概率论一至三章精讲
这份讲义假设你上课一句没听懂,从“什么叫样本空间”讲起,一直讲到“两个随机变量之和的密度”。每个公式都先讲它在说什么,再讲怎么用;课件里的例题我都重新拆成了一步一步的解答。
第三章课件开头那张表是整章的骨架,先记住它的形状,后面每一节都是在填其中一格:
| 联合 | 边缘 | 条件 | 独立 | |
|---|---|---|---|---|
| 一般(任何类型) | 联合分布函数 \(F(x,y)\) | \(F_X(x),F_Y(y)\) | 条件分布函数 | 相互独立 (联合 = 边缘之积) |
| 离散型 | 联合分布律 \(p_{ij}\) | \(p_{i\cdot},\,p_{\cdot j}\) | 条件分布律 | |
| 连续型 | 联合密度 \(f(x,y)\) | \(f_X(x),f_Y(y)\) | 条件密度 |
概率论的基本概念
这一章只做两件事:先学会把“一件事”写成集合(事件),再学会给集合算概率。后面两章所有内容都建立在这两件事上。
随机试验与样本空间
把“做一次试验”可能出现的所有结果列成一个集合,这个集合叫样本空间 \(S\)。以后算任何概率,都是在 \(S\) 里面算。
先分清两种现象
确定性现象:条件给定,结果就定了。往上抛石子必然落下,同性电荷必然相斥。
随机现象:条件一样,单做一次结果不确定;可是重复做很多次,结果又呈现稳定的规律。比如抛硬币,单抛一次猜不准,抛一万次正面差不多占一半。概率论研究的就是这种“单次不可测、大量有规律”的现象。
随机试验 \(E\):满足三个条件的试验
- 可重复:能在相同条件下反复做。
- 结果可列举:可能的结果不止一个,但做之前就知道一共有哪些。
- 单次不可预知:做之前不知道这一次会出现哪个。
样本空间 \(S\) 与样本点 \(e\)
试验所有可能结果组成的集合叫样本空间 \(S\);其中每一个结果叫样本点。把课件里的 7 个试验放在一起看:
| 试验 | 样本空间 | 元素个数 |
|---|---|---|
| \(E_1\):抛一枚硬币看正反 | \(S_1=\{H,T\}\) | 有限 |
| \(E_2\):抛硬币 3 次,看正反序列 | \(S_2=\{HHH,HHT,HTH,HTT,THH,THT,TTH,TTT\}\) | 有限(8 个) |
| \(E_3\):抛硬币 3 次,看正面次数 | \(S_3=\{0,1,2,3\}\) | 有限(4 个) |
| \(E_4\):掷骰子看点数 | \(S_4=\{1,2,3,4,5,6\}\) | 有限 |
| \(E_5\):总机 9–10 点接到的电话数 | \(S_5=\{0,1,2,\dots\}\) | 可列无穷 |
| \(E_6\):灯泡寿命 | \(S_6=\{t\mid t\ge 0\}\) | 不可列(一段区间) |
| \(E_7\):一天的最低温 \(x\)、最高温 \(y\) | \(S_7=\{(x,y)\mid T_1\le x\le y\le T_2\}\) | 平面上的一块区域 |
\(E_2\) 和 \(E_3\) 做的是同一个动作(抛 3 次硬币),样本空间却不一样。样本空间由“你观察什么”决定,而不是由“你做了什么动作”决定。做题第一步永远是想清楚:这次试验的一个“结果”长什么样。
从 1、2、3 号三个球中有放回地连取两次,记录两次的号码(有顺序)。样本空间有几个样本点?
随机事件的关系与运算
事件就是样本空间 \(S\) 的一个子集。“事件 \(A\) 发生”的意思是:这次试验的结果落在 \(A\) 这个子集里。所以事件的运算就是集合的运算,只是要学会用“发生/不发生”的话来读它。
事件 = 子集
还是抛 3 次硬币(\(S_2\),8 个样本点):
- \(A_1\)“第一次是正面” \(=\{HHH,HHT,HTH,HTT\}\),4 个样本点。
- \(A_2\)“三次同一面” \(=\{HHH,TTT\}\)。
- \(A_3\)“三次都是正面” \(=\{HHH\}\),只有一个样本点,叫基本事件。
如果这次抛出来是 \(HTH\),那么 \(A_1\) 发生了(\(HTH\in A_1\)),\(A_2\)、\(A_3\) 没发生。
两个极端:\(S\) 本身也是子集,每次必然发生,叫必然事件;空集 \(\varnothing\) 一个样本点都没有,永远不会发生,叫不可能事件。
关系与运算:集合语言 ↔ 概率语言
这张表是第一章最需要背熟的东西。右边一列是做应用题时“把中文翻成符号”的依据。
| 记号 | 集合意义 | 读成“事件”的话 |
|---|---|---|
| \(A\subset B\) | \(A\) 的点都在 \(B\) 里 | \(A\) 发生,\(B\) 一定发生 |
| \(A\cup B\)(也写 \(A+B\)) | 并集 | \(A\)、\(B\) 至少一个发生 |
| \(A\cap B\)(也写 \(AB\)) | 交集 | \(A\)、\(B\) 同时发生 |
| \(A-B\) | 在 \(A\) 中但不在 \(B\) 中 | \(A\) 发生而 \(B\) 不发生 |
| \(AB=\varnothing\) | 不相交 | \(A\)、\(B\) 互斥(互不相容),不能同时发生 |
| \(\bar A\) | \(S-A\)(补集) | \(A\) 不发生,叫 \(A\) 的对立事件 |
互斥 vs 对立:别混
- 互斥:\(AB=\varnothing\),只要求“不能同时发生”。可以两个都不发生。
- 对立:\(AB=\varnothing\) 且 \(A\cup B=S\),要求“有且只有一个发生”。
例:掷骰子,\(A=\{1\}\)、\(B=\{2\}\) 互斥但不对立(掷出 3 时两者都没发生);\(A=\{1,3,5\}\)、\(B=\{2,4,6\}\) 对立。对立一定互斥,互斥不一定对立。课件还特意提醒:“互斥”和“独立”是两回事,独立要到 1.6 节才讲。
运算律
和集合运算完全一样。交换律、结合律、分配律跟数的运算类似(把 \(\cup\) 想成加、\(\cap\) 想成乘)。真正要花时间记的是下面三条:
用中文读一遍德摩根律就不会忘:“\(A,B\) 至少一个发生”的反面是“\(A,B\) 都不发生”;“\(A,B\) 同时发生”的反面是“\(A,B\) 至少有一个没发生”。
看解答
思路:从最外层的长横开始,一层层用德摩根律往里拆,最后用分配律合并。
第 1 步:拆最外层长横(“交”变“并”,两块各自取反) \[ =\overline{\bar A\bar B\cup C}\ \cup\ \overline{\overline{AC}} = \overline{\bar A\bar B\cup C}\ \cup\ AC \]第二块是“双重否定”,\(\overline{\overline{AC}}=AC\)。
第 2 步:拆 \(\overline{\bar A\bar B\cup C}\) \[ \overline{\bar A\bar B\cup C}=\overline{\bar A\bar B}\cap\bar C=(A\cup B)\bar C \] 第 3 步:分配律展开、重新组合 \[ (A\cup B)\bar C\cup AC = A\bar C\cup B\bar C\cup AC = A(\bar C\cup C)\cup B\bar C = A\cup B\bar C \]最后一步用到 \(\bar C\cup C=S\)、\(A\cap S=A\)。答案:\(A\cup B\bar C\)。
看解答
(1) “都不发生” = 每个都不发生,同时成立:\(\bar A\bar B\bar C\)。由德摩根律它也等于 \(\overline{A\cup B\cup C}\),即“至少一个发生”的反面。
(2) “不都发生” = “都发生”的反面:\(\overline{ABC}=\bar A\cup\bar B\cup\bar C\),即“至少一个不发生”。
注意区分:“都不发生”是 \(\bar A\bar B\bar C\),“不都发生”是 \(\overline{ABC}\)。差一个字,意思完全不同。
“\(A\)、\(B\)、\(C\) 中恰好有一个发生”应该写成?
频率与概率
频率是“做了 \(n\) 次,\(A\) 发生了几成”,会随实验波动;概率是频率最终稳定到的那个数。数学上,概率被定义成满足三条规则(公理)的函数,所有性质都从这三条推出来。
频率
做 \(n\) 次试验,事件 \(A\) 发生了 \(n_A\) 次(频数),比值 \(f_n(A)=n_A/n\) 叫频率。它天然满足:\(0\le f_n(A)\le 1\);\(f_n(S)=1\);\(A,B\) 互斥时 \(f_n(A\cup B)=f_n(A)+f_n(B)\)。
历史上德·摩根、蒲丰、皮尔逊抛过上万次硬币,频率分别是 0.5181、0.5069、0.5016、0.5005:次数越多,频率越稳定在 0.5 附近。你可以在下面自己抛:
概率的公理化定义(三条规则)
给每个事件 \(A\) 配一个实数 \(P(A)\),只要满足下面三条,就叫概率:
直观理解:把概率想成“面积”。整个 \(S\) 面积为 1;面积不会是负的;互不重叠的几块拼起来,总面积等于各块相加。下面所有性质都可以用“面积”去想。
由公理推出的性质
- \(P(\varnothing)=0\)。(空集没有面积。)
- 有限可加:\(A_1,\dots,A_n\) 两两互斥 ⇒ \(P(A_1\cup\dots\cup A_n)=\sum P(A_i)\)。
- 对立事件:\(P(\bar A)=1-P(A)\)。(\(A\) 和 \(\bar A\) 互斥,拼起来是 \(S\)。)这条极常用:“至少一个”往往从反面“一个都没有”算。
- 包含:若 \(A\subset B\),则 \(P(B-A)=P(B)-P(A)\),从而 \(P(A)\le P(B)\)。
- 一般减法(不要求包含):\(P(A-B)=P(A\bar B)=P(A)-P(AB)\)。
- 加法公式(最重要): \[ P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(AB) \] 为什么要减 \(P(AB)\)?因为 \(P(A)+P(B)\) 把重叠部分 \(AB\) 算了两次,要扣掉一次。
- 三个事件(容斥原理): \[ P(A\cup B\cup C)=P(A)+P(B)+P(C)-P(AB)-P(AC)-P(BC)+P(ABC) \] 规律:单个的加、两两交的减、三个交的加,正负交替。
看解答
设 \(A_i\)=“能答出第 \(i\) 类”,已知 \(P(A_1)=0.7,\ P(A_2)=0.2,\ P(A_1A_2)=0.1\)。
先画韦恩图把四块面积都填出来,三问就一目了然:只有 \(A_1\):\(0.7-0.1=0.6\);只有 \(A_2\):\(0.2-0.1=0.1\);两者都有:0.1;两者都没有:\(1-0.6-0.1-0.1=0.2\)。
(1) \(P(A_1\bar A_2)=P(A_1)-P(A_1A_2)=0.7-0.1=0.6\)
(2) \(P(A_1\cup A_2)=0.7+0.2-0.1=0.8\)
(3) \(P(\bar A_1\bar A_2)=P(\overline{A_1\cup A_2})=1-0.8=0.2\)(德摩根律 + 对立事件)
\(P(A\cup B)=P(A)+P(B)\) 只在 \(A,B\) 互斥时成立。不互斥时直接相加会多算重叠部分,甚至算出大于 1 的“概率”(比如 0.7+0.6=1.3)。
已知 \(P(A)=0.5,\ P(B)=0.4,\ P(A\cup B)=0.7\),则 \(P(A\bar B)=\)?
