1.3 概率的性质
利用概率的公理化定义(非负性、正则性和可列可加性), 可以导出概率的一系列性质. 以下我们逐个给出概率的一些常用性质. 首先,在概率的正则性中说明了必然事件 的概率为 1.那么可想而知,不可能事 件 的概率应该为0,下面性质正说明了这一点.
证明
由于任何事件与不可能事件之并仍是此事件本身,所以
因为不可能事件与任何事件是互不相容的,故由可列可加性公理得
从而由 得
再由非负性公理,必有
结论得证.
1.3.1 概率的可加性
Section titled “1.3.1 概率的可加性”概率的可列可加性说明了对可列个互不相容的事件 ,其可列并的概率可以分别求之再相加,那么对有限个互不相容的事件 ,其有限并的概率是否也可以分别求之再相加呢?下面性质回答了这个问题。
若有限个事件 互不相容,则有
证明
对 应用可列可加性,得
结论得证. 由有限可加性,我们就可以得到以下求对立事件概率的公式.
对任一事件 , 有
证明
因为 与 互不相容, 且 . 所以由概率的正则性和有限可加性得 . 由此得 . 有些事件直接考虑较为复杂,而考虑其对立事件则相对比较简单.对此类问题就可以利用性质1.3.3,见下面例子.
36 只大小、形状相同的灯泡中 4 只是 6 W, 其余都是 4 W 的. 现从中任取 3 只, 求至少取到一只 6 W 灯泡的概率.
解
记事件 为“取出的 3 只中至少有一只 6 W”,则 包括三种情况:取到一只 6 W 两只 4 W,或取到两只 6 W 一只 4 W,或取到三只 6 W。而 的对立事件 只包括一种情况,即“取出的 3 只全部是 4 W”,由例1.2.3 抽样模型可知
所以
抛一枚硬币 5 次, 求既出现正面又出现反面的概率.
解
记事件 为“抛5次硬币中既出现正面又出现反面”,则 的情况较复杂,因为出现正面的次数可以是1次至4次,而 的对立事件 则相对简单:5次全部是正面(记为 ),或5次全部是反面(记为 ),即 ,其中 与 互不相容,所以由对立事件公式和概率的有限可加性得
1.3.2 概率的单调性
Section titled “1.3.2 概率的单调性”可以想象: 当 被 包含时(即 发生必然导致 发生), 说明事件 比事件 更容易发生, 那么 的概率应该比 的概率大, 这可由以下性质1.3.4 的推论说明.
给出了两个有包含关系事件差的概率公式, 而性质1.3.5 给出了任意两个事件差的概率公式.
若 ,则
证明
因为 , 所以
且 与 A-B 互不相容,由有限可加性得
即得
结论得证. 推论(单调性) 若 ,则 . 很容易举例说明:以上推论的逆命题不成立,即由 无法推出 .
对任意两个事件 , , 有
证明
因为 ,且 ,所以由性质1.3.4得
结论得证. 利用性质1.3.4, 我们可以求一些较为复杂的事件的概率.
口袋中有编号为 的 个球,从中有放回地任取 次,求取出 的 个球的最大号码为 的概率.
解
记事件 为“取出的 个球的最大号码为 ”. 如果直接考虑事件 ,则比较复杂,因为“最大号码为 ”可以包括取到 1 次 、取到 2 次 、……、取到 次 . 为此我们记事件 为“取出的 个球的最大号码小于等于 ”, ,则 发生只需每次从 号球中取球即可,所以由古典概率知
又因为 ,且 ,由性质1.3.4得
譬如, ,可算得
其他的 也都可算出,现列表如下:
| k | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 和 |
| P(Ak) | 0.0046 | 0.0324 | 0.0880 | 0.1713 | 0.2824 | 0.4213 | 1.0000 |
即掷三颗骰子,最大点数不超过3的概率仅为0.1250.
1.3.3 概率的加法公式
Section titled “1.3.3 概率的加法公式”当事件之间互不相容时,有限可加性或可列可加性给出了求事件并的概率的公式.那么对一般的事件(不一定互不相容),又如何求事件并的概率?以下性质1.3.6中(1.3.5)式给出求任意两个事件并的概率加法公式,(1.3.6)式给出求任意个事件并的概率加法公式.这些性质在计算概率时是非常有用的.
对任意两个事件 , , 有
对任意 个事件 ,有
证明
先证(1.3.5)式.因为
且 与 B-AB 互不相容, 所以由有限可加性和性质1.3.5 得
下面用归纳法证明(1.3.6)式.当 n=2 时,(1.3.6)式即为(1.3.5)式.设(1.3.6)式对 n-1 成立,则对 ,先对两个事件 与 用(1.3.5)式,
然后由归纳假设,对
进行展开,经过整理合并即可知:(1.3.6)式对也成立,结论得证. 推论(半可加性) 对任意两个事件 , , 有
对任意 个事件 ,有
已知事件 , , 的概率分别为 0.4, 0.3, 0.6. 求 .
解
由加法公式 及题设条件知
由此解得 ,所以再由(1.3.4)式得
已知 , , . 则 , , 中至少发生一个的概率是多少? A, , 都不发生的概率是多少?
解
因为 ,且 ,所以由概率的单调性知 。再由加法公式,得 中至少发生一个的概率为
又因为“, , 都不发生”的对立事件为“, , 中至少发生一个”,所以由对立事件的概率公式得
一般而言,求“至少有一个发生”的概率时,用对立事件公式去求较为方便.但下面例1.3.6的配对问题却不能用对立事件去求解,而一定要将事件“至少有一个发生”表示成事件的并,然后用一般事件的加法公式去求解.
