下可以重复进行的实验,每次实验的结果是不确定的,即具有随机性质。例如,掷一枚骰子、抽一张扑克牌、测量某物理现象的实验等都可以是随机试验。
  2. 基本事件(Sample Space): 在随机试验中,所有可能的结果组成的集合称为基本事件。这个集合通常用符号S*S*表示,称为样本空间。样本空间包含了试验的所有可能结果。例如,掷一枚六面的骰子,样本空间就是6
  3. 事件(Event): 事件是样本空间的子集,即样本空间中的一些结果组成的集合。事件通常用大写字母表示,比如A*A*B*B*等。事件可以包括一个或多个基本事件。例如,掷一枚骰子,事件A*A*可以表示出现偶数,对应的基本事件为6
  4. 事件:有一个或若干个基本事件组成的随机试验的一个结果。通常用英文大写字母A,B,CA, B, C等表示,或{一种叙述}\{一种叙述\}来表示。
  5. 必然事件和不可能事件
    1. 必然事件:在随机试验中,必然会发生的事件,通常用ΩΩSS表示
    2. 不可能事件:在随机试验中不可能发生的事件。通常用ϕ\phi表示

二 事件的运算

事件与集合一一对应 SS:空间 事件:集合 基本事件:空间中的“点” \therefore 事件运算转到集合运算

  1. 子事件 AA发生蕴含事件B发生,称事件AA为事件BB的子事件,记为ABA\sub BAB, BAA\sub B,\ B\sub A则称A=BA=B

  2. 事件的和 {事件A发生或事件B发生}\{事件A发生或事件B发生\}这个事件称为事件A与事件B的和,记为AB(A+B)A\cup B(A+B) A+B={A,B中至少发生一个}A+B=\{A,B中至少发生一个\} 推广:nn个事件的和 {A1发生或A2发生An发生}={A1,A2,,An至少有一个发生}\{A_1发生或A_2发生…或A_n发生\}=\{A_1,A_2,…,A_n至少有一个发生\} 称为事件A1,A2,,AnA_1,A_2,…,A_n的和,记为A1A2An=i=1nAiA_1\cup A_2\cup ···\cup A_n=\displaystyle \bigcup_{i=1}^{n}A_i

  3. 事件的积 事件{A,B同时发生}\{A,B同时发生\}称为事件AABB的积,记为ABA\cap BABA·BABAB 推广:事件{A1,A2,,An同时发生}\{A_1,A_2,…,A_n同时发生\} 称为事件A1,,AnA_1,…,A_n的积,记为A1A2AnA_1\cap A_2 … \cap A_n(或者A1A2AnA_1A_2…A_n) 或i=1nAi\displaystyle \bigcap_{i=1}^{n}A_i

  4. 对立事件:事件{A不发生}\{A不发生\}称为事件AA的对立事件,记为Aˉ\bar AAcA^c

    AAˉ=ϕA\cap\bar A=\phi

    AAˉ=SA1A2An{A1A2An中至少一个发生}cAˉ1Aˉ2AˉnA\cup\bar A= S\\ A_1\cup A_2\cup…\cup A_n\Rightarrow \{A_1\cup A_2\cup…\cup A_n中至少一个发生\}^c\Rightarrow \bar A_1\cap \bar A_2\cap…\cap\bar A_n

    B={A1,A2,,An中至少有k个事件发生}B=\{A_1,A_2,…,A_n中至少有k个事件发生\}

    • BB的对立事件

      对于事件 B=A1,A2,,AnB={A_1,A_2,\ldots,A_n} 中至少有 kk 个事件发生的情况,其对立事件是至多有 k1k-1 个事件发生的情况。我们可以表示对立事件为 B\overline{B}

      在这种情况下,B\overline{B} 表示的是至多有 k1k-1 个事件发生的情况。换句话说,B\overline{B} 是事件 BB 的补集。

      数学上,我们可以使用概率的补集公式来表示对立事件:

      B=1P(B)\overline{B}=1-P(B)

      其中,P(B)P(B)是事件 BB 发生的概率。

      请注意,这里的概率计算基于具体的事件 A1,A2,,AnA_1,A_2,\ldots,A_n 的概率分布情况。如果已知每个事件发生的概率,可以使用这些概率来计算 P(B)P(B)B\overline{B} 的概率。

    对偶公式:

A1A2An=A1A2AnA1A2An=A1A2An\overline{A_{1}\cup A_{2}\cup\cdots \cup A_{n}}=\overline{A_{1}}\cap\overline{A_{2}}\cap\cdots \cap\overline{A_{n}}\\ \overline{A_{1}\cap A_2\cap\cdots \cap A_{n}}={\overline A_{1}\cup \overline A_{2}\cup \cdots \cup \overline A_{n}}

  • 德摩根律
    1. 德摩根定律

      德摩根定律有多种形式,在集合中的形式如下:

      AB=AB \overline{A\cup B}=\overline{A}\cap\overline{B} AB=AB\overline{A\cap B}=\overline A\cup\overline{B}

      我们可以用生活中的例子也来理解该定理,假设某学校举办运动会,AA代表“去跑步”的同学,BB 代表“去跳远”的同学,ABA\cup B 表示“去跑步或跳远”的同学,所以有:

      AB“不去跑步或跳远”=AB“既不去跑步也不去跳远”\underbrace{\overline{A\cup B}}_{\large “不去跑步或跳远”}=\underbrace{\overline{A}\cap\overline{B}}_{\large “既不去跑步也不去跳远”}

      ABA\cap B 表示“既跑步又跳远”,所以有:

      AB“不去跑步或跳远”=AB“既不去跑步也不去跳远”\underbrace{\overline{A\cup B}}_{\large “不去跑步或跳远”}=\underbrace{\overline{A}\cap\overline{B}}_{\large “既不去跑步也不去跳远”}

    2. Venn 图

      也可以通过 Venn 图来理解德摩根定律,首先是第一个公式AB=AB\overline{A\cup B}=\overline{A}\cap\overline{B}:

      content-image-1

      然后是第二个公式AB=AB\overline{A\cap B}=A\cup\overline{B}:

      content-image-1

ABC=AAˉBAˉBˉCA\cup B\cup C =A\cup\bar{A}B\cup\bar{A}\bar{B}C

  1. 事件的差

    {A发生,B不发生}\{A发生,B不发生\}这一事件称为AABB的差,记为ABA\overline BABA-B

    AB=(AB)AB(BA)=(AB)+(AB)+(BA)A\cup B=(A-B)\cup AB\cup (B-A)=(A\overline{B})+(AB)+(B\overline{A})