前言

感谢B站up主高数叔!每次上课之前打个铃,很有仪式感。

第一章 随机事件与概率

随机事件关系及其运算

名称 符号 理解 集合定义
AA 包含 BB A⊃BA\supset B 事件 BB 发生必有事件 AA 发生 BB 是 AA 的子集
AA 与 BB 相等 A=BA=B 事件 AA 发生必有事件 AA 发生
且事件 BB 发生必有事件 AA 发生
AA 与 BB 包含的样本点相同
AA 与 BB 的和 A∪BA\cup B 事件 A∪BA\cup B 发生 ⇔\Leftrightarrow 事件 AA 发生或事件 BB 发生 AA 与 BB 的并集
AA 与 BB 的积 A∩BABA\cap B \\ AB 事件 A∩BA\cap B 发生 ⇔\Leftrightarrow 事件 AA 发生且事件 BB 发生 AA 与 BB 的交集
AA 与 BB 的差 A−BA−ABAB‾A-B \\ A-AB \\ A\overline{B} 事件 A−ABA-AB 发生 ⇔\Leftrightarrow 事件 AA 发生且事件 BB 不发生 AA 与 BB 的差集
AA 与 BB 互斥 AB=∅AB=\varnothing 事件 AA 与事件 BB 不会同时发生 AA 与 BB 没有共同的样本点
AA 的对立事件 A‾\overline{A} 每次试验事件 AA 与 A‾\overline{A} 有且仅有一个发生 A∪A‾=S,AA‾=∅A\cup \overline{A}=S,A\overline{A}=\varnothing

事件运算满足交换律、结合律、分配律和德摩根律。

德摩根律

A∪B‾=A‾∩B‾,A∩B‾=A‾∪B‾\overline{A\cup B}=\overline{A}\cap\overline{B}, \overline{A\cap B}=\overline{A}\cup\overline{B}

A∪B∪C‾=A‾∩B‾∩C‾,A∩B∩C‾=A‾∪B‾∪C‾\overline{A\cup B\cup C}=\overline{A}\cap\overline{B}\cap\overline{C}, \overline{A\cap B\cap C}=\overline{A}\cup\overline{B}\cup\overline{C}

简记为:长杠变短杠,开口变方向。

概率定义与性质

有限可加性:设 A1,A2,...,AnA_1,A_2,...,A_n 是两两互不相容的事件,则有

P(⋃i=1nAi)=∑i=1nP(Ai)P\left(\bigcup_{i=1}^n A_i \right)=\sum_{i=1}^n P(A_i)

减法公式: P(A−B)=P(AB‾)=P(A)−P(AB)P(A-B)=P(A\overline{B})=P(A)-P(AB) 。特别地,若 A⊂BA\subset B, 则有 P(A)≤P(B)P(A)\le P(B) ,且 P(B−A)=P(B)−P(A)P(B-A)=P(B)-P(A)

加法公式:

P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(AB)P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(AB)

P(A∪B∪C)=P(A)+P(B)+P(C)−P(AB)−P(BC)−P(AC)+P(ABC)P(A\cup B \cup C)=P(A)+P(B)+P(C)-P(AB)-P(BC)-P(AC)+P(ABC)

P(⋃i=1nAi)=∑k=1n(−1)k−1∑1≤i1<i2<⋯<ik≤nP(Ai1Ai2⋯Aik) (即 OI 中的容斥原理)P\left(\bigcup_{i=1}^n A_i \right)=\sum_{k=1}^n (-1)^{k-1} \sum_{1\le i_1<i_2<\cdots<i_k\le n} P\left( A_{i_1}A_{i_2}\cdots A_{i_k}\right) \ \text{(即 OI 中的容斥原理)}

古典概型与几何概型

古典概型:有限样本点,等可能性

P(A)=A 中基本事件个数 x基本事件总数 nP(A)=\frac{A\ 中基本事件个数\ x}{基本事件总数\ n}

几何概型:从均匀的有界几何图形(线段、平面、空间等)中随机抽取一点落在特定大小的子图形中的概率,

P(A)=A 的长度(或面积、体积)Ω 的长度(或面积、体积)P(A)=\frac{A\ 的长度(或面积、体积)}{\Omega\ 的长度(或面积、体积)}

条件概率与乘法公式

条件概率:已知 AA 发生情况下 BB 发生的概率

P(B∣A)=P(AB)P(A), P(A)>0P(B\vert A)=\frac{P(AB)}{P(A)}, \ P(A)>0

性质:

