Файл: Лекции (Теория вероятности).pdf

Лекция 1

Случайные события

Определение 1.1 Элементарным исходом (или элементарным событием) называют любой простейший (т.е. неделимый в рамках данного опыта) исход опыта. Множество всех элементарных исходов будем называть пространством элементарных исходов.

Другими словами, множество исходов опыта образует пространство элементарных исходов, если выполнены следующие требования:

1) в результате опыта один из исходов обязательно происходит; 2)появление одного из исходов опыта исключает появление остальных;

3)в рамках данного опыта нельзя разделить элементарный исход на более мелкие составляющие. В дальнейшем пространство элементарных исходов будем обозначать прописной буквой -, а сами элементарные исходы строчной буквой !, снабженной, при необходимости, индексами. То, что элемент ! принадлежит -, записывают в виде ! 2 -, а тот факт, что множество - состоит

из элементов !1, !2, :::, !n, :::, и только из них, записывают в виде - = f!1;!2;:::;!n;:::g или в виде - = f!i; i = 1; 2; :::; n;:::g. В частности, - может содержать конечное число элементарных

исходов.

Рассмотрим примеры, поясняющие понятие пространства элементарных исходов.

Пример 1.1 Пусть опыт состоит в однократном подбрасывании монеты. При математическом описании этого опыта естественно отвлечься от несущественных возможностей (например, монета встанет на ребро) и ограничиться только двумя элементарными исходами: выпадением “герба” (можно обозначить этот исход Г, !Г или !1) и выпадением “цифры” (Ц, !Ц или !2). Таким образом,

f!ГГ; !ГЦ; !ЦГ; !ЦЦg; где !ГГ появление “герба” и при первом, и при втором подбрасываниях, и т.д.

Пример 1.2 При однократном бросании игральной кости возможен любой из шести элементарных исходов !1; :::; !6, где !i; i = 1;6, означает появление i очков на верхней грани кости, т.е. - =

f!i; i = 1;6g:

При двукратном бросании игральной кости каждый из шести возможных исходов при первом бросании может сочетаться с каждым из шести исходов при втором бросании, т.е. - = f!ij; i;j = 1;6g; где !ij исход опыта, при котором сначала выпало i, а затем j очков.

Нетрудно подсчитать, что пространство элементарных исходов - содержит 36 элементарных исходов.

Пример 1.3 Пусть опыт заключается в определении числа вызовов, поступивших на телефонную станцию в течение заданного промежутка времени. Разумеется, реально это число не превышает некоторого значения (определяемого, в частности, пропускной способностью линий связи), но, поскольку это значение может быть достаточно большим, в качестве пространства элементарных исходов можно принять множество целых неотрицательных чисел, т.е. - = f0; 1; :::; n; :::g:

Пример 1.4 Предположим, что стрелок производит единственный выстрел по плоской мишени. В этом случае - естественно отождествить с множеством точек на плоскости или множеством пар (x;y) действительных чисел, где x абсцисса, а y ордината точки попадания пули в мишень в некоторой системе координат. Таким образом, - = f(x;y) : ¡1 < x < +1; ¡1 < y < +1g:

1

События, действия над ними

Введем понятие случайного события. Поскольку в дальнейшем будем рассматривать только случайные события, то, начиная с этого момента, будем называть их, как правило, просто событиями.

Определение 1.2 Любой набор элементарных исходов, или, иными словами, произвольное подмножество пространства элементарных исходов, называют событием.

Элементарные исходы, которые являются элементами рассматриваемого подмножества (события), называют элементарными исходами, благоприятствующими данному событию, или образующими это событие.

События будем обозначать прописными латинскими буквами, снабжая их при необходимости индексами, например: A, B1, C3 и т.д.

Сразу же оговоримся, что определение 1.2 события будет уточнено в следующем параграфе в том случае, когда - не является счетным множеством. Здесь же мы вводим определение 1.2 по двум причинам.

Во-первых, основная цель настоящего параграфа наглядно показать, как физическое понятие случайного события формализуется в математических понятиях теории множеств, и описать операции над событиями.

