概率空间与随机变量的概念

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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)(\Omega, \mathcal{F}, \mathbf{P})定义了一个概率空间。

其中Ω\Omega是样本空间,即一个随机试验的所有可能结果,F\mathcal{F}是样本空间Ω\Omega的子集的集合,称为σ\sigma-域(σ\sigma-field),P\mathbf{P}是概率函数。

定义 σ\sigma-field:样本空间Ω\Omega的子集的集合F\mathcal{F}要成为σ\sigma-field,必须要满足:

  • ΩF\Omega\in\mathcal{F};
  • EF\text{E}\in\mathcal{F},则EcF\text{E}^c\in\mathcal{F}
  • E1,E2,F\text{E}_1,\text{E}_2,\cdots\in\mathcal{F},则i=1EiF\cup_{i=1}^{\infty}\text{E}_i\in\mathcal{F}

其中E\text{E}是样本空间Ω\Omega的某个子集,又叫事件。

定义 概率:定义在F\mathcal{F}上的实函数P\mathbf{P}被称为概率或概率测度,它必须满足

  • 对于一切EF\text{E}\in\mathcal{F}都有P(E)0\mathbf{P}(\text{E})\geq 0;
  • P(Ω)=1\mathbf{P}(\Omega)=1
  • E1,E2,F\text{E}_1,\text{E}_2,\cdots\in\mathcal{F}两两互斥,即对于任意iji\neq j都有E1E2=\text{E}_1\cap \text{E}_2=\emptyset,则P(i=1Ei)=i=1P(Ei)\mathbf{P}(\cup_{i=1}^{\infty}\text{E}_i)=\sum_{i=1}^{\infty}\mathbf{P}(\text{E}_i)

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XX,是样本空间Ω\Omega到实轴R\mathbb{R}的一个可测函数。

XX是可测度的,即对任意AB(R)A\in\mathcal{B}(\mathbb{R}),都有X1(A)={ωΩ:X(ω)A}FX^{-1}(A)=\{\omega\in\Omega:X(\omega)\in A\}\in\mathcal{F}

接下来定义随机变量的分布。

定义 分布:随机变量XX的分布PX\text{P}_XXX(R,B(R))(\mathbb{R},\mathcal{B}(\mathbb{R}))上诱导(induced)生成的概率测度,用公式表达为,对于任意AB(R)A\in \mathcal{B}(\mathbb{R}),都有

PX(A)=P(X1(A))=P(ωX(ω)A)\text{P}_X(A)=\mathbf{P}(X^{-1}(A))=\mathbf{P}(\omega|X(\omega)\in A)

因此,PX=PX1\text{P}_X=\mathbf{P}\circ X^{-1}在没有歧义的时候,PX\text{P}_X可以简写为P\text{P}。很容易可以证明,P\text{P}也是一个概率测度。

定义 累积分布函数XX的累积分布函数(cdf)FX\text{F}_X定义为

FX=PX(Xx)\text{F}_X=\text{P}_X(X\leq x)

其中xRx\in \mathbb{R}

XX推广为多维随机向量时,就是表示从样本空间Ω\OmegaRn\mathbb{R}^n的函数。