古典概型与几何概型
当所有结果等可能时,概率就是“数个数”(古典概型:\(k/n\))或“量大小”(几何概型:长度/面积之比)。难点不在公式,在于把样本点数对。
古典概型
满足两个条件:① 样本点只有有限个 \(S=\{e_1,\dots,e_n\}\);② 每个样本点出现的可能性相同。那么
比如掷骰子,“奇数点”包含 3 个样本点,\(P=3/6\)。
数数的工具(高中知识,快速回顾)
- 乘法原理:分步完成,第一步 \(m\) 种、第二步 \(n\) 种,共 \(m\times n\) 种。
- 排列(讲顺序):从 \(n\) 个里取 \(k\) 个排成一列,\(A_n^k=n(n-1)\cdots(n-k+1)=\dfrac{n!}{(n-k)!}\)。
- 组合(不讲顺序):从 \(n\) 个里取 \(k\) 个,\(C_n^k=\dbinom nk=\dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}\)。
- 判断用哪个:把选出来的东西换个顺序,算不算一种新结果?算 → 排列;不算 → 组合。
分子和分母必须用同一种数法。分母用了组合(不讲顺序),分子也必须用组合;分母用排列,分子也用排列。混用必错。
看解答
1~9 中奇数 5 个(1,3,5,7,9),偶数 4 个。和为奇数 ⇔ 取到的奇数有奇数个,取 4 个只能是“1 奇 3 偶”或“3 奇 1 偶”。
总数:\(C_9^4=126\)。“1 奇 3 偶”:\(C_5^1C_4^3=5\times4=20\);“3 奇 1 偶”:\(C_5^3C_4^1=10\times4=40\)。
\[ P=\frac{20+40}{126}=\frac{10}{21}\approx 0.476 \]看解答
总数 \(C_8^2=28\)。
(1) \(P(A)=C_5^2/C_8^2=10/28=5/14\)。
(2) 同色 = 两红 或 两白,两者互斥,可以直接相加:\(P(B)=\dfrac{C_5^2+C_3^2}{28}=\dfrac{10+3}{28}=\dfrac{13}{28}\)。
这正是“有限可加性”的用法:\(B=A\cup C\)(\(C\)=两白),\(AC=\varnothing\),所以 \(P(B)=P(A)+P(C)\)。
看解答
“至少一人”直接算要分 1 人、2 人……1000 人,太麻烦。从反面算:\(\bar A\)=“没有一个人生日是元旦”,每人都有 364 种选择:
\[ P(\bar A)=\frac{364^{1000}}{365^{1000}}\approx 0.064,\qquad P(A)=1-0.064=0.936 \]记住这个套路:看到“至少一个”,先想对立事件“一个都没有”。
生日问题:直觉常常会错
班上 \(n\) 人,至少两人同一天生日的概率。反面“所有人生日都不同”:第 1 人随便,第 2 人避开 1 天,第 3 人避开 2 天……
23 个人就超过一半了,50 人时约 0.97。原因是“任意两人配对”的组数增长得很快:23 人就有 \(C_{23}^2=253\) 对。
抽签公平吗?(例 8)
看解答
有放回:每次袋子都一样,\(p=\dfrac{a}{a+b}\)。
不放回:把 \(k\) 个人取的球排成一列,总排法 \(A_{a+b}^k\)。要求第 \(i\) 个位置是白球:这个位置有 \(a\) 种选法,其余 \(k-1\) 个位置从剩下 \(a+b-1\) 个球中排,\(A_{a+b-1}^{k-1}\) 种:
\[ p=\frac{a\cdot A_{a+b-1}^{k-1}}{A_{a+b}^{k}}=\frac{a}{a+b} \]和 \(i\) 无关!不放回抽签,第几个抽都一样,抽签是公平的,不用抢。直观理解:如果不看前面的人抽到什么,第 \(i\) 个人手里那个球是“随便哪个球”的可能性都一样。
几何概型
样本点有无穷多个、落在区域 \(S\) 内“均匀”时,概率 = 子区域的度量(长度、面积、体积)占比:
课件例 4:在 \([0,1]\) 上投针,落在 \([0.2,0.5]\) 的概率 \(=0.3/1=0.3\)。例 5:50000 平方公里海域里 40 平方公里有石油,随便钻一点,钻到石油的概率 \(=40/50000=0.0008\)。
看解答
设两人分别在 8 点 \(x\) 分、8 点 \(y\) 分到达。样本空间是边长 60 的正方形 \(\{(x,y):0\le x,y\le 60\}\),面积 \(60^2\)。
能见面 ⇔ 两人到达时间相差不超过 20 分钟 ⇔ \(|x-y|\le 20\)。这是正方形里对角线两侧的一条带子。带子外面是两个直角边为 40 的三角形:
\[ P=1-\frac{2\times\frac12\times 40^2}{60^2}=1-\frac{1600}{3600}=\frac59 \]下面可以拖动等候时间,再随机撒点,看撒点估计是否接近精确值。
10 件产品中 3 件次品,任取 3 件,恰有 1 件次品的概率是?
条件概率与乘法公式
\(P(B\mid A)\) 是“已经知道 \(A\) 发生了,再看 \(B\) 的概率”。知道 \(A\) 发生,等于把样本空间缩小成 \(A\);在这个小世界里,\(B\) 只剩 \(AB\) 那一块。所以 \(P(B\mid A)=\dfrac{P(AB)}{P(A)}\)。
从核酸检测说起
一个小区 10000 人,按金标准 1000 人感染、9000 人未感染。某检测方法的结果:
| 检测阳性 \(B\) | 检测阴性 \(\bar B\) | 合计 | |
|---|---|---|---|
| 感染 \(A\) | 900 | 100 | 1000 |
| 未感染 \(\bar A\) | 30 | 8970 | 9000 |
- 假阴性率“已感染,却测出阴性”:只看感染那一行(1000 人),其中 100 人阴性,\(P(\bar B\mid A)=100/1000=0.1\)。
- 假阳性率“未感染,却测出阳性”:只看未感染那一行,\(P(B\mid\bar A)=30/9000\approx0.33\%\)。
注意分母:算 \(P(\bar B\mid A)\) 时分母不是 10000,而是 1000。“在……条件下”就是“只看这一行/这一部分人”。这就是“缩小样本空间”。
看解答
已知是白球,就只在 7 个白球里看,其中木球 4 个:\(P(B\mid A)=4/7\)。
换成公式写:\(A\)=白球,\(B\)=木球,\(AB\)=白色木球(4 个)。
\[ P(B\mid A)=\frac{n_{AB}}{n_A}=\frac{n_{AB}/n}{n_A/n}=\frac{P(AB)}{P(A)}=\frac{4/10}{7/10}=\frac47 \]这一步“分子分母同除以 \(n\)”就是条件概率定义的来历。
定义与乘法公式
\(P(\cdot\mid A)\) 本身也是一个概率(满足三条公理),所以前面的性质都能照搬,只是每一项都带上“\(\mid A\)”:
- \(P(\bar B\mid A)=1-P(B\mid A)\)
- \(P(B_1\cup B_2\mid A)=P(B_1\mid A)+P(B_2\mid A)-P(B_1B_2\mid A)\)
- \(P(B_1-B_2\mid A)=P(B_1\mid A)-P(B_1B_2\mid A)\)
\(P(B\mid A)\) 和 \(P(A\mid B)\) 一般不相等。核酸例子里 \(P(\text{阳性}\mid\text{感染})=0.9\),而 \(P(\text{感染}\mid\text{阳性})=900/930\approx0.968\),分母完全不同。把两者搞反是最常见的错误,下一节的贝叶斯公式就是专门用来“把条件倒过来”的。
看解答
\(A\)=能用到 1000 h,\(B\)=能用到 1500 h。关键观察:能用到 1500 h 一定能用到 1000 h,即 \(B\subset A\),所以 \(AB=B\)。
\[ P(B\mid A)=\frac{P(AB)}{P(A)}=\frac{P(B)}{P(A)}=\frac{0.4}{0.8}=0.5 \]看解答
设 \(A_i\)=“第 \(i\) 次取到一等品”。
(1) 乘法公式 \[ P(A_1A_2)=P(A_1)P(A_2\mid A_1)=\frac35\times\frac24=\frac3{10} \]第一次 5 个里 3 个一等;第一次取走一个一等后,剩 4 个里 2 个一等。
(2) 按第一次的结果分情况 \[ P(A_2)=P(A_1A_2)+P(\bar A_1A_2)=\frac3{10}+\frac25\times\frac34=\frac3{10}+\frac3{10}=\frac35 \]另一个思路:抽签原理,第二次和第一次地位相同,直接 \(=3/5\)。
(3) 条件概率定义 \[ P(\bar A_1\mid A_2)=\frac{P(\bar A_1A_2)}{P(A_2)}=\frac{3/10}{3/5}=\frac12 \] (4) 三个事件的乘法公式“第三次才取到” = 前两次都是二等品、第三次是一等品:
\[ P(\bar A_1\bar A_2A_3)=P(\bar A_1)P(\bar A_2\mid\bar A_1)P(A_3\mid\bar A_1\bar A_2)=\frac25\times\frac14\times\frac33=\frac1{10} \]看解答
分子用了“一般减法” \(P(A\bar B)=P(A)-P(AB)\)。顺便比较:\(P(\bar A_2)=0.7<5/6\),说明“第一天下雨”这个信息改变了对第二天的判断。
看解答
已知 \(P(A)=0.92,\ P(B)=0.93,\ P(B\mid\bar A)=0.85\),求 \(P(A\cup B)\)。
解法 1:先求 \(P(AB)\),再用加法公式 \[ P(B\mid\bar A)=\frac{P(\bar AB)}{P(\bar A)}=\frac{P(B)-P(AB)}{1-P(A)}\ \Rightarrow\ 0.85=\frac{0.93-P(AB)}{0.08}\ \Rightarrow\ P(AB)=0.862 \] \[ P(A\cup B)=0.92+0.93-0.862=0.988 \] 解法 2:从反面算(更快) \[ P(\overline{A\cup B})=P(\bar A\bar B)=P(\bar A)P(\bar B\mid\bar A)=0.08\times(1-0.85)=0.012 \]所以 \(P(A\cup B)=1-0.012=0.988\)。“都失效” = 先 \(A\) 失效、再 \(B\) 也失效,正好用乘法公式。
