10-概率论


第 1 章 概率论

1.1 概率空间

本节介绍概率空间 及相关记号。

定义 1.1

  1. 所有可能的结果

    称为样本点。

  2. 所有可能结果的集合,也就是所有样本点组成的集合

    称为样本空间。

这里 是指标集。例如,若

则通常把 写成 。若 ,可能结果的集合可以是不可数的。

例 1.2

  1. ,即所有自然数的集合:

  2. ,即所有实数的集合。

  3. 是所有正奇数组成的集合。

  4. 是所有水果组成的集合。例如,

    苹果菠萝

  5. 是所有颜色组成的集合。

这些例子表明,样本空间中的元素不一定是数,也可以是一般对象。

定义 1.3

设 是由 的若干子集组成的集合族。若满足下列条件,则称 是一个 -代数:

  1. ;

  2. 若 ,则

  3. 若对每个 都有

    则

-代数可以理解为一个对补集和可数并运算封闭的事件系统。

例 1.4

(1)

令

那么

是一个 -代数。

但是

不是 -代数,因为

而

(2)

令 ,并令 为 的所有子集组成的集合,则 是一个 -代数。

(3)

令 。下列集合族都是 -代数:

再令

它也是 -代数。

此外,

表示由各个二元块

的任意可数并组成的 -代数。

(4)

令 。

集合族

有限,或有限

不是 -代数。

原文本在此把 写成 ,并声称其并集 ;这与定义矛盾,因为 是有限集。标准反例应取

此时

它和它的补集都不是有限集,因而不属于 。

另一方面,

可数,或可数

是一个 -代数。

同一个样本空间上可以定义许多不同的 -代数;它们所包含的事件信息可以不同。

定义 1.5

设 是非空集合, 是 上的 -代数,则称

为可测空间。

定义 1.6

设 是可测空间。若实值函数

满足下列条件,则称 为概率测度:

  1. 对所有 ,

  2. **可数可加性:**若 是 中两两不交的可数集合列,则

  3. 归一化:

-代数对可数并封闭,保证式 (1.1) 左边的集合仍属于 ,因此其概率有定义。

命题 1.7

  1. 对所有 ,

  2. 空集的概率:

  3. 补集公式:

  4. 两个集合的并集公式:

  5. 若 ,则

  6. 若 是 中的集合列,则

  7. 若 满足

    则有从下连续性,见下一页。

在命题 1.7(7)的递增情形,

若 递减,即

则有从上连续性:

定义 1.8

三元组

称为概率空间。

例 1.9

(1)抛硬币

令

其中 表示正面, 表示反面。取

定义

则 是概率空间。原始文本层把 错读为 ,这里按概率测度公理恢复为 。

(2)掷一枚公平骰子

令

为 的所有子集组成的集合。若

并由可加性定义其他事件的概率,则 是概率空间。

(3)可数样本空间

令

为可数集, 为 的所有子集组成的集合。设实数列 满足

对所有

以及

定义集合函数

如下:

并且对任意 ,

那么 定义了一个概率测度。称

为离散概率空间,并称 为离散样本空间。

由集合族生成的 -代数

给定样本集 以及 的一个子集族 ,是否存在另一个子集族 ,满足:

  1. 包含关系:

  2. 是 -代数?

答案是肯定的。例如,可以取 为 的全部子集组成的集合。

更进一步,我们希望找到包含 的最小 -代数。它可以写成

是代数

任意多个 -代数的交仍是 -代数,因此这个最小对象确实存在。

记号 1.10

若 是包含 的最小 -代数,则称 由 生成,记作

例 1.11

令

则

例 1.12

令 ,并令 为 中所有开区间

组成的集合。由它生成的 -代数

中的集合称为博雷尔集, 称为实数轴上的博雷尔 -代数。

例如,

都属于 。

我们在实分析和概率论中通常遇到的实数子集大多是博雷尔集,但并非 的每个子集都是博雷尔集。非博雷尔集的构造需要更深入的实分析知识。

注 1.13

令

并令 为 中所有博雷尔集组成的集合,即

对区间 ,定义

这可以扩张成概率测度

称为 上的勒贝格测度,它给出区间的长度。因此

是概率空间。

习题

  1. 求下列集合族 生成的 -代数:

    1. 第一组:

    2. 第二组:

    3. 第三组:

    4. 第四组:

  2. 令

    并令

    在 上给出一个概率测度。

习题(续)

  1. 考虑概率空间 ,其中

    是 的所有子集组成的集合,并且

    原文本在样本空间中漏排了 ,但随后的概率和随机变量都使用了样本点 ,故这里按完整集合恢复。

    1. 令

      求

      和

    2. 令

      求

      和

  2. 令 ,并定义

    可数,或可数

    若 可数,定义 ;若 可数,定义 。证明 是概率空间,即证明 是 -代数,且 是概率测度。

1.2 随机变量

设 是概率空间。

定义 1.14

若函数

满足:对每个博雷尔集 ,

则称 是一个随机变量,也就是说, 关于 可测。

记号 1.15

对随机变量 和 ,记

例 1.16

设

(1)

令

对任意 ,

因此 是随机变量。

(2)

令

对 ,

若直接对所有博雷尔集 检验这个原像属于 ,会很麻烦。下面的定理给出更方便的判别方法。

定理 1.17

下列命题彼此等价:

  1. 是 上的随机变量;

  2. 对所有 ,

  3. 对所有 ,

  4. 对所有 ,

  5. 对所有 ,

因此,要检验函数是否为随机变量,通常只需检验上述半无限区间的原像。现在回到例 1.16 中的 。

例 1.18

(1)

设

若 ,则

若 ,则

若 ,则

因此 是随机变量。

(2)