  1. 0≤P(B∣A)≤10\le P(B\vert A)\le 1
  2. P(S∣A)=1P(S\vert A)=1
  3. P(A‾∣B)=1−P(A∣B)P(\overline{A}\vert B)=1-P(A\vert B)
  4. P(A+B∣C)=P(A∣C)+P(B∣C)−P(AB∣C)P(A+B\vert C)=P(A\vert C)+P(B\vert C)-P(AB\vert C)

乘法公式:本质就是条件概率公式的变形

P(AB)=P(B∣A)P(A)P(AB)=P(B\vert A)P(A)

全概率公式和贝叶斯公式

完备事件组:一组事件能将样本空间铺满,且他们两两之间没有交集,就是完备事件组。又称为样本空间的划分。

全概率公式:对于完备事件组 B1,B2,...,BnB_1,B_2,...,B_n 有

P(A)=∑i=1nP(ABi)=∑i=1nP(A∣Bi)P(Bi)P(A)=\sum_{i=1}^n P(AB_i)=\sum_{i=1}^n P(A\vert B_i)P(B_i)

理解:前一个等式是利用 BB 将 AA 进行完备划分,后一个等式是对中间项使用了乘法公式。

贝叶斯公式:

P(Bi∣A)=P(BiA)P(A)=P(A∣Bi)P(Bi)∑j=1nP(A∣Bj)P(Bj)\displaystyle P(B_i\vert A)=\frac{P(B_iA)}{P(A)}=\frac{P(A\vert B_i)P(B_i)}{\displaystyle\sum_{j=1}^n P(A\vert B_j)P(B_j)}

理解:前一个等式是条件概率公式,后一个等式是分子用乘法公式(也可以理解为针对另一事件的条件概率公式逆运用),分母是全概率公式。

事件的独立性

A 和 B 相互独立⇔P(AB)=P(A)P(B)⇔P(B)=P(B∣A)⇔P(B∣A)=P(B∣A‾)⇔P(A∣B)=P(A∣B‾)\begin{aligned} A\ 和\ B\ 相互独立 & \Leftrightarrow P(AB)=P(A)P(B) \\ & \Leftrightarrow P(B)=P(B\vert A) \\ & \Leftrightarrow P(B\vert A)=P(B\vert \overline{A}) \\ & \Leftrightarrow P(A\vert B)=P(A\vert \overline{B}) \end{aligned}

事件 AA 和 BB 相互独立,则 AA 和 B‾\overline{B} , A‾\overline{A} 和 BB , A‾\overline{A} 和 B‾\overline{B} 也相互独立。

如果两个事件的概率都不为零,那么他们独立则不互斥,互斥则不独立。

三个事件相互独立,必须同时满足

P(AB)=P(A)P(B)P(AC)=P(A)P(C)P(BC)=P(B)P(C)P(ABC)=P(A)P(B)P(C)\begin{aligned} & P(AB)=P(A)P(B) \\ & P(AC)=P(A)P(C) \\ & P(BC)=P(B)P(C) \\ & P(ABC)=P(A)P(B)P(C) \end{aligned}

如果只满足前三个,叫做两两相互独立,但不是三个事件相互独立。

第二章 随机变量及其概率分布

离散型随机变量

基本概念

随机变量:随机变量 XX 是定义在随机试验样本空间 S={e}S=\{e\} 上的单实值函数,记为 X=X(e)X=X(e) 。实际上是一个函数,将事件映射为数值,使之可以用数学手段处理。

离散型随机变量:随机变量的全部可能取值是有限个或可列无限个。可列无限个是指能与自然数一一对应上。

对于离散型随机变量 XX 的所有可能取值 xk(k=1,2,...n)x_k(k=1,2,...n) , XX 取到各个可能取值的概率为 P(X=xk)=pk,(k=1,2,3,...)P(X=x_k)=p_k,(k=1,2,3,...) 成为随机变量 XX 的概率分布(或分布律)。

性质:

  1. pk≥0,(k=1,2,...)\displaystyle p_k\ge 0, (k=1,2,...)
  2. ∑k=1+∞pk=1\displaystyle \sum_{k=1}^{+\infty} p_k=1