掷两颗骰子,已知点数之和为 7,求其中有一颗是 1 点的概率。
全概率公式与贝叶斯公式
全概率公式“由因求果”:结果 \(A\) 可能由几种原因 \(B_1,\dots,B_n\) 造成,把每条路的概率加起来。贝叶斯公式“执果索因”:已经看到结果 \(A\),倒推它来自哪个原因。
划分
\(B_1,\dots,B_n\) 叫 \(S\) 的一个划分,如果它们 ① 两两互斥,② 拼起来正好是 \(S\)。就像把一块蛋糕切成几块:块与块不重叠,也没有遗漏。掷骰子时 \(\{1,2,3\},\{4,5\},\{6\}\) 就是一个划分。最简单的划分是 \(B\) 和 \(\bar B\)。
全概率公式
事件 \(A\) 被划分切成了 \(AB_1,AB_2,\dots,AB_n\) 这几块,它们互不重叠,所以 \(P(A)=\sum P(AB_i)\);每一块再用乘法公式展开:
看解答
\(A\)=取到次品,\(B_i\)=来自第 \(i\) 厂,\(B_1,B_2,B_3\) 是划分。
(1) 全概率公式 \[ P(A)=0.15\times0.02+0.80\times0.01+0.05\times0.03=0.003+0.008+0.0015=0.0125 \]它介于三个次品率之间,正是三家次品率按份额的加权平均。
(2) 贝叶斯公式:某条路径占全部“次品路径”的比例 \[ P(B_1\mid A)=\frac{0.003}{0.0125}=0.24,\quad P(B_2\mid A)=\frac{0.008}{0.0125}=0.64,\quad P(B_3\mid A)=\frac{0.0015}{0.0125}=0.12 \]三者之和为 1。虽然厂 3 次品率最高,但它供货少,次品来自它的可能性反而最小。
贝叶斯公式
两个术语:\(P(B_i)\) 叫先验概率(看到结果之前的判断,来自以往数据);\(P(B_i\mid A)\) 叫后验概率(看到结果 \(A\) 之后修正过的判断)。
把感染率调到 0.1% 试试:检测本身没变,阳性者真正感染的比例却会大幅下降。原因是未感染的人太多,哪怕假阳性率很小,假阳性的人数也会超过真阳性。这就是“先验”对结论的影响。
看解答
\(A\)=吸烟,\(B\)=患肺癌。已知 \(P(B)=0.001,\ P(A)=0.2,\ P(B\mid A)=0.004\),求 \(P(B\mid\bar A)\)。
这题是全概率公式“反过来用”:总概率已知,求其中一条路的条件概率。
\[ 0.001=0.004\times0.2+P(B\mid\bar A)\times0.8\ \Rightarrow\ P(B\mid\bar A)=\frac{0.001-0.0008}{0.8}=0.00025 \]烟民患病率是不吸烟者的 16 倍。
看解答
\(A\)=产品合格,\(B\)=机器良好。划分是 \(B,\bar B\)。
\[ P(B\mid A)=\frac{P(B)P(A\mid B)}{P(B)P(A\mid B)+P(\bar B)P(A\mid\bar B)}=\frac{0.95\times0.98}{0.95\times0.98+0.05\times0.55}=\frac{0.931}{0.9585}\approx0.97 \]先验 0.95,看到“合格”这个信息后,后验变成 0.97。合格品更像是好机器生产的,所以信心提高了。
看解答
\(A\)=收到“不清”,\(B_1\)=发出“•”,\(B_2\)=发出“—”。
\[ P(A)=0.6\times0.2+0.4\times0.1=0.12+0.04=0.16 \] \[ P(B_1\mid A)=\frac{0.12}{0.16}=0.75,\qquad P(B_2\mid A)=\frac{0.04}{0.16}=0.25 \]所以收到“不清”时,应判断原信号更可能是“•”。
① 设事件:谁是“结果” \(A\),谁是“原因” \(B_i\);② 检查 \(B_i\) 是不是划分;③ 把题目数字对号入座成 \(P(B_i)\) 和 \(P(A\mid B_i)\);④ 求 \(P(A)\) 用全概率,求 \(P(B_i\mid A)\) 用贝叶斯。画一棵概率树会更清楚。
甲袋 2 白 1 黑,乙袋 1 白 2 黑。随机选一个袋子(各 1/2)再摸一球,摸到白球。它来自甲袋的概率是?
事件的独立性
\(A\) 和 \(B\) 独立,意思是“知道 \(B\) 发没发生,对 \(A\) 的概率毫无影响”,即 \(P(A\mid B)=P(A)\)。代入条件概率定义,就得到判定式 \(P(AB)=P(A)P(B)\)。
定义
例:抛甲、乙两枚硬币,\(A\)=甲正面,\(B\)=乙正面。\(S=\{HH,HT,TH,TT\}\),\(P(A)=P(B)=\tfrac12\),\(P(AB)=\tfrac14=P(A)P(B)\),独立。直觉上两枚硬币互不影响,计算也证实了。
实际问题里,独立性通常根据问题的意义判断(不同的人射击、不同地区的人的血清、不同元件),然后用乘积式来算。
看解答
不放回:第一次拿走一个白球,剩 7 个里 2 个白,\(P(A_2\mid A_1)=2/7\);而 \(P(A_2)=3/8\)(抽签原理)。两者不等,不独立。
有放回:袋子恢复原样,\(P(A_2\mid A_1)=3/8=P(A_2)\),独立。
几条重要性质
- 换成对立事件仍独立:\((A,B),(A,\bar B),(\bar A,B),(\bar A,\bar B)\) 只要一对独立,另外三对都独立。证明其中一个: \[ P(A\bar B)=P(A)-P(AB)=P(A)-P(A)P(B)=P(A)\big(1-P(B)\big)=P(A)P(\bar B) \]
- 概率为 0 或 1 的事件和谁都独立。例如 \(P(A)=0\) 时 \(0\le P(AB)\le P(A)=0\),所以 \(P(AB)=0=P(A)P(B)\)。反过来,如果 \(A\) 和任何事件都独立,取 \(B=A\) 得 \(P(A)=P(A)^2\),所以 \(P(A)=0\) 或 1。
- 独立和互斥不能同时成立(当 \(P(A)>0,P(B)>0\)):独立要求 \(P(AB)=P(A)P(B)>0\),互斥要求 \(P(AB)=0\),矛盾。
很多人以为“互斥”就是“没关系”,其实恰恰相反:互斥的两个事件关系很强,一个发生了另一个就一定不发生,这正是“不独立”。互斥是集合关系(看图就知道),独立是概率关系(要算)。
三个事件:两两独立 ≠ 相互独立
\(A,B,C\) 相互独立要求下面四个式子全部成立:
看解答
\(P(A)=P(B)=P(C)=\tfrac12\)。\(AB\)=两颗都奇,概率 \(\tfrac14\);\(AC\)=第一颗奇且和为奇 ⇔ 第一颗奇、第二颗偶,概率 \(\tfrac14\);同理 \(P(BC)=\tfrac14\)。所以两两独立。
但 \(ABC\):两颗都奇,和必为偶,不可能和为奇,\(P(ABC)=0\ne\tfrac18\)。所以两两独立但不相互独立:知道 \(A,B\) 同时发生,\(C\) 就确定不会发生。
看解答
每种颜色出现在 4 个面上:\(P(R)=P(W)=P(Y)=\tfrac12\)。
\(RW\):面 1、2、3,\(P(RW)=\tfrac38\ne\tfrac14\);\(RY\):只有面 1,\(\tfrac18\ne\tfrac14\);\(WY\):只有面 1,\(\tfrac18\ne\tfrac14\)。
\(RWY\):面 1,\(P(RWY)=\tfrac18=P(R)P(W)P(Y)\)。所以 (2) 成立而 (1) 不成立,不能由 (2) 推出 (1)。
独立性的典型用法:算“至少一个”
独立事件的并不好直接算,但它的反面“都不发生”是独立事件的交,可以直接相乘:
看解答
(8) \(P=1-(1-0.8)(1-0.6)=1-0.2\times0.4=0.92\)。(也可以用加法公式:\(0.8+0.6-0.8\times0.6=0.92\)。)
(9) \(P=1-(1-0.004)^{100}=1-0.996^{100}\approx1-0.670=0.33\)。每个人只有 0.4%,100 人合起来就有三分之一。课件的结论:小概率事件在大量重复中迟早会发生,不能忽视。
(10) 设 \(n\) 门,\(1-0.2^n>0.999\ \Rightarrow\ 0.2^n<0.001\ \Rightarrow\ n>\dfrac{\ln0.001}{\ln0.2}\approx4.29\),所以至少 5 门。(注意两边取对数时 \(\ln0.2<0\),不等号要变向。)
系统可靠性(例 11)
元件正常工作的概率叫可靠性。串联:全部正常系统才正常,可靠性 = 各元件可靠性之积。并联:有一个正常就行,可靠性 = \(1-\prod(1-p_i)\)。
每个元件可靠性都是 \(p\),相互独立。
- 系统一:每条链可靠性 \(p^n\),两条并联:\(R_1=1-(1-p^n)^2=p^n(2-p^n)\)。
- 系统二:每对并联可靠性 \(1-(1-p)^2=p(2-p)\),\(n\) 对串联:\(R_2=\big(p(2-p)\big)^n=p^n(2-p)^n\)。
不管怎么拖,都有 \(R_2\ge R_1\)(课件用 \(y=x^n\) 的凸性证明了 \((2-p)^n\ge 2-p^n\))。直观理解:系统二在每一级都有备份,坏一个只影响那一级;系统一里一条链坏一个,整条链就废了。
\(n\) 重伯努利试验
一个试验只有两个结果 \(A,\bar A\),\(P(A)=p\)。把它独立地重复 \(n\) 次,叫 \(n\) 重伯努利试验。\(A\) 恰好发生 \(k\) 次的概率:
看解答
三局两胜:甲胜的情况:甲甲、乙甲甲、甲乙甲(打满三局时最后一局必须甲赢)。
\[ P_1=p^2+2p^2(1-p)=3p^2-2p^3 \]五局三胜:3:0、3:1、3:2。打 4 局时最后一局甲赢、前 3 局甲赢 2 局;打 5 局时前 4 局甲赢 2 局:
\[ P_2=p^3+C_3^2p^3(1-p)+C_4^2p^3(1-p)^2 \]作差化简得
\[ P_2-P_1=3p^2(1-p)^2(2p-1) \]当 \(p>\tfrac12\) 时 \(P_2>P_1\)。局数越多,强者越占优(路遥知马力)。直观:局数多,偶然因素被平均掉了。
\(P(A)=0.4,\ P(B)=0.5\),且 \(A,B\) 独立,则 \(P(A\cup B)=\)?
