第四章 概率

参考书目为安德森的《商务与经济统计》,以下为个人的学习总结,如果有错误欢迎指正。有需要本书pdf的,链接在本文末尾。(仅限个人学习使用,请勿牟利)

第四章 概率

概率(probability):对某一特定时间发生的可能性的数值度量。

4.1 试验、计数法则和概率分配

在概率论中,我们把可以产生明确结果的过程定义为试验(experiment)。一次试验对应一次结果。
一旦确定了试验的所有可能结果,就确定了试验的样本空间(sample space),试验的样本空间是试验所有可能结果组成的一个集合。
任何一个特定的试验结果叫样本点(sample point),它是样本空间的一个元素。

4.1.1 计数法则、组合和排列

多步骤试验(multiple-step experiment):如果一个试验可以分为循序的k个步骤,在第1步中有n_1种试验结果,在第2步种有n_2种试验结果...以此类推,那么所有可能的结果为n_1 \times n_2 \times \cdots \times n_k。如抛多次硬币

树形图(tree diagram):是一种帮助分析多步骤试验的图形。

image

样本空间S=\{(H,H),(H,T),(T,H),(T,T)\}(H为正面朝上,T为反面朝上)
共有4个样本点

组合(combinations):在从N项种选取n项的试验种,还有组合计数法则来确定试验结果的数目。
从n项取m项的组合数:C_n^m=\frac{n!}{m!(n-m)!},规定0!=1

排列(permutations,arrangement)
从n项取m项的排列数:A_n^m=\frac{n!}{(n-m)!},有的教材用P也可以

4.1.2 概率分配

概率分配的基本条件:

  1. 分配给每个试验结果的概率值都应该在0到1(包含0和1)之间;
  2. 所有试验结果的概率之和为1

古典法(classical method)当各种试验结果是等概率发生时,适合采用古典法进行概率分配。n个结果,每个结果的概率为1/n。

相对频数法(relative frequency method):相对频数法适用于试验可以大量重复进行。如下图连续20天上午9点的候诊人数。

无候诊患者的概率为2/20=0.1

主观法(subjective method)——商务应用种可以把古典法、相对频数法联合主观法结合在一起。

4.1.3 肯塔基光电公司项目的概率

如图所示,根据往期40个类似项目情况,根据相对频数法来估算可能的概率。


image

4.2 事件及其概率

事件(event):事件是样本点的一个集合。
事件的概率等于事件种所有样本点的概率之和。

4.3 概率的基本性质

4.3.1 事件的补

事件A的补(complement of A):为所有不包含在事件A种的样本点。记为A^c。下图为文氏图(venn diagram)

image

自然有:P(A)+P(A^c)=1

4.3.2 加法公式

事件A和事件B的并(union of A and B):A和B的并是所有的属于A或B或同时属于二者的样本点构成的事件,记作A\cup B
事件A和事件B的交(intersection of A and B):A和B的交是同时属于A和B的样本点构成的事件,记作A \cap B

下面的文氏图方便大家理解:

image

加法公式P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)

互斥事件:如果两个事件没有共同的样本点,则称这两个事件互斥
互斥事件的加法公式P(A\cup B)=P(A)+P(B)

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4.4 条件概率

条件概率(conditional probability):记作P(A | B)(读作:事件B发生的条件下事件A发生的概率),符号"|"用来表明我们是在事件B已经发生的条件下考虑A发生的可能性。

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image

两事件的交,称为联合概率(joint probability)(图中白色部分)
边际概率(marginal probability),图中灰色部分。并且总是可以由联合概率按行和列求和得到。

条件概率:P(A|B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)}(理解:分母发生P(B)的概率,分子发生P(A\cap B的概率)
如上述男性升职概率:P(A|M)=\frac{0.24}{0.80}=0.30

4.4.1 独立事件

独立事件(independent events):事件A和事件B是相互独立的,
若:P(A|B)=P(A) 或 P(B|A)=P(B)则A、B两事件相互独立,否则两个事件是相依的。

4.4.2 乘法公式

用于计算两个事件交的概率。乘法公式就是根据条件概率的基础转化而来的。
乘法公式(multiplication law)
P(A\cap B)=P(B)P(A|B)
P(A\cap B)=P(A)P(B|A)(理解右边式子已经发生了A,那么在乘在A情况下发生B的概率即可)

如:报纸订阅,D事件“某住户订阅了报纸”,S事件“不仅订阅了报纸还定了特刊”;即P(D)=0.84P(S|D)=0.75
P(A \cap B)=P(D)P(S|D)=0.84 \times 0.75=0.63

独立事件的乘法公式P(A\cap B)=P(A)P(B)
当然也可以用这个公式来判断两个事件是否相互独立,如果不等于则相依。
如:加油站用信用卡的用户为80%,A事件是第一名顾客用信用卡,B事件是第二名顾客用信用卡。
P(A\cap B)=P(A)P(B)=0.8\times 0.8=0.64

4.5 贝叶斯定理

初始/先验概率(prior probability):是指根据以往经验和分析得到的概率
后验概率(posterior probability):当获得了有关该事件新的信息时,就可以计算修正概率对先验概率进行更新而得到后验概率。
贝叶斯定理(Bayes's theorem):提供了计算后验概率的方法。如下图

image

贝叶斯定理(两事件的情形)
P(A_1|B)=\frac{P(A_1)P(B|A_1)}{P(A_1)P(B|A_1)+P(A_2)P(B|A_2)}
P(A_2|B)=\frac{P(A_2)P(B|A_2)}{P(A_1)P(B|A_1)+P(A_2)P(B|A_2)}

贝叶斯定理常用于:我们希望计算后验概率的那些事件是互斥的,并且他们构成了整个样本空间。对n个互斥事件A_1,A_2,\cdots,A_n,它们的并是整个样本空间。可以利用下面的贝叶斯定理计算任何后验概率P(A_i|B),即贝叶斯定理
P(A_i|B)=\frac{P(A_i)P(B|A_i)}{P(A_1)P(B|A_1)+P(A_2)P(B|A_2)+\cdots+P(A_n)P(B|A_n)}

4.5.1 表格法

用表格法帮助完成贝叶斯定理中的计算。
第一步:准备三列数据:
第1列——需要计算后验概率的互斥事件A_i
第2列——事件的先验概率P(A_i)
第3列——新信息B关于每个事件A_i的条件概率P(B|A_i)
第二步:在第四列中用乘法公式计算P(A_i)P(B|A_i)
第三步:sum(第四列),且和为概率P(B)
第四步:在第五列利用条件概率的基本关系计算后验概率

如下面这张图:


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