中学阶段的概率的概念,无法满足后续学习的要求,因此必须从测度论角度重新定义概率。本文整理了一些相关概念。
1 概率的公理化定义
定义 概率空间(probability space):三元参数组(Ω,F,P)定义了一个概率空间。
其中Ω是样本空间,即一个随机试验的所有可能结果,F是样本空间Ω的子集的集合,称为σ-域(σ-field),P是概率函数。
定义 σ-field:样本空间Ω的子集的集合F要成为σ-field,必须要满足:
- Ω∈F;
- 若E∈F,则Ec∈F;
- 若E1,E2,⋯∈F,则∪i=1∞Ei∈F。
其中E是样本空间Ω的某个子集,又叫事件。
定义 概率:定义在F上的实函数P被称为概率或概率测度,它必须满足
- 对于一切E∈F都有P(E)≥0;
- P(Ω)=1;
- 若E1,E2,⋯∈F两两互斥,即对于任意i=j都有E1∩E2=∅,则P(∪i=1∞Ei)=∑i=1∞P(Ei)。
以上这三条性质,也叫概率公理(axioms of probability)。在现代概率论中,所谓概率就是满足这三条公理的函数。
2 随机变量的定义
对于随机试验来说,与其对概率空间上的原始概率结构进行分析,不如先对概率结构进行归纳,归纳成随机变量,再对随机变量进行分析。
定义 随机变量:随机变量X,是样本空间Ω到实轴R的一个可测函数。
X是可测度的,即对任意A∈B(R),都有X−1(A)={ω∈Ω:X(ω)∈A}∈F。
接下来定义随机变量的分布。
定义 分布:随机变量X的分布PX是X在(R,B(R))上诱导(induced)生成的概率测度,用公式表达为,对于任意A∈B(R),都有
PX(A)=P(X−1(A))=P(ω∣X(ω)∈A)
因此,PX=P∘X−1在没有歧义的时候,PX可以简写为P。很容易可以证明,P也是一个概率测度。
定义 累积分布函数:X的累积分布函数(cdf)FX定义为
FX=PX(X≤x)
其中x∈R。
当X推广为多维随机向量时,就是表示从样本空间Ω到Rn的函数。