若 \(0<P(A)<1,\ 0<P(B)<1\),且 \(A,B\) 互斥,则 \(A,B\):
随机变量及其分布
第一章的事件是一个个集合,写起来很啰嗦。这一章把试验结果换成一个数 \(X\),“某件事发生”就变成“\(X\) 取某些值”,于是可以用函数、求和、积分这些熟悉的工具来处理概率。
随机变量
随机变量不是“变量”,而是一个函数:它给每个样本点 \(e\) 配一个实数 \(X(e)\)。因为试验结果是随机的,这个数也就是随机的。
三个例子
- 下棋:\(S=\{\text{甲负},\text{平局},\text{甲胜}\}\)。定义 \(X(\text{甲负})=-1,\ X(\text{平局})=0,\ X(\text{甲胜})=1\)。“甲不输”这个事件就写成 \(\{X\ge 0\}\)。
- 一天收到的微信消息数:\(S=\{0,1,2,\dots\}\),\(X(e)=e\)。“消息不超过 200 条且不少于 50 条”写成 \(\{50\le X\le 200\}\)。
- 灯泡寿命:\(S=\{t\ge0\}\),\(X(e)=t\)。“寿命在 200 到 1000 小时之间”写成 \(\{200<X\le1000\}\)。
看出好处了吗?原来要用文字描述的事件,现在都变成“\(X\) 落在某个区间里”。所以问题就从“求事件的概率”变成“求 \(X\) 落在各处的概率”,这就是“分布”。
分类
- 离散型:可能取值是有限个或可列无穷个(能一个一个数出来),如骰子点数、消息条数。
- 连续型:取值充满一个区间,如寿命、身高。
- 还有既不离散也不连续的,本课程基本不涉及。
分布函数
\(F(x)=P(X\le x)\):从最左边一直累加到 \(x\) 为止的概率。它是一个普通的实函数,定义在整条数轴上,任何类型的随机变量都有。
定义
为什么选 \(X\le x\) 这种事件?因为任何区间的概率都能用它拼出来:
三条基本性质(满足这三条的函数一定是某个随机变量的分布函数)
- 有界:\(0\le F(x)\le1\),且 \(F(-\infty)=\lim\limits_{x\to-\infty}F(x)=0\),\(F(+\infty)=1\)。往左走到头,什么都没累加到;往右走到头,累加了全部。
- 单调不减:\(x_1<x_2\Rightarrow F(x_1)\le F(x_2)\)。因为 \(\{X\le x_1\}\subset\{X\le x_2\}\),累加的只会越来越多。
- 右连续:\(F(x+0)=F(x)\)。因为定义里是“\(\le\)”,点 \(x\) 本身的概率算在 \(F(x)\) 里了;从右边逼近 \(x\) 时,多出来的那一小段概率趋于 0。
用 \(F\) 算各种概率(重要,课件留了填空)
记 \(F(a-0)=\lim\limits_{x\to a^-}F(x)=P(X<a)\),即“不含 \(a\) 这一点”。那么 \(P(X=a)=F(a)-F(a-0)\),也就是 \(F\) 在 \(a\) 处的跳跃高度。
| 要求的概率 | 用 \(F\) 表示 | 记忆方法 |
|---|---|---|
| \(P(X\le b)\) | \(F(b)\) | 定义 |
| \(P(X<b)\) | \(F(b-0)\) | 不含 \(b\) 就用左极限 |
| \(P(X>a)\) | \(1-F(a)\) | \(X\le a\) 的反面 |
| \(P(X\ge a)\) | \(1-F(a-0)\) | \(X<a\) 的反面 |
| \(P(X=a)\) | \(F(a)-F(a-0)\) | 跳跃高度 |
| \(P(a<X\le b)\) | \(F(b)-F(a)\) | 右端含 → \(F(b)\);左端不含 → \(F(a)\) |
| \(P(a\le X\le b)\) | \(F(b)-F(a-0)\) | 左端含 → \(F(a-0)\) |
| \(P(a<X<b)\) | \(F(b-0)-F(a)\) | 右端不含 → \(F(b-0)\) |
| \(P(a\le X<b)\) | \(F(b-0)-F(a-0)\) |
规律只有一条:右端点“含”用 \(F(b)\)、“不含”用 \(F(b-0)\);左端点“不含”减 \(F(a)\)、“含”减 \(F(a-0)\)。对连续型随机变量 \(F\) 连续,\(F(a-0)=F(a)\),等号带不带都一样。
看解答
\(P(X=0)=P(X=1)=\tfrac12\)。按 \(x\) 的位置分段,每段问一句“\(X\le x\) 包含了哪些取值”:
- \(x<0\):\(X\) 的取值 0、1 都比 \(x\) 大,\(\{X\le x\}=\varnothing\),\(F(x)=0\)。
- \(0\le x<1\):只包含了 \(X=0\),\(F(x)=\tfrac12\)。
- \(x\ge1\):0 和 1 都包含了,\(F(x)=1\)。
图像是台阶,在 \(x=0\)、\(x=1\) 处各跳 \(\tfrac12\)。注意等号放在台阶的左端(实心点在左),这就是右连续。
看解答
求未知常数的标准方法:用性质列方程。
由 \(F(+\infty)=1\):\(\lim\limits_{x\to+\infty}(a+be^{-x})=a=1\)。
由右连续(在 \(x=0\) 处):\(F(0)=0\) 必须等于右极限 \(\lim\limits_{x\to0^+}(a+be^{-x})=a+b\),所以 \(a+b=0\),\(b=-1\)。
于是 \(F(x)=1-e^{-x}\ (x>0)\)。这其实是参数为 1 的指数分布。
\[ P(X\le\ln2)=F(\ln2)=1-e^{-\ln2}=1-\tfrac12=\tfrac12,\qquad P(X>1)=1-F(1)=e^{-1} \]看解答
- \(x<0\):距离不可能为负,\(F(x)=0\)。
- \(0\le x\le1\):\(\{X\le x\}\) = 打进半径 \(x\) 的圆盘,概率与面积 \(\pi x^2\) 成正比:\(F(x)=kx^2\)。由于 \(\{X\le1\}\) 是必然事件,\(F(1)=k=1\),所以 \(F(x)=x^2\)。
- \(x>1\):必然事件,\(F(x)=1\)。
这个 \(F\) 是连续的,没有台阶,所以 \(X\) 是连续型随机变量。
下列哪个函数不能作为分布函数?
离散型随机变量与分布律
离散型就是取值能一个个列出来。把每个取值和它的概率列成一张表,叫分布律。分布律和分布函数可以互推:分布函数是分布律的“累加”,分布律是分布函数的“跳跃”。
分布律
| \(X\) | \(x_1\) | \(x_2\) | \(\cdots\) | \(x_k\) | \(\cdots\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(P\) | \(p_1\) | \(p_2\) | \(\cdots\) | \(p_k\) | \(\cdots\) |
反过来,任何一串满足“非负、和为 1”的数,都是某个随机变量的分布律。
几何分布(课件例 2):每次击中概率 \(p\),射击到击中为止,\(Y\) 为射击次数。“第 \(k\) 次才击中”= 前 \(k-1\) 次都没中、第 \(k\) 次中:
分布律 ⇄ 分布函数
离散型的 \(F(x)\) 一定是阶梯函数:在每个可能取值 \(x_k\) 处向上跳 \(p_k\),在两个取值之间是平的。
看解答
每个球 3 种放法,总共 \(3^3=27\) 种等可能结果。\(X\) 可取 1、2、3。
\(X=1\):1 号盒有球。反面是“3 个球都不进 1 号盒”,每球 2 种选择,\(2^3=8\) 种:\(P(X=1)=1-\tfrac{8}{27}=\tfrac{19}{27}\)。
\(X=2\):1 号盒空、2 号盒有球。“1 号盒空”有 \(2^3=8\) 种,其中“2 号盒也空”(全进 3 号)1 种:\(P(X=2)=\tfrac{8-1}{27}=\tfrac{7}{27}\)。
\(X=3\):全进 3 号盒,\(P=\tfrac1{27}\)。检查:\(19+7+1=27\) ✓。
\[ F(x)=\begin{cases}0,&x<1\\ \tfrac{19}{27},&1\le x<2\\ \tfrac{26}{27},&2\le x<3\\ 1,&x\ge3\end{cases} \qquad P(|X|\le2)=P(X=1)+P(X=2)=\tfrac{26}{27} \]看解答
\(X=k\ (k=0,1,2,3)\):前 \(k\) 盏通过、第 \(k+1\) 盏停:\(P(X=k)=p^k(1-p)\)。\(X=4\):4 盏全通过,没停过:\(P(X=4)=p^4\)。
| \(k\) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| \(p_k\)(\(p=0.4\)) | 0.6 | 0.24 | 0.096 | 0.0384 | 0.0256 |
| \(F\)(台阶高度) | 0.6 | 0.84 | 0.936 | 0.9744 | 1 |
分布律算 vs 分布函数算(两种都会才算真懂):
- \(P(1<X\le3)=p_2+p_3=0.1344\);或 \(F(3)-F(1)=0.9744-0.84=0.1344\)。
- \(P(1\le X\le3)=p_1+p_2+p_3=0.3744\);或 \(F(3)-F(1-0)=0.9744-0.6=0.3744\)。
- \(P(X\ge3)=p_3+p_4=0.064\);或 \(1-F(3-0)=1-0.936=0.064\)。
- \(P(X>3)=p_4=0.0256\);或 \(1-F(3)=0.0256\)。
- \(P(X=3)=0.0384\);或 \(F(3)-F(3-0)=0.9744-0.936\)。
课件的结论:离散型用分布律算更方便,用分布函数要时刻注意端点带不带等号。
看解答
“第 \(k\) 次轰击时恰好摧毁” = 前 \(k-1\) 次中恰好击中 \(r-1\) 次,且第 \(k\) 次击中。
\[ P(X=k)=\underbrace{C_{k-1}^{r-1}p^{r-1}(1-p)^{k-r}}_{\text{前 }k-1\text{ 次中 }r-1\text{ 次}}\cdot\underbrace{p}_{\text{第 }k\text{ 次中}}=C_{k-1}^{r-1}p^r(1-p)^{k-r},\quad k=r,r+1,\dots \]\(r=1\) 时就是几何分布。课件后半页用幂级数逐项求导证明了这些概率加起来等于 1,考试一般不要求推导。
\(X\) 的分布律为 \(P(X=k)=\dfrac{c}{k(k+1)},\ k=1,2,\dots\),则 \(c=\)?