Во-вторых, определение 1.2 вполне удовлетворительно можно применять для решения практических задач, в то время как строгое определение события служит лишь для построения теории вероятностей как раздела современной математики, оперирующей логически безупречными, но сложными для неподготовленного читателя понятиями.

Часто используется следующая терминология: говорят, что событие A произошло (или наступило), если в результате опыта появился какой-либо из элементарных исходов ! 2 A.

Пример 1.5 В примере 1.2 было показано, что при однократном бросании игральной кости - = f!i; i = 1;6g; где !i элементарный исход, заключающийся в выпадении i очков. Рассмотрим следующие события: A выпадение четного числа очков; B выпадение нечетного числа очков; C выпадение числа очков, кратного трем. Очевидно, что A = f!2;!4;!6g; B = f!1;!3;!5g и C = f!3;!6g:

Определение 1.3 Событие, состоящее из всех элементарных исходов, т.е. событие, которое обязательно происходит в данном опыте, называют достоверным событием.

Достоверное событие, как и пространство элементарных исходов, обозначают буквой -.

Определение 1.4 Событие, не содержащее ни одного элементарного исхода, т.е. событие, которое никогда не происходит вданном опыте, называют невозможным событием.

Невозможное событие будем обозначать символом ;.

Пример 1.6 При бросании игральной кости достоверное событие можно описать, например, как выпадение хотя бы одного очка, а невозможное как выпадение 7 очков. #

Часто бывает полезно наглядно представить события в виде диаграммы Эйлера Венна. Изобразим все пространство элементарных исходов прямоугольником. При этом каждый элементарный исход ! соответствует точке внутри прямоугольника, а каждое событие A некоторому подмножеству точек этого прямоугольника. Трактовкой диаграммы Эйлера Венна может служить опыт с бросанием случайным образом частицы в прямоугольник. Тогда элементарный исход ! это попадание частицы в точку ! прямоугольника, а событие A в часть прямоугольника, задаваемую подмножеством A.

Рассмотрим теперь операции (действия) над событиями, которые, по существу, совпадают с операциями над подмножествами. Эти операции будем иллюстрировать на диаграммах ЭйлераВенна. На рис. 1.2–1.7 заштрихованы области, которые соответствуют событиям, являющимся результатами таких операций.

Определение 1.5 Пересечением (произведением) двух событий A и B

называют событие C, происходящее тогда и только тогда, когда одновременно происходят оба события A и B, т.е. событие, состоящее из тех и только тех элементарных исходов, которые принадлежат и событию A, и событию B.

Пересечение событий A и B записывают следующим образом:

2

Определение 1.6 События A и B называют несовместными, или непересекающимися, если их пересечение является невозможным событием, т. е. если A \ B = ;. В противном случае события называют совместными, или пересекающимися.

Рис. 1.3.

Определение 1.7 Объединением (суммой) двух событий A и B называют событие C, происходящее тогда и только тогда, когда происходит хотя бы одно из событий A или B, т. е. событие C, состоящее из тех элементарных исходов, которые принадлежат хотя бы одному из подмножеств A или B.

Объединение событий A и B записывают в виде

Рис. 1.4.

C = A [ B; или C = A + B:

Аналогично определяют понятия произведения и суммы событий для любого конечного числа событий и даже для бесконечных последовательностей событий. Так, событие

1

A1A2 :::An ::: = \ An

n=1

состоит из элементарных исходов, принадлежащих всем событиям An ; n 2 N, а событие

1

A1 [ A2 [ ::: [ An [ ::: = [ An

n=1

состоит из элементарных исходов, принадлежащих хотя бы одному из событий An; n 2 N. В частности, события A1;A2;:::;An называют попарно несовместными (непересекающимися), если AiAj = ; для любых i;j = 1;n; i =6 j, и несовместными (непересекающимися) в совокупности, если A1A2 :::An = ;:

Следует отметить, что все действия над событиями можно получить с помощью только двух действий объединения и дополнения (или пересечения и дополнения). Основанием для этого утверждения служат законы де Моргана, а также соотношение A n B = AB:

Кроме перечисленных выше действий над событиями нам в дальнейшем понадобится понятие включения.