随机变量的分布函数:可以视为随机变量概率的前缀和, F(x)=P(X≤x),−∞<x<+∞F(x)=P(X\le x), -\infty<x<+\infty 。用于作差查询区间概率。

特点:

  1. 单调不减
  2. F(a<X≤b)=F(b)−F(a)F(a<X\le b)=F(b)-F(a)
  3. 0≤F(x)≤1, F(−∞)=0, F(+∞)=10\le F(x) \le 1,\ F(-\infty)=0, \ F(+\infty)=1
  4. 离散型随机变量的分布函数右连续,左不连续,存在跳跃间断点

三个重要的离散型随机变量

0-1分布: P(X=1)=p, P(X=0)=1−p\displaystyle P(X=1)=p,\ P(X=0)=1-p ,其实是 n=1n=1 条件下的二项分布的特殊情况

二项分布: P(X=k)=Cnkpkqn−k,(k=0,1,2,...)\displaystyle P(X=k)=C_n^k p^k q^{n-k},(k=0,1,2,...) ,简记为 B(n,p)B(n,p)

泊松分布: P(X=k)=λke−λk!,(k=0,1,2,...)\displaystyle P(X=k)=\frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!},(k=0,1,2,...) ,简记为 P(λ)P(\lambda) 或 π(λ)\pi(\lambda) 。其中 λ>0\lambda>0 是一个常数,表示单位时间(空间)内随机事件发生的平均次数。

泊松定理

设 λ>0\lambda>0 是一个常数, nn 是任意正整数,设 npn=λnp_n=\lambda ,则对于任一固定的非负整数 kk ,有

lim⁡n→∞Cnkpnk(1−pn)n−k=λke−λk!\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty} C_n^k p_n^k(1-p_n)^{n-k}=\frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!}

当 nn 很大, pp 很小的时候,二项分布就变成了泊松分布,且 λ=np\lambda=np 。

P(X=k)=Cnkpkqn−k≈(np)ke−npk!P(X=k)=C_n^k p^k q^{n-k} \approx \frac{(np)^k e^{-np}}{k!}

优点:不需要再求出 nn 和 pp 具体是多少,只需要知道一个乘积就可以知道其分布情况。

连续型随机变量

基本概念

若存在非负可积函数 f(x)f(x) ,使得对任意实数 xx 都有

F(x)=∫−∞xf(t)dtF(x)=\int_{-\infty}^x f(t) \mathrm{d} t

则称 f(x)f(x) 为连续型随机变量 XX 的概率密度。

简言之,概率密度函数是分布函数的导数,分布函数是概率密度函数的积分(从负无穷积到 xx )。

特点:

  1. f(x)≥0f(x)\ge 0
  2. ∫−∞+∞f(x)dx=1\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \mathrm{d} x = 1
  3. P(x1<X≤x2)=F(x2)−F(x1)=∫x1x2f(x)dx\displaystyle P(x_1<X\le x_2)=F(x_2)-F(x_1)=\int_{x_1}^{x_2}f(x) \mathrm{d} x ,端点取不取等都一样
  4. 若 f(x)f(x) 在点 xx 处连续,则有 F′(x)=f(x)F'(x)=f(x)

三个重要的连续型随机变量

均匀分布 指数分布 正态分布
记法 X∼U[a,b]X\sim U[a,b] X∼E(λ) 或 X∼Exp(λ)X\sim E(\lambda) \ 或 \ X\sim \mathrm{Exp}(\lambda) X∼N(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2)
概率密度 f(x)={1b−a,a≤x≤b0,其他f(x)=\left\{\begin{aligned} & \frac{1}{b-a}, && a\le x\le b \\ & 0, && 其他\end{aligned}\right. f(x)={λe−λx,x>00,其他f(x)=\left\{\begin{aligned}& \lambda \mathrm{e}^{-\lambda x}, && x>0 \\& 0, && 其他\end{aligned}\right. φ(x)=12πσe−(x−μ)22σ2,−∞<x<+∞\displaystyle \varphi(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \mathrm{e}^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}, \\ -\infty<x<+\infty
分布函数 F(x)={0,x≤ax−ab−a,a<x<b1,x≥bF(x)=\left\{\begin{aligned}& 0, && x\le a \\& \frac{x-a}{b-a}, && a<x<b \\& 1, && x\ge b\end{aligned}\right. F(x)={1−e−λx,x>00,其他F(x)=\left\{\begin{aligned} & 1-\mathrm{e}^{-\lambda x}, && x>0 \\ & 0, && 其他\end{aligned}\right. F(x)=12πσ∫−∞xe−(t−μ)22σ2dt,−∞<t<+∞\displaystyle F(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\int_{-\infty}^x \mathrm{e}^{-\frac{(t-\mu)^2}{2\sigma^2}} \mathrm{d} t, \\ -\infty<t<+\infty
特点 相当于几何概型 无记忆性 P(X>s+t∣X>s)=P(X>t)P(X>s+t\vert X>s)=P(X>t) 关于 x=μx=\mu 对称,在 x=μx=\mu 取最大值,在 μ±σ\mu\plusmn\sigma 处是拐点