常见离散分布:0-1、二项、泊松
0-1 分布 = 做 1 次看成不成;二项分布 = 做 \(n\) 次数成功几次;泊松分布 = \(n\) 很大、\(p\) 很小时二项分布的近似,也用来描述“一段时间内随机事件发生的次数”。
(1) 0-1 分布(两点分布)
只要试验只有两个结果(合格/不合格、男/女、正常/故障)就能用。服从 0-1 分布的试验叫伯努利试验。
(2) 二项分布 \(X\sim B(n,p)\)
\(n\) 重伯努利试验中事件 \(A\) 发生的次数 \(X\):
最可能出现的次数
使 \(P(X=k)\) 最大的 \(k\)。看相邻两项之比:
\[ \frac{P(X=k)}{P(X=k-1)}=\frac{(n-k+1)p}{k(1-p)}\ \ge1\iff k\le(n+1)p \]也就是说 \(k\) 还没超过 \((n+1)p\) 时概率在上升,超过以后下降。所以:
(3) 泊松定理:二项分布的近似
当 \(n\) 很大、\(p\) 很小,算 \(C_{5000}^{5}\,0.001^5\,0.999^{4995}\) 这种东西太痛苦。泊松定理说:若 \(np_n\to\lambda\),则
证明思路(理解即可):把 \(p=\lambda/n\) 代进去,
\[ C_n^kp^k(1-p)^{n-k}=\frac{\lambda^k}{k!}\cdot\underbrace{\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k}}_{\to1}\cdot\underbrace{\Big(1-\frac\lambda n\Big)^{n}}_{\to e^{-\lambda}}\cdot\underbrace{\Big(1-\frac\lambda n\Big)^{-k}}_{\to1} \]试试:固定 \(np\) 不变,把 \(n\) 拉大、\(p\) 调小,点和柱会越来越重合;\(p\) 调大到 0.5 左右,泊松近似就明显不准了。
(4) 泊松分布 \(X\sim\pi(\lambda)\)
应用场合:一段时间或一块区域内“稀有事件”发生的次数,比如总机接到的电话数、一匹布上的疵点数、一页书的印刷错误数、某地区交通事故数、放射性粒子数。课件的说法:源源不断出现的随机“质点流”,长为 \(t\) 的时间内出现的个数 \(X_t\sim\pi(\lambda t)\)。
三者的关系(课件结论):超几何分布的极限是二项分布,二项分布的极限是泊松分布。超几何分布就是“不放回抽样数次品”:\(M\) 件正品 \(N\) 件次品中取 \(n\) 件,恰有 \(k\) 件次品的概率 \(\dfrac{C_N^kC_M^{n-k}}{C_{M+N}^n}\);总量很大时,不放回和有放回差不多,就近似为二项分布。
看解答
\(X\sim B(5000,0.001)\)。
(1) \((n+1)p=5.001\),不是整数,\(k_0=[5.001]=5\)。\(P(X=5)=C_{5000}^5(0.001)^5(0.999)^{4995}\approx0.1755\)。
(2) 用反面:\(P(X\ge2)=1-P(X=0)-P(X=1)\)。用泊松近似 \(\lambda=np=5\):
\[ P(X\ge2)\approx1-e^{-5}-5e^{-5}=1-6e^{-5}\approx0.9596 \]我用程序精确算二项分布也得 0.9596,两者几乎一样(课件写的“二项分布结果 0.9574”可能是笔误,以计算为准)。
看解答
设每箱装 \(100+n\) 个,不合格数 \(X\sim B(100+n,0.03)\)。“至少 100 个合格” ⇔ \(X\le n\)。要求 \(P(X\le n)\ge0.9\)。
\(n\) 应该不大,\(\lambda=(100+n)\times0.03\approx3\),用泊松近似:\(\sum_{k=0}^{n}\dfrac{3^ke^{-3}}{k!}\ge0.9\),即 \(\sum_{k=n+1}^{\infty}\dfrac{3^ke^{-3}}{k!}\le0.1\)。
查泊松表(\(\lambda=3\)):\(P(X\ge6)=0.084\le0.1\),而 \(P(X\ge5)=0.185>0.1\),所以 \(n+1=6\),\(n=5\)。每箱至少装 105 个。
看解答
(1) 故障台数 \(X\sim B(90,0.01)\),\(\lambda=0.9\)。配 \(N\) 人,修不过来 ⇔ \(X>N\)。要 \(P(X>N)<0.01\):
\(P(X>3)\approx0.0135\),\(P(X>4)\approx0.0023\),所以 \(N=4\)。
(2) 共同负责:\(P(X>3)\approx0.0135\)(\(\lambda=0.9\))。
各自负责:每人 30 台,\(Y\sim B(30,0.01)\),\(\lambda=0.3\),一个人修不过来是 \(P(Y\ge2)\approx0.0369\)。三个人里至少一个修不过来:\(1-(1-0.0369)^3\approx0.107\)。
0.0135 远小于 0.107,共同负责好得多。资源合并后能互相调剂。
看解答
已知卵数 \(X=n\) 时,幼虫数服从二项分布:\(P(Y=k\mid X=n)=C_n^kp^k(1-p)^{n-k}\ (k\le n)\)。用全概率公式(划分是 \(\{X=n\},n=k,k+1,\dots\)):
\[ P(Y=k)=\sum_{n=k}^{\infty}\frac{\lambda^ne^{-\lambda}}{n!}\cdot\frac{n!}{k!(n-k)!}p^k(1-p)^{n-k}=\frac{(\lambda p)^ke^{-\lambda}}{k!}\sum_{n=k}^{\infty}\frac{[\lambda(1-p)]^{n-k}}{(n-k)!} \]后面的求和是 \(e^{\lambda(1-p)}\),所以
\[ P(Y=k)=\frac{(\lambda p)^ke^{-\lambda p}}{k!},\qquad Y\sim\pi(\lambda p) \]泊松分布“打折”后还是泊松分布。这只昆虫有后代的概率 \(P(Y\ge1)=1-e^{-\lambda p}\)。
\(X\sim\pi(\lambda)\),且 \(P(X=1)=P(X=2)\),则 \(P(X=0)=\)?
\(X\sim B(10,0.3)\),最可能出现的次数是?
补:一维连续型随机变量速成
你给我的课件从 L09 直接跳到 L13,中间讲连续型随机变量、正态分布的 L10–L12 没有。但第三章处处在用“密度”“指数分布”“正态分布”,所以这里只补最少够用的内容。
连续型随机变量取任何单个值的概率都是 0,所以不能列分布律;改用概率密度 \(f(x)\) 描述:概率 = 密度曲线下的面积。
和离散型对比着记:离散型“求和 \(\sum p_k\)”,连续型“积分 \(\int f\,dx\)”;离散型 \(F\) 是台阶,连续型 \(F\) 是连续曲线。
三个必须认识的连续分布
| 分布 | 密度 \(f(x)\) | 分布函数 / 说明 |
|---|---|---|
| 均匀分布 \(U(a,b)\) | \(\dfrac1{b-a},\ a<x<b\);其他为 0 | 落在任何子区间的概率 = 长度占比(就是几何概型) |
| 指数分布 \(\mathrm{Exp}(\alpha)\) | \(\alpha e^{-\alpha x},\ x>0\);其他为 0 | \(F(x)=1-e^{-\alpha x}\ (x>0)\),\(P(X>x)=e^{-\alpha x}\)。常用来描述寿命。教材有时写成 \(\frac1\theta e^{-x/\theta}\),即 \(\alpha=1/\theta\) |
| 正态分布 \(N(\mu,\sigma^2)\) | \(\dfrac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}\) | 钟形曲线,关于 \(x=\mu\) 对称,\(\sigma\) 越大越“矮胖”。\(N(0,1)\) 叫标准正态 |
2.2 节例 2 的 \(F(x)=1-e^{-x}\) 就是 \(\mathrm{Exp}(1)\);例 3 打靶的 \(F(x)=x^2\) 求导得密度 \(f(x)=2x\ (0<x<1)\)。
\(f(x)=\begin{cases}kx,&0<x<2\\0,&\text{其他}\end{cases}\) 是密度,则 \(k\) 和 \(P(X\le1)\) 分别是?
多维随机变量及其分布
天气要同时看温度和风力,钢材要同时看含碳量和含硫量。这一章同时研究两个随机变量 \((X,Y)\):它们整体怎么分布(联合),单看一个怎么分布(边缘),知道一个后另一个怎么分布(条件),以及它们有没有关系(独立)。几乎每个概念都是第二章的“二维版”,学的时候时刻和一维对照。
二维随机变量与联合分布函数
每做一次试验得到平面上一个随机点 \((X,Y)\)。联合分布函数 \(F(x,y)=P(X\le x,\,Y\le y)\) 就是这个随机点落在以 \((x,y)\) 为右上角的“左下方无穷区域”里的概率。
性质(对照一维)
- \(0\le F(x,y)\le1\);\(F(+\infty,+\infty)=1\);\(F(-\infty,y)=F(x,-\infty)=F(-\infty,-\infty)=0\)。(只要一个方向推到 \(-\infty\),区域就被压没了。)
- 对每个变量单调不减:固定 \(x\),\(y\) 越大区域越大。
- 对每个变量右连续。
- 矩形公式(一维没有的新性质): \[ P(a<X\le b,\ c<Y\le d)=F(b,d)-F(b,c)-F(a,d)+F(a,c)\ \ge0 \] 右上角的大区域,减去两块,左下角那块被减了两次,再加回来。这就是二维的“容斥”。
满足以上四条的二元函数,一定是某个二维随机变量的分布函数。注意第 4 条不能省:只满足 1–3 的函数可能不合法(见例 2)。
看解答
(1) 右连续:在 \(x=0\) 处,\(F(0,y)=0\) 应等于 \(\lim\limits_{x\to0^+}F(x,y)=(a-1)(b-e^{-y})\)。这要对一切 \(y>0\) 成立,所以 \(a=1\)。再由 \(F(+\infty,+\infty)=a\cdot b=1\) 得 \(b=1\)。
(2) \(\{X>0,Y\le2\}=\{0<X<+\infty,\ -\infty<Y\le2\}\),套矩形公式(\(a=0,b=+\infty,c=-\infty,d=2\)):
\[ F(+\infty,2)-F(+\infty,-\infty)-F(0,2)+F(0,-\infty)=(1-e^{-2})-0-0+0=1-e^{-2} \]看解答
它满足有界、单调、右连续,但取矩形 \((0,2]\times(0,2]\):
\[ F(2,2)-F(0,2)-F(2,0)+F(0,0)=1-1-1+0=-1<0 \]概率不能为负,所以不能。
\(P(X>a,\,Y>c)\ne1-F(a,c)\)。“\(X\le a\) 且 \(Y\le c\)”的反面是“\(X>a\) 或 \(Y>c\)”,不是“且”。正确做法用矩形公式: \[ P(X>a,Y>c)=1-F(a,+\infty)-F(+\infty,c)+F(a,c) \]
二维离散型:联合分布律
把 \((X,Y)\) 所有可能的取值对和对应概率填进一张二维表,就是联合分布律。求任何概率,就是把表里落在目标区域的格子加起来。
求联合分布律的通用方法是乘法公式:\(P(X=i,Y=j)=P(X=i)\,P(Y=j\mid X=i)\)。先定第一个变量,再在它确定的条件下算第二个。
看解答
\(P(X=i,Y=j)=P(X=i)P(Y=j\mid X=i)=\dfrac14\cdot\dfrac1i\)(\(j\le i\)),\(j>i\) 时为 0。
| \(X=1\) | \(X=2\) | \(X=3\) | \(X=4\) | |