Определение 1.10 Событие A включено в событие B, что записывают A ½ B, если появление события A обязательно влечет за собой наступление события B (, или каждый элементарный исход !, принадлежащий A, обязательно принадлежит и событию B.

Ясно, что включение A ½ B эквивалентно равенству AB = A. Используют и обратное понятие: событие B включает событие A (B ¾ A), если A ½ B.

Рис. 1.7.

3

Пример 1.7 Рассмотрим техническое устройство (ТУ), состоящее из m элементов. В теории надежности принято говорить, что элементы соединены последовательно, если ТУ прекращает функционировать при отказе любого элемента, и соединены параллельно, если прекращение функционирования ТУ наступает только при отказе всех m элементов. Условное изображение параллельного и последовательного соединений представлено на рис. 1.8 и 1.9 соответственно. Обозначим A событие, означающее отказ ТУ, а Ai событие, означающее отказ i-го элемента (i = 1;m). Тогда события A и Ai связаны соотношениями

A = A1 [ ::: [ Am и A = A1 \ ::: \ Am Рис. 1.8.

для последовательного соединения и параллельного соединения соответственно. Очевидно, что при параллельном соединении элементов событие A включено в каждое

событие Ai, i = 1;m, а при последовательном соединении, наоборот, любое событие Ai, i = 1;m, включено в событие A. #

Приведем основные свойства операций над событиями, справедливость которых нетрудно проверить, пользуясь диаграммами Эйлера Венна (проделайте это самостоятельно).

3.Дистрибутивность относительно сложения: (A [ B)C = AC [ BC:

4.Дистрибутивность относительно умножения (новое свойство, не выполняющееся для чисел):

AB [ C = (A [ C)(B [ C):

5.Включение A в B, т.е. A ½ B, влечет за собой включение B в A, т.е. A ¾ B.

6.Совпадение двойного дополнения с исходным событием: A = A:

7.Совпадение суммы и произведения одинаковых событий с самим событием A [ A = AA = A:

8. Законы де Моргана: A [ B = A B; AB = A [ B:

Замечание 1.1 Законы де Моргана верны для любого конечного числа событий:

A1 [ A2 [ ::: [ An = A1 A2 :::An

A1 A2 ::: An = A1 [ A2 [ ::: [ An:

Сигма-алгебра событий

Впредыдущем параграфе мы назвали событием любое подмножество пространства элементарных исходов -. Такое определение допустимо, если - является конечным или счетным множеством. Оказывается, однако, что в случае несчетного множества элементарных исходов уже нельзя построить логически непротиворечивую теорию, называя событием произвольное подмножество множества -. Поэтому событиями в этом случае называют не любые подмножества элементарных исходов, а только подмножества из -, принадлежащие некоторому классу B. Этот класс в теории множеств принято называть сигма-алгеброй событий (пишут ¾-алгебра).

Сточки зрения здравого смысла событие это то, что мы наблюдаем после проведения опыта.

Вчастности, если можно после опыта установить, произошли или нет события A и B, то можно также сказать, произошли или нет события A и B, объединение, пересечение и разность событий

A и B. Таким образом, ¾- алгебра событий обязана быть классом подмножеств, замкнутым относительно приведенных операций над подмножествами, т.е. указанные операции над элементами (подмножествами) данного класса приводят к элементам (подмножествам) того же класса.

Дадим теперь строгое определение ¾-алгебры событий.

Определение 1.11 Сигма-алгеброй (¾-алгеброй) событий B назовем непустую систему подмножеств пространства элементарных исходов -, удовлетворяющую следующим двум условиям.

1.Если подмножество A принадлежит B, то дополнение A принадлежит B.

2.Если подмножества A1; A2; :::; An; ::: принадлежат B, то их объединение A1 [A2 [:::[An [:::

иих пересечение A1 A2 ::: An ::: принадлежит B.

Поскольку - = A[A и ; = -, то достоверное событие - и невозможное событие ; принадлежат

B.