下面给出一个函数不是随机变量、另一个函数是随机变量的例子。

令

并令

定义

由于

不是随机变量。

再定义

分情况有:

  1. 若 ,

  2. 若 ,

  3. 若 ,

  4. 若 ,

所以 是随机变量。

定理 1.19

  1. 若 是随机变量,而

    是博雷尔可测函数,则 是随机变量。

  2. 若 是随机变量,而 是二元博雷尔可测函数,则

    是随机变量。

  3. 若 是随机变量列,则

    都是随机变量;当逐点极限存在时,

    也是随机变量。

与 的定义可参见附录 A。

例 1.20

  1. 设 是离散概率空间,并且 是 的幂集,则 上的每一个实值函数都是随机变量。

  2. 设

    其上的随机变量恰好是定义在 上的博雷尔可测函数。

习题

  1. 令

    并定义三个函数:

    以及

    1. 令

      判断

      中哪些是 上的随机变量。

    2. 令

      判断上述五个函数中哪些是随机变量。

    3. 令

      判断上述五个函数中哪些是随机变量。

  2. 设 是 上的随机变量,且 。定义

    证明 是随机变量。

习题(续)

  1. 设 是

    上的勒贝格测度。定义

    对 ,定义

    1. 证明 是概率测度。

    2. 证明若 ,则 。此时称 关于 绝对连续。

    3. 证明存在集合 ,使

1.3 期望

定义 1.21

函数

称为集合 的示性函数。

注 1.22

示性函数 是随机变量,当且仅当

定义 1.23

  1. 设对每个 ,都有 ,并且随机变量 具有形式

    则称 为简单随机变量。

  2. 若 具有式 (1.2) 的形式,定义 的期望为

在使用这一表示时,可以把取相同值的部分合并,并把集合细分为两两不交的可测集,从而避免表示方式的重复。

例 1.24

令

并考虑

那么

注 1.25

下面把期望推广到一般正随机变量。设 。对所有 ,定义

并令

图 1.3 表示 是从下方逼近 的阶梯函数。由构造可知,对每个 ,

即

若存在某个 ,使

则定义

这里使用的是勒贝格积分。与黎曼积分按定义域分割区间不同,勒贝格积分按函数值的范围分层,并用阶梯函数或简单函数逼近被积函数。图 1.1 与图 1.2 分别示意这两种积分方法。

图 1.1:黎曼积分的逼近。 图中沿自变量轴分割定义域,再用每个小区间上的矩形逼近函数图像下方的面积。

图 1.2:勒贝格积分的逼近。 图中沿函数值轴分层,把取值落入同一层的样本点归为一组,再计算各层高度与相应测度的乘积。

若对每个 都有

则定义正随机变量 的期望为

由此,任何正随机变量都有定义良好的期望,其值可以是有限数,也可以是 。

定义 1.26

考虑一般实值随机变量 。把它分解为

其中

图 1.3: 从下方逼近 。 图中曲线表示 ,阶梯线表示 。阶梯高度以

为间隔,并且随着 增大,阶梯逼近逐点上升到 。

定义 1.26 继续如下。

  1. 只要

    和

    不同时等于 ,就定义

  2. 若

    则称 具有有限期望,并记

  3. 对 ,定义

    这称为 关于 在 上的积分。

  4. 若式 (1.3) 存在且有限,则称 在 上关于 可积。

注 1.27

  1. 若 在 下具有累积分布函数 ,则

    更一般地,若

    是博雷尔可测函数,则

  2. 若 在 下具有概率密度函数 ,则

    且

  3. 若 在 下具有概率质量函数 ,可能取值为

    则

    且

例 1.28

(1)

令

并定义

令

那么

并且

(2)

设 在 上服从均值为 、方差为 的标准正态分布,则其概率密度函数为

于是

同理,

因为被积函数是奇函数。

此外,

命题 1.29

  1. **绝对可积性。**积分

    存在且有限,当且仅当

    这一点与允许条件收敛的某些黎曼积分情形不同。

  2. 线性性。

  3. **关于集合的可加性。**若 两两不交,则

  4. **正性。**若 在 上 -几乎处处成立,则

  5. **单调性。**若

    在 上 -几乎处处成立,则

这里,“性质在 -几乎处处成立”或“-几乎必然成立”,是指该性质成立的概率等于 ;也就是说,它至多在一个概率为 的集合上不成立。

命题 1.29 的最后一条性质为:

  1. 模不等式。

定理 1.30

  1. **控制收敛定理。**若

    在 上 -几乎处处成立,而且对每个 ,

    在 上 -几乎处处成立,其中

    则

  2. **单调收敛定理。**若 ,且

    在 上 -几乎处处成立,则

  3. **法图引理。**若对每个 ,都有 在 上 -几乎处处成立,则

  4. **詹森不等式。**若 是凸函数,并且 与 都可积,则

习题

  1. 设 为固定常数,并定义凸函数

    设 服从均值为 、方差为 的正态分布,即 的概率密度函数为

    1. 求

    2. 验证詹森不等式确实成立:

习题(续)

  1. 对每个正整数 ,定义均值为 、方差为 的正态密度

    1. 求函数

    2. 求

    3. 注意,

      解释为什么这并不违反单调收敛定理。

  2. 设 是

    上的勒贝格测度。定义

    对 ,定义

    1. 证明 是概率测度。

    2. 证明若 ,则 。此时称 关于 绝对连续。

    3. 证明存在集合 ,满足


文章作者: Gustavo
版权声明: 本博客所有文章除特別声明外,均采用 CC BY-NC 4.0 许可协议。转载请注明来源 Gustavo !
评论
  目录