|---|---|---|---|---|
| \(Y=1\) | 1/4 | 1/8 | 1/12 | 1/16 |
| \(Y=2\) | 0 | 1/8 | 1/12 | 1/16 |
| \(Y=3\) | 0 | 0 | 1/12 | 1/16 |
| \(Y=4\) | 0 | 0 | 0 | 1/16 |
检查:每列加起来都是 1/4,总和为 1。
看解答
\(X\) 只能取 0、1(甲盒只有 1 个正品)。\(P(X=0)=C_2^2/C_3^2=1/3\),\(P(X=1)=C_1^1C_2^1/C_3^2=2/3\)。
\(X=0\):放进乙盒的是 2 个次品,乙盒变成 2 正 3 次:
\[ P(0,0)=\tfrac13\cdot\tfrac{C_3^2}{C_5^2}=\tfrac{3}{30},\quad P(0,1)=\tfrac13\cdot\tfrac{C_2^1C_3^1}{C_5^2}=\tfrac{6}{30},\quad P(0,2)=\tfrac13\cdot\tfrac{C_2^2}{C_5^2}=\tfrac{1}{30} \]\(X=1\):放进 1 正 1 次,乙盒变成 3 正 2 次:
\[ P(1,0)=\tfrac23\cdot\tfrac{C_2^2}{C_5^2}=\tfrac{2}{30},\quad P(1,1)=\tfrac23\cdot\tfrac{C_3^1C_2^1}{C_5^2}=\tfrac{12}{30},\quad P(1,2)=\tfrac23\cdot\tfrac{C_3^2}{C_5^2}=\tfrac{6}{30} \]| \(Y=0\) | \(Y=1\) | \(Y=2\) | |
|---|---|---|---|
| \(X=0\) | 3/30 | 6/30 | 1/30 |
| \(X=1\) | 2/30 | 12/30 | 6/30 |
\(x^2+y^2\ge2\) 的格子:\((0,2),(1,1),(1,2)\),\(P=\dfrac{1+12+6}{30}=\dfrac{19}{30}\)。
二维连续型:联合概率密度
一维时概率是密度曲线下的面积;二维时概率是密度曲面 \(z=f(x,y)\) 下的体积。所以算概率 = 在区域上做二重积分。这一节真正的难点是定积分上下限,方法只有一个:画图。
定义与性质
- 画出 \(f(x,y)\ne0\) 的区域(“定义域”)。
- 画出要求概率的区域 \(G\)(如 \(y\le x\)、\(x+y\ge1\))。
- 两者取交集,积分只在交集上做,其他地方 \(f=0\)。
- 选次序。“先 \(y\) 后 \(x\)”:外层 \(x\) 从交集最左走到最右;对每个固定的 \(x\),画一条竖线穿过交集,进入处是 \(y\) 的下限、离开处是上限。“先 \(x\) 后 \(y\)”就画横线。
看解答
\(F(x,y)\) 是在 \((-\infty,x]\times(-\infty,y]\) 上积分,但只有落在带子 \(0\le u\le2,\ v>0\) 里的部分有贡献。
- \(x<0\) 或 \(y\le0\):左下区域和带子不相交,\(F=0\)。
- \(0\le x\le2,\ y>0\):\(F=\int_0^xdu\int_0^ye^{-2v}dv=\dfrac x2(1-e^{-2y})\)。
- \(x>2,\ y>0\):\(u\) 只能积到 2,\(F=\int_0^2du\int_0^ye^{-2v}dv=1-e^{-2y}\)。
二维均匀分布 \(U(G)\)
看解答
(1) \(G\) 是直角边为 1 的三角形,面积 \(\tfrac12\),所以 \(f=2\)(在 \(G\) 内)。
(2) \(G\) 中满足 \(y>x^2\) 的部分夹在抛物线 \(y=x^2\) 和直线 \(y=x\) 之间:
\[ P(Y>X^2)=\int_0^1dx\int_{x^2}^{x}2\,dy=2\int_0^1(x-x^2)dx=2\Big(\frac12-\frac13\Big)=\frac13 \](3) 到 \(y\) 轴距离 \(=|X|\),在 \(G\) 内即 \(X<0.3\),是一个直角边 0.3 的小三角形:\(P=2\times\tfrac12\times0.3^2=0.09\)。
二维正态分布 \(N(\mu_1,\sigma_1^2;\mu_2,\sigma_2^2;\rho)\)
边缘分布
边缘分布 = 只看其中一个变量、完全不管另一个时的分布。做法是把另一个变量“消掉”:离散型按行/列求和,连续型对另一个变量积分。叫“边缘”是因为求和的结果写在表格的边上。
看解答
(1) 用 \(\arctan(\pm\infty)=\pm\frac\pi2\) 列三个方程:
\[ F(+\infty,+\infty)=A\big(B+\tfrac\pi2\big)\big(C+\tfrac\pi2\big)=1,\quad F(+\infty,-\infty)=A\big(B+\tfrac\pi2\big)\big(C-\tfrac\pi2\big)=0,\quad F(-\infty,+\infty)=A\big(B-\tfrac\pi2\big)\big(C+\tfrac\pi2\big)=0 \]第二式(第一个括号不能为 0,否则第一式不成立)得 \(C=\frac\pi2\);第三式得 \(B=\frac\pi2\);代入第一式 \(A\pi^2=1\),\(A=\frac1{\pi^2}\)。
(2) \(F_X(x)=F(x,+\infty)=\dfrac1{\pi^2}\Big(\dfrac\pi2+\arctan\dfrac x2\Big)\cdot\pi=\dfrac12+\dfrac1\pi\arctan\dfrac x2\)。同理 \(F_Y(y)=\dfrac12+\dfrac1\pi\arctan\dfrac y2\)。
(3) \(P(X>2)=1-F_X(2)=1-\Big(\dfrac12+\dfrac1\pi\cdot\dfrac\pi4\Big)=\dfrac14\)。
看解答
先画图:区域是单位正方形里对角线 上方的三角形,顶点 \((0,0),(0,1),(1,1)\)。
(1) 规范性(先 \(x\) 后 \(y\):固定 \(y\),横线从 \(x=0\) 走到 \(x=y\)) \[ 1=\int_0^1dy\int_0^{y}kxy\,dx=k\int_0^1\frac{y^3}{2}dy=\frac k8\ \Rightarrow\ k=8 \] (2) 两个概率\(X+Y\ge1\) 与三角形的交集:\(y\) 从 0.5 到 1,固定 \(y\) 时 \(x\) 从 \(1-y\) 到 \(y\):
\[ P(X+Y\ge1)=\int_{0.5}^{1}dy\int_{1-y}^{y}8xy\,dx=\int_{0.5}^1 4y\big(y^2-(1-y)^2\big)dy=\int_{0.5}^1(8y^2-4y)dy=\frac56 \]\(X<0.5\):固定 \(x\in(0,0.5)\),竖线 \(y\) 从 \(x\) 到 1:
\[ P(X<0.5)=\int_0^{0.5}dx\int_x^1 8xy\,dy=\int_0^{0.5}4x(1-x^2)dx=\Big[2x^2-x^4\Big]_0^{0.5}=\frac7{16} \] (3) 分布函数:按点 \((x,y)\) 落在哪里分 6 种情况每种情况都问:左下方区域 \(\{u\le x,v\le y\}\) 和三角形的交集长什么样?当 \(y<x\) 时,左下区域只截到三角形中 \(v\le y\) 的那个小三角,结果只跟 \(y\) 有关。
\[ F(x,y)=\begin{cases}0,&x<0\ \text{或}\ y<0\\ y^4,&0\le y<1,\ y<x\\ 2x^2y^2-x^4,&0\le x\le y<1\\ 2x^2-x^4,&0\le x<1,\ y\ge1\\ 1,&x\ge1,\ y\ge1\end{cases} \]例如 \(0\le x\le y<1\) 时:\(F=\int_0^xdu\int_u^y8uv\,dv=\int_0^x4u(y^2-u^2)du=2x^2y^2-x^4\)。(课件 L15 后半有一页把这里写成了 \(2x^2y^2-y^4\),是笔误,以这里为准。)
(4) 边缘密度:直接积分更快\(f_X(x)\):固定 \(x\in[0,1)\),对 \(y\) 积分,竖线从 \(y=x\) 到 \(y=1\):
\[ f_X(x)=\int_x^1 8xy\,dy=4x(1-x^2)=4x-4x^3,\quad 0\le x<1;\ \text{其他为 }0 \]\(f_Y(y)\):固定 \(y\in[0,1)\),对 \(x\) 积分,横线从 \(x=0\) 到 \(x=y\):
\[ f_Y(y)=\int_0^y 8xy\,dx=4y^3,\quad 0\le y<1;\ \text{其他为 }0 \]再积分得边缘分布函数:\(F_X(x)=2x^2-x^4\),\(F_Y(y)=y^4\)(在 \([0,1)\) 上),和 \(F(x,+\infty)\)、\(F(+\infty,y)\) 一致。
看解答
例 3:每个球独立地等可能进三个盒之一。\(X=i,Y=j\) 意味着 \(i\) 个进 1 号、\(j\) 个进 2 号、其余进 3 号:
\[ P(X=i,Y=j)=\frac{3!}{i!\,j!\,(3-i-j)!}\cdot\frac1{27},\qquad i+j\le3 \]| \(X=0\) | \(X=1\) | \(X=2\) | \(X=3\) | \(p_{\cdot j}\) | |
|---|---|---|---|---|---|
| \(Y=0\) | 1/27 | 3/27 | 3/27 | 1/27 | 8/27 |
| \(Y=1\) | 3/27 | 6/27 | 3/27 | 0 | 12/27 |
| \(Y=2\) | 3/27 | 3/27 | 0 | 0 | 6/27 |
| \(Y=3\) | 1/27 | 0 | 0 | 0 | 1/27 |
| \(p_{i\cdot}\) | 8/27 | 12/27 | 6/27 | 1/27 | 1 |
(课件写成 1/9、2/9 的格子就是这里的 3/27、6/27。)由表还能读出:\(P(X=Y)=\tfrac1{27}+\tfrac6{27}=\tfrac7{27}\),\(P(Y>X)=\tfrac{3+3+1+3}{27}=\tfrac{10}{27}\)。
例 4:白球和红球各自独立地放,\(X\sim B(3,\tfrac13)\),\(Y\sim B(3,\tfrac13)\),联合概率直接相乘:\(P(X=i,Y=j)=P(X=i)P(Y=j)\),\(i,j\) 可以从 0 到 3 任意组合。
两例的边缘分布完全一样(都是 8/27、12/27、6/27、1/27),联合分布却不同(例 3 里 \(X+Y\le3\),有很多 0;例 4 里没有 0)。
结论:联合分布能唯一确定边缘分布,边缘分布却不能确定联合分布。联合分布里还藏着“两者之间的关系”这部分信息,边缘分布把它丢了。
两个常用结论
- 边平行于坐标轴的矩形上的均匀分布,边缘分布仍是均匀分布。(但圆形、三角形上的均匀分布,边缘就不是均匀的,见 3.5 节例 3。)
- 二维正态 \(N(\mu_1,\sigma_1^2;\mu_2,\sigma_2^2;\rho)\) 的边缘是 \(X\sim N(\mu_1,\sigma_1^2)\)、\(Y\sim N(\mu_2,\sigma_2^2)\),与 \(\rho\) 无关。这再次说明边缘分布确定不了联合分布:\(\rho\) 不同的二维正态有相同的边缘。
\(f(x,y)=\begin{cases}6,&x^2\le y\le x,\ 0\le x\le 1\\0,&\text{其他}\end{cases}\),则 \(f_X(x)\)(\(0\le x\le1\))等于?