В случае конечного или счетного пространства элементарных исходов - в качестве ¾-алгебры событий обычно рассматривают множество всех подмножеств -.

Замечание 1.2 Если в условии 2 счетное множество событий заменить на конечное, то получим определение алгебры событий. Любая ¾-алгебра событий обязательно является алгеброй событий. Обратное утверждение, вообще говоря, не верно.

4

Пример 1.8 Пусть опыт состоит в подбрасывании один раз тетраэдра, каждая грань которого помечена одним из чисел 1, 2, 3 и 4.

Очевидно, что пространство элементарных исходов - в этом опыте имеет вид - = f!1;!2;!3;!4g; где !i падение тетраэдра на грань с числом i; i = 1;4.

Поскольку в рассматриваемом опыте может происходить одно из следующих событий:

;;

f!1g; f!2g; f!3g; f!4g;

f!1;!2g; f!1;!3g; f!1;!4g; f!2;!3g; f!2;!4g; f!3;!4g; f!1;!2;!3g; f!1;!2;!4g; f!1;!3;!4g; f!2;!3;!4g;

- = f!1;!2;!3;!4g;

то алгебра событий будет содержать все подмножества -, включая - (достоверное событие) и ; (невозможное событие).

5

Лекция 2

Вероятность

Говоря о событиях, мы с различной степенью уверенности относимся к возможности их наступления. Так, с большей уверенностью можно утверждать, что при однократном подбрасывании монеты выпадет “герб”, чем при однократном бросании игральной кости 6 очков. Говорят, что первое событие более вероятно, чем второе.

Что же такое вероятность события? Напрашивается каждому событию A поставить в соответствие число P(A), которое будет являться мерой возможности его появления. Если принять P(-) = 1, а P(;) = 0 (хотя можно было взять другую единицу измерения), то тогда для любого события A естественно ожидать, что 0 6 P(A) 6 1.

Определение вероятности как меры возможности появления события в современной математике вводится на основании аксиом. Но, прежде чем перейти к аксиоматическому определению, остановимся на нескольких других определениях, которые исторически возникли раньше. Они, с одной стороны, позволяют лучше понять смысл аксиоматического определения, а с другой во многих случаях являются рабочим инструментом для решения практических задач. Приведем их, следуя хронологическому порядку появления.

Классическое определение вероятности

В классическом определении вероятности исходят из того, что пространство элементарных исходов - содержит конечное число элементарных исходов, причем все они равновозможны. Понятие равновозможности поясним следующим образом.

Элементарные исходы в некотором опыте называют равновозможными, если в силу условий проведения опыта можно считать, что ни один из них не является объективно более возможным, чем другие. Опыт, удовлетворяющий условию равновозможности элементарных исходов, часто называют также “классической схемой”.

Пусть N общее число равновозможных элементарных исходов в -, а NA число элементарных исходов, образующих событие A (или, как говорят, благоприятствующих событию A.

Определение 2.1 Вероятностью события A называют отношение числа NA благоприятствующих событию A элементарных исходов к общему числу N равновозможных элементарных исходов, т.е.

P(A) =

Данное определение вероятности события принято называть классическим определением вероятности.

Заметим, что наряду с названием “классическая схема” используют также названия “случайный выбор”, “равновероятный выбор” и т.д.

Пример 2.1 Из урны, содержащей k = 10 белых и l = 20 черных шаров (шары отличаются лишь цветом), наугад вынимают один шар. Требуется найти вероятность P(A) события A, заключающегося в том, что из урны извлечен белый шар.

Для решения поставленной задачи заметим, что число элементарных исходов в данном опыте совпадает с общим числом шаров в урне N = k + l = 30, причем все исходы равновозможны, а число благоприятствующих событию A исходов NA = k = 10. Поэтому в соответствии с определением

классической вероятности P(A) = k k+ l = 13: #

Используя классическое определение вероятности события, докажем следующие свойства.

Свойство 2.1 Для любого события A вероятность удовлетворяет неравенству P(A) > 0:

Доказательство. Свойство очевидно, так как отношение NA=N не может быть отрицательным.

6