标准正态分布

X∼N(0,1),μ=0,σ=1X\sim N(0,1), \mu=0, \sigma=1

f(x)=12πe−x22f(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}} \mathrm{e}^{-\frac{x^2}{2}}

性质:

  1. 关于 x=0x=0 对称, f(−x)=f(x)f(-x)=f(x)
  2. 【重要】分布函数 Φ(−x)=1−Φ(x)\displaystyle \Phi(-x)=1-\Phi(x)
  3. 【非常重要】正态分布标准化:若 X∼N(μ,σ2)\displaystyle X\sim N(\mu,\sigma^2) 则 Z=X−μσ∼N(0,1)\displaystyle Z=\frac{X-\mu}{\sigma}\sim N(0,1) 。此时 F(x)=P(X≤x)=P(X−μσ≤x−μσ)=P(Z≤x−μσ)=Φ(x−μσ)\displaystyle F(x)=P(X\le x)=P(\frac{X-\mu}{\sigma}\le \frac{x-\mu}{\sigma})=P(Z\le \frac{x-\mu}{\sigma})=\Phi(\frac{x-\mu}{\sigma})
  4. P(x1<X<x2)=P(x1−μσ<X−μσ≤x2−μσ)=Φ(x2−μσ)−Φ(x1−μσ)\displaystyle P(x_1<X<x_2)=P(\frac{x_1-\mu}{\sigma}<\frac{X-\mu}{\sigma}\le\frac{x_2-\mu}{\sigma})=\Phi(\frac{x_2-\mu}{\sigma})-\Phi(\frac{x_1-\mu}{\sigma})
  5. P(X≥x)=1−P(X<x)=1−Φ(x−μσ)\displaystyle P(X\ge x)=1-P(X<x)=1-\Phi(\frac{x-\mu}{\sigma})
  6. Φ(a)−Φ(−a)=2Φ(a)−1\Phi(a)-\Phi(-a)=2\Phi(a)-1

随机变量函数的分布

Q:什么叫“随机变量函数”?

A:简单来说就是随机变量套随机变量。更具体地,即一个随机变量 YY 关于另一个随机变量 XX 的变化而变化,将这种关系抽象为一种函数关系,例如 Y=2X+8Y=2X+8 。

这里的 XX 和 YY 不是具体的实数,而是随机变量,其具有的属性也不是一个数值,而包含了定义域(样本空间)、分布律(或概率密度)、分布函数等多个属性。

由于随机变量本身就是一种函数,那么随机变量套随机变量其实是一种复合函数,相关的求导运算需要满足复合函数的运算律。

Q:什么叫“随机变量函数的分布”?

A:其实就是在上述的那种函数关系中,我们更加关注的是,如何从其中一个随机变量的定义域/概率密度/分布函数/分布律出发,得出另一个随机变量的定义域/概率密度/分布函数/分布律。

离散型随机变量函数的分布

X的分布律↔代数运算Y的分布律↕↕X的分布函数Y的分布函数\begin{matrix} X的分布律 & \xleftrightarrow{代数运算} & Y的分布律 \\ \updownarrow & & \updownarrow\\ X的分布函数 & & Y的分布函数 \end{matrix}

这四个量可以知一求三。

连续型随机变量函数的分布

分布函数法:知道一个概率密度,要求另一个概率密度,不能直接求,必须借助两个分布函数作为中间量。

X的概率密度Y的概率密度↕↕X的分布函数↔反表示Y的分布函数\begin{matrix} X的概率密度 & & Y的概率密度 \\ \updownarrow & & \updownarrow\\ X的分布函数 & \xleftrightarrow{反表示} & Y的分布函数 \end{matrix}

这四个量也可以知一求三。