条件分布
条件分布就是第一章的条件概率搬到随机变量上:“已知 \(X=x_i\)”就是只看表格里 \(X=x_i\) 那一列,再把这一列除以它的列和,让它重新加起来等于 1。连续型同理:在 \(X=x\) 处切一刀,把切面曲线除以它的面积。
离散型:条件分布律
看解答
\(Y=0\) 那一行:1/27、3/27、3/27、1/27,行和 8/27。逐个除以 8/27:
| \(X\) | 0 | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|---|
| \(P(X=i\mid Y=0)\) | 1/8 | 3/8 | 3/8 | 1/8 |
\(X=2\) 那一列:3/27、3/27、0、0,列和 6/27:\(P(Y=0\mid X=2)=P(Y=1\mid X=2)=\tfrac12\)。
直觉验证(课件也提到了):已知 2 号盒没有球,那么 3 个球每个都只能进 1 号或 3 号,各一半,所以 \(X\mid Y=0\sim B(3,\tfrac12)\),正好是 1/8、3/8、3/8、1/8。已知 1 号盒有 2 个球,剩下 1 个球进 2 号或 3 号各一半,所以 \(Y\) 是 0 或 1 各 1/2。
看解答
\(\{X=m,Y=n\}\):前 \(m-1\) 次不中、第 \(m\) 次中、第 \(m+1\) 到 \(n-1\) 次不中、第 \(n\) 次中。共 2 次中、\(n-2\) 次不中:
\[ P(X=m,Y=n)=p^2(1-p)^{n-2},\qquad 1\le m<n \]有意思的是它和 \(m\) 无关。
边缘对 \(n\) 求和(\(n\) 从 \(m+1\) 到 \(\infty\),等比级数):
\[ P(X=m)=\sum_{n=m+1}^{\infty}p^2(1-p)^{n-2}=p(1-p)^{m-1},\quad m=1,2,\dots \]就是几何分布,合理:\(X\) 是“第一次击中”的次数。对 \(m\) 求和(\(m\) 从 1 到 \(n-1\),共 \(n-1\) 项,每项一样):
\[ P(Y=n)=(n-1)p^2(1-p)^{n-2},\quad n=2,3,\dots \]这是 \(r=2\) 的帕斯卡分布。
条件 \[ P(X=m\mid Y=n)=\frac{p^2(1-p)^{n-2}}{(n-1)p^2(1-p)^{n-2}}=\frac1{n-1},\quad m=1,\dots,n-1 \]已知总共射了 \(n\) 次,第一次击中在前 \(n-1\) 次中的哪一次是等可能的。
\[ P(Y=n\mid X=m)=\frac{p^2(1-p)^{n-2}}{p(1-p)^{m-1}}=p(1-p)^{n-m-1},\quad n=m+1,m+2,\dots \]已知第 \(m\) 次首次击中,之后再等第二次击中,又是一个几何分布,好像从头开始一样。
连续型:条件概率密度
问题:\(P(Y=y)=0\),直接用 \(\dfrac{P(X\le x,Y=y)}{P(Y=y)}\) 是 \(\dfrac00\)。课件的处理是取一条窄带 \(y-\Delta y<Y\le y\) 再令 \(\Delta y\to0\),极限结果很干净:
- 先求出分母那个边缘密度。
- 写明 \(y\) 在什么范围内才有定义(\(f_Y(y)>0\) 的范围)。
- 写明此时 \(x\) 的取值范围,它通常依赖于 \(y\)。在这个范围外条件密度为 0。
看解答
\(f(x,y)=\dfrac1{\pi r^2}\)(圆内)。
边缘固定 \(x\in(-r,r)\),竖线穿过圆,\(y\) 从 \(-\sqrt{r^2-x^2}\) 到 \(\sqrt{r^2-x^2}\):
\[ f_X(x)=\int_{-\sqrt{r^2-x^2}}^{\sqrt{r^2-x^2}}\frac{dy}{\pi r^2}=\frac{2\sqrt{r^2-x^2}}{\pi r^2},\quad |x|<r \]同理 \(f_Y(y)=\dfrac{2\sqrt{r^2-y^2}}{\pi r^2}\)。边缘不是均匀分布:中间的竖线长,两边的短。
条件当 \(-r<y<r\) 时:
\[ f_{X\mid Y}(x\mid y)=\frac{1/(\pi r^2)}{2\sqrt{r^2-y^2}/(\pi r^2)}=\frac{1}{2\sqrt{r^2-y^2}},\quad |x|<\sqrt{r^2-y^2} \]即已知 \(Y=y\) 时,\(X\sim U\big(-\sqrt{r^2-y^2},\sqrt{r^2-y^2}\big)\):在那条水平弦上均匀分布。很直观:均匀分布切一刀,切面上还是均匀的。同理已知 \(X=x\) 时 \(Y\) 在竖直弦上均匀。
\(f(x,y)=\begin{cases}8xy,&0\le x\le y\le1\\0,&\text{其他}\end{cases}\),已知 \(f_Y(y)=4y^3\)。则 \(f_{X\mid Y}(x\mid y)\)(\(0<y\le1\))为?
随机变量的独立性
\(X,Y\) 独立 ⇔ 联合 = 边缘之积。此时“条件分布 = 边缘分布”,知道 \(X\) 的值对 \(Y\) 毫无帮助;而且两个边缘就能完全决定联合分布。
离散型:每一格都要满足
判定方法:算出两个边缘,检查每一个格子是否等于“所在行的和 × 所在列的和”。只要有一个格子不满足,就不独立。快速排除:表里有 0,但它所在的行和、列和都不为 0,那就一定不独立。
看解答
边缘:\(P(X=1)=\tfrac{6}{24}=\tfrac14\),\(P(X=2)=\tfrac34\);\(P(Y=0)=\tfrac4{24}=\tfrac16\),\(P(Y=1)=\tfrac56\)。
逐格检查:\(\tfrac14\cdot\tfrac16=\tfrac1{24}\) ✓,\(\tfrac34\cdot\tfrac16=\tfrac3{24}\) ✓,\(\tfrac14\cdot\tfrac56=\tfrac5{24}\) ✓,\(\tfrac34\cdot\tfrac56=\tfrac{15}{24}\) ✓。四格全满足,独立。
\(P(Y=1\mid X=2)=\dfrac{15/24}{18/24}=\dfrac56=P(Y=1)\),条件分布等于边缘分布,正是独立的含义。(可以在上面的交互表里切到“L17 例 1”点一下看看。)
连续型:因式分解判别法(推论 1)
逐个算边缘再相乘比较麻烦。课件推论 1 给了快捷方法:
“在整个平面上能分解”意味着 \(f\ne0\) 的区域必须是矩形(\(x\) 的范围不依赖 \(y\),\(y\) 的范围不依赖 \(x\))。\(8xy\) 在 \(0<x<y<1\) 上看起来是 \(8x\cdot y\),但区域是三角形,“\(x<y\)”这个约束把两者绑在一起了,所以不独立。一句话:区域不是矩形,一定不独立。
看解答
(1) \(f_X(x)=\int_0^14xy\,dy=2x\),\(f_Y(y)=2y\)(都在 \((0,1)\) 上),\(f_X f_Y=4xy=f_1\),独立。用推论 1 更快:\(4xy=2x\cdot2y\),区域是正方形。
(2) \(f_X(x)=\int_x^18xy\,dy=4x(1-x^2)\),\(f_Y(y)=\int_0^y8xy\,dx=4y^3\)。乘积 \(16xy^3(1-x^2)\ne8xy\),不独立。区域是三角形,一眼就能判断。
更多例子(课件给出的):
- 矩形 \(a<x<b,\ c<y<d\) 上的均匀分布:\(X,Y\) 独立,各自在区间上均匀。
- \(f=6e^{-2x-3y}\ (x>0,y>0)\):\(=2e^{-2x}\cdot3e^{-3y}\),独立,\(X\sim\mathrm{Exp}(2)\)、\(Y\sim\mathrm{Exp}(3)\)。
- \(f=e^{-3y}\ (-1<x<2,\ y>0)\):区域是矩形(带),独立,\(f_X=\tfrac13\ (-1<x<2)\),\(f_Y=3e^{-3y}\)。
二维正态:独立 ⇔ \(\rho=0\)
\(\rho=0\) 时指数里的交叉项消失,\(f(x,y)\) 正好分解成两个一维正态密度之积,所以独立。反过来,若独立,取 \(x=\mu_1,y=\mu_2\) 代入 \(f=f_Xf_Y\) 得 \(\dfrac{1}{2\pi\sigma_1\sigma_2\sqrt{1-\rho^2}}=\dfrac{1}{2\pi\sigma_1\sigma_2}\),所以 \(\rho=0\)。
推论 2 与推广
- \(X,Y\) 独立,\(u,v\) 是连续函数 ⇒ \(u(X)\) 与 \(v(Y)\) 也独立。例如 \(aX+b\) 与 \(cY+d\) 独立,\(X^2\) 与 \(Y^2\) 独立。
- \(n\) 个随机变量相互独立:\(P(X_1\le x_1,\dots,X_n\le x_n)=\prod P(X_i\le x_i)\)。
看解答
先画区域:顶点 \((0,0),(1,0),(1,2)\) 的三角形,斜边是 \(y=2x\)。
(1) 边缘固定 \(x\in[0,1]\),竖线 \(y\) 从 0 到 \(2x\):\(f_X(x)=\int_0^{2x}2xy\,dy=4x^3\),\(0\le x\le1\)。
固定 \(y\in[0,2]\),横线 \(x\) 从 \(y/2\) 到 1:\(f_Y(y)=\int_{y/2}^{1}2xy\,dx=y\Big(1-\dfrac{y^2}4\Big)\),\(0\le y\le2\)。
区域是三角形,所以不独立(\(f_Xf_Y\ne f\) 也能验证)。
(2) 条件当 \(0<y<2\):\(f_{X\mid Y}(x\mid y)=\dfrac{2xy}{y(1-y^2/4)}=\dfrac{8x}{4-y^2}\),\(\dfrac y2\le x\le1\)。
当 \(0<x\le1\):\(f_{Y\mid X}(y\mid x)=\dfrac{2xy}{4x^3}=\dfrac{y}{2x^2}\),\(0\le y\le2x\)。
(3) 代入具体值再积分\(y=1\):\(f_{X\mid Y}(x\mid1)=\dfrac{8x}3\),\(\tfrac12\le x\le1\)。
\[ P(X\ge0.75\mid Y=1)=\int_{0.75}^{1}\frac{8x}{3}dx=\frac43\Big(1-\frac9{16}\Big)=\frac7{12} \]\(x=0.5\):\(f_{Y\mid X}(y\mid0.5)=2y\),\(0\le y\le1\)。
\[ P(Y\le0.5\mid X=0.5)=\int_0^{0.5}2y\,dy=\frac14 \] (4) 条件是区间(概率不为 0),回到第一章的定义 \[ P(X\ge0.75\mid Y\ge1)=\frac{P(X\ge0.75,\ Y\ge1)}{P(Y\ge1)} \]分母:\(P(Y\ge1)=\int_1^2y\big(1-\frac{y^2}4\big)dy=\Big[\frac{y^2}2-\frac{y^4}{16}\Big]_1^2=\frac9{16}\)。
分子:区域是 \(x\in[0.75,1]\)、\(y\) 从 1 到 \(2x\):\(\int_{0.75}^1dx\int_1^{2x}2xy\,dy=\int_{0.75}^1(4x^3-x)dx=\frac{119}{256}\)。
\[ P(X\ge0.75\mid Y\ge1)=\frac{119/256}{9/16}=\frac{119}{144} \]注意 (3) 和 (4) 的区别:条件是“\(Y=1\)”(单点,概率为 0)时用条件密度;条件是“\(Y\ge1\)”(概率大于 0)时直接用 \(P(AB)/P(B)\)。
下列哪个联合密度对应的 \(X,Y\) 相互独立?(“其他”处均为 0)
两个随机变量的函数的分布
已知 \((X,Y)\) 的分布,求 \(Z=g(X,Y)\) 的分布。离散型:把 \(g\) 取同一个值的格子加起来。连续型:先求分布函数 \(F_Z(z)=P(g(X,Y)\le z)\),把它变成一个区域上的二重积分,再求导得密度。和 \(X+Y\)、最大值、最小值有现成公式。
离散型
看解答
先把每个格子的 \(U,V\) 值算出来:
| \((X,Y)\) | (1,1) | (1,2) | (2,1) | (2,2) |
|---|---|---|---|---|
| 概率 | 0.2 | 0.1 | 0.3 | 0.4 |
| \(U=X+Y\) | 2 | 3 | 3 | 4 |
| \(V=\max\) | 1 | 2 | 2 | 2 |
(1) \(P(U=2)=0.2\),\(P(U=3)=0.1+0.3=0.4\),\(P(U=4)=0.4\)。
(2) \(P(V=1)=0.2\),\(P(V=2)=0.1+0.3+0.4=0.8\)。
(3) 看 \((U,V)\) 的组合:\((2,1)\) 来自 (1,1),0.2;\((3,2)\) 来自 (1,2)、(2,1),0.4;\((4,2)\) 来自 (2,2),0.4;其他组合不可能,为 0。
| \(U=2\) | \(U=3\) | \(U=4\) | |
|---|---|---|---|
| \(V=1\) | 0.2 | 0 | 0 |
| \(V=2\) | 0 | 0.4 | 0.4 |
连续型:分布函数法(万能方法)
课件还提到了二维变换公式:若 \(U=g_1(X,Y),V=g_2(X,Y)\) 有唯一反函数 \(x=h_1(u,v),y=h_2(u,v)\),则 \(f_{U,V}(u,v)=f\big(h_1,h_2\big)\,|J|\),\(J=\dfrac{\partial(h_1,h_2)}{\partial(u,v)}\) 是雅可比行列式。这和高数里二重积分换元是同一件事。
(一) \(Z=X+Y\)
被积函数 \(f_X(x)f_Y(z-x)\) 只有在“\(x\) 在 \(f_X\) 的非零范围内”且“\(z-x\) 在 \(f_Y\) 的非零范围内”时才不为 0。把这两个条件都写成关于 \(x\) 的不等式,取交集,得到的区间一般随 \(z\) 变化,于是对 \(z\) 分段。
看解答
配方:\(x^2+(z-x)^2=2\big(x-\tfrac z2\big)^2+\tfrac{z^2}2\),于是
\[ f_Z(z)=\frac1{2\pi}e^{-\frac{z^2}4}\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-(x-\frac z2)^2}dx=\frac1{2\pi}e^{-\frac{z^2}4}\sqrt\pi=\frac{1}{2\sqrt\pi}e^{-\frac{z^2}{4}} \]这正是 \(N(0,2)\) 的密度(\(\sigma^2=2\))。用到了 \(\int e^{-t^2}dt=\sqrt\pi\)。
看解答
\(f_R(z)=\int f(x)f(z-x)\,dx\)。被积函数非零要求 \(0<x<10\) 且 \(0<z-x<10\)(即 \(z-10<x<z\))。交集:\(\max(0,z-10)<x<\min(10,z)\)。
\(0<z\le10\):交集是 \((0,z)\):
\[ f_R(z)=\int_0^z\frac{(10-x)(10-z+x)}{2500}dx=\frac{600z-60z^2+z^3}{15000} \]\(10<z<20\):交集是 \((z-10,10)\):
\[ f_R(z)=\int_{z-10}^{10}\frac{(10-x)(10-z+x)}{2500}dx=\frac{(20-z)^3}{15000} \]其他情况 \(f_R(z)=0\)。在 \(z=10\) 处两段都等于 \(\tfrac1{15}\),接得上。
(二) 最大值与最小值(\(X,Y\) 独立)
看解答
已知 \(F_X(z)=1-e^{-\alpha z}\),\(F_Y(z)=1-e^{-\beta z}\)(\(z>0\))。
串联:坏一个就停,\(Z=\min(X,Y)\)。
\[ F_Z(z)=1-e^{-\alpha z}e^{-\beta z}=1-e^{-(\alpha+\beta)z},\qquad f_Z(z)=(\alpha+\beta)e^{-(\alpha+\beta)z},\ z>0 \]即 \(Z\sim\mathrm{Exp}(\alpha+\beta)\):两个“失效率”相加。
并联:都坏了才停,\(Z=\max(X,Y)\)。
\[ F_Z(z)=(1-e^{-\alpha z})(1-e^{-\beta z}),\qquad f_Z(z)=\alpha e^{-\alpha z}+\beta e^{-\beta z}-(\alpha+\beta)e^{-(\alpha+\beta)z},\ z>0 \]备用:寿命接力,\(Z=X+Y\),用卷积。\(z>0\) 时被积函数非零要求 \(0<y<z\):
\[ f_Z(z)=\int_0^z\alpha e^{-\alpha(z-y)}\beta e^{-\beta y}dy=\alpha\beta e^{-\alpha z}\int_0^z e^{-(\beta-\alpha)y}dy=\frac{\alpha\beta}{\beta-\alpha}\big(e^{-\alpha z}-e^{-\beta z}\big) \]三种方式 \(z\le0\) 时密度都为 0。
\(X_1,X_2,X_3\) 独立同分布于 \(U(0,1)\),则 \(P(\max(X_1,X_2,X_3)\le0.5)=\)?
\(X\sim N(1,4)\)、\(Y\sim N(2,9)\) 独立,则 \(X-Y\) 服从?
复习与自测
考前一张纸能装下的东西都在下面。先看“解题套路”,再做综合自测,错的题回到对应小节重读。
公式速查与解题套路
看到什么 → 想到什么
| 题目里出现 | 第一反应 |
|---|---|
| “至少一个” | 对立事件:\(1-P(\text{一个都没有})\);独立时 \(=1-\prod(1-p_i)\) |
| “已知……的条件下” | 缩小样本空间;\(P(B\mid A)=P(AB)/P(A)\) |
| 一步一步发生(先……再……) | 乘法公式 \(P(AB)=P(A)P(B\mid A)\) |
| 来自几个来源 / 分几种情况 | 全概率公式(画概率树) |
| 已经看到结果,问原因 | 贝叶斯公式 = 这条路径 ÷ 所有路径 |
| \(n\) 次独立重复、数成功次数 | 二项分布 \(B(n,p)\);\(n\) 大 \(p\) 小用泊松 \(\lambda=np\) |
| 求分布中的未知常数 | 规范性(和/积分为 1)、\(F(+\infty)=1\)、右连续 |
| 二维连续求概率 | 画图四步:\(f\ne0\) 区域 ∩ 目标区域,竖线/横线定限 |
| 求边缘 | 把另一个变量求和/积分掉 |
| 求条件(单点条件 \(Y=y\)) | 联合 ÷ 边缘,写清 \(y\) 的范围和 \(x\) 的范围 |
| 求条件(区间条件 \(Y\ge1\)) | 回到 \(P(AB)/P(B)\),分子分母各算一个二重积分 |
| 判断独立 | 离散:逐格 \(p_{ij}=p_{i\cdot}p_{\cdot j}\);连续:区域是矩形且能分解 \(r(x)g(y)\) |
| \(Z=X+Y\) | 卷积,先写两个非零条件定 \(x\) 的范围,再对 \(z\) 分段 |
| \(\max\) / \(\min\)、串联 / 并联 | \(F_{\max}=F_XF_Y\),\(F_{\min}=1-(1-F_X)(1-F_Y)\) |
第一章公式
第二章公式
第三章公式
最常见的 8 个错误
- 不互斥时把概率直接相加。
- 把 \(P(A\mid B)\) 和 \(P(B\mid A)\) 弄反。
- 以为“互斥”就是“独立”。
- 古典概型分子分母一个用排列一个用组合。
- 用分布函数算离散型概率时,端点带不带等号没处理(\(F(a)\) 还是 \(F(a-0)\))。
- 二重积分不画图,积分限写错;忘了 \(f=0\) 的区域不用积。
- 边缘、条件密度只写表达式,不写自变量范围。
- 看到 \(f=8xy\) 就说能分解所以独立,没看区域是不是矩形。
综合自测
每题点一个选项就会显示对错和解析。
\(P(A)=0.6,\ P(B)=0.5,\ P(A\mid B)=0.4\),则 \(P(A\cup B)=\)?
两厂供货 60%、40%,次品率 1%、2%。抽到一件次品,它来自第二厂的概率?
三人独立破译密码,各自成功概率 \(\tfrac12,\tfrac13,\tfrac14\)。密码被破译的概率?
\(P(X=-1)=0.2,\ P(X=1)=0.5,\ P(X=2)=0.3\)。则 \(F(1)\) 与 \(P(X<1)\) 分别是?
\(X\sim B(3,0.2)\),\(P(X\ge1)=\)?
某产品次品率 0.002,抽查 1000 件,没有次品的概率约为?
联合分布律 \(P(0,0)=0.3,\ P(0,1)=0.2,\ P(1,0)=0.5,\ P(1,1)=0\)(记作 \(P(X,Y)\))。\(X,Y\) 独立吗?
\((X,Y)\) 在三角形 \(0<y<x<1\) 上均匀分布,\(f_X(x)\)(\(0<x<1\))为?
\(f(x,y)=3x,\ 0<y<x<1\)。已知 \(X=x\)(\(0<x<1\)),\(Y\) 的条件密度是?
\(X,Y\) 独立同分布于 \(\mathrm{Exp}(\lambda)\),则 \(\min(X,Y)\) 服从?
\(X,Y\) 独立同分布于 \(U(0,1)\),\(Z=X+Y\)。\(f_Z(1.5)=\)?
关于二维正态 \((X,Y)\),下列说法正确的是?