在一个有 个人参加的晚会上, 每个人带了一件礼物, 且假定各人带的礼物都不相同. 晚会期间各人从放在一起的 件礼物中随机抽取一件, 问至少有一个人自己抽到自己礼物的概率是多少?
解
以 记事件“第 个人自己抽到自己的礼物”, . 所求概率为 . 因为
所以由概率的加法公式(1.3.6)得
譬如, 当 时, 此概率为 0.6333; 当 时, 此概率的极限为 . 这表明: 即使参加晚会的人很多 (譬如 100 人以上), 事件 “至少有一个人自己抽到自己礼物” 也不是必然事件.
1.3.4 概率的连续性
Section titled “1.3.4 概率的连续性”为了讨论概率的连续性,我们先对事件序列的极限给出如下的定义.
对 中任一单调不减的事件序列 ,称可列并 为 的极限事件,记为
(2)对 中任一单调不增的事件序列 ,称可列交 为 的极限事件,记为
有了以上极限事件的定义,我们就可给出如下概率函数的连续性定义.
对 上的一个概率 (1) 若它对 中任一单调不减的事件序列 均成立
则称概率 是下连续的. (2) 若它对 中任一单调不增的事件序列 均成立
则称概率 是上连续的. 有了以上的定义,我们就可以证明概率的连续性了.
若 为事件域 上的概率, 则 既是下连续的, 又是上连续的.
证明
先证 的下连续性. 设 是 中一个单调不减的事件序列, 即
若定义 ,则
由于 ,显然诸 两两不相容,再由可列可加性得
又由有限可加性得
所以
这就证得了 的下连续性. 再证 的上连续性. 设 是单调不增的事件序列, 则 为单调不减的事件序列, 由概率的下连续性得
最后第二个等式用了德摩根公式.至此得
这就证得了 的上连续性. 下面我们对可列可加性作进一步讨论.从上面的讨论可知,由可列可加性可推出有限可加性和下连续性,但由有限可加性不能推出可列可加性.这意味着要由有限可加性去推可列可加性,还缺少条件.下面性质说明:所缺少的条件就是下连续性.
若 是 上满足 的非负集合函数, 则它具有可列可加性的充要条件是 (1) 它是有限可加的; (2) 它是下连续的.
证明
必要性可从性质1.3.2 和性质1.3.7 获得. 下证充分性. 设 是两两不相容的事件序列,由有限可加性可知:对任意有限的 都有
这个等式的左边不超过1,因此正项级数 收敛,即
记
则 为单调不减的事件序列,所以由下连续性得
综合(1.3.11)和(1.3.12)式,即得可列可加性. 从性质1.3.8 可以看出: 在概率的公理化定义中, 可以将可列可加性换成有限可加性和下连续性.
- 设事件 和 互不相容, 且 , , 求以下事件的概率: (1) A 与 中至少有一个发生; (2) 和 都发生; (3) 发生但 不发生.
- 设 , 则下列说法哪些是正确的? (1) 和 不相容; (2) 和 相容; (3) 是不可能事件; (4) 不一定是不可能事件; (5) ,或 (6) .
- 一批产品分一、二、三级,其中一级品是二级品的三倍,三级品是二级品的一半,从这批产品中随机地抽取一件,试求取到三级品的概率。
- 从 0,1,2,…,9 等十个数字中任意选出三个不同的数字,试求下列事件的概率: (1) 三个数字中不含0和5\}; (2) ; (3) 三个数字中含0但不含5\}.
- 某城市中共发行 3 种报纸 , , . 在这城市的居民中有 25% 订阅 报、20% 订阅 报、15% 订阅 报,10% 同时订阅 报 报、8% 同时订阅 报 报、5% 同时订阅 报 报、3% 同时订阅 , , 报. 求以下事件的概率: (1) 只订阅 报的; (2) 只订阅一种报纸的; (3) 至少订阅一种报纸的; (4) 不订阅任何一种报纸的.
- 某工厂一个班组共有男工 9 人、女工 5 人, 现要选出 3 个代表, 问选的 3 个代表中至少有 1 个女工的概率是多少?
- 一赌徒认为掷一颗骰子4次至少出现一次6点与掷两颗骰子24次至少出现一次双6点的机会是相等的,你认为如何?
- 从数字 中可重复地任取 次,求 次所取数字的乘积能被10整除的概率.
- 口袋中有 个黑球和 1 个白球, 每次从口袋中随机地摸出一球, 并换入一个黑球. 问第 次摸球时, 摸到黑球的概率是多少?
- 若 ,证明:对任一事件 ,有 .
- 掷 次硬币,求出现的正面数多于反面数的概率.
- 有三个人, 每个人都以同样的概率 被分配到 5 个房间中的任一间中, 试求: (1) 三个人都分配到同一个房间的概率; (2) 三个人分配到不同房间的概率.
- 一间宿舍内住有 5 位同学, 求他们之中至少有 2 个人的生日在同一个月份的概率.
- 某班 个战士各有 1 支归个人保管使用的枪, 这些枪的外形完全一样, 在一次夜间紧急集合中, 每人随机地取了 1 支枪, 求至少有 1 人拿到自己的枪的概率.
- 设 是两事件,且 ,问: (1) 在什么条件下 取到最大值, 最大值是多少? (2) 在什么条件下 取得最小值, 最小值是多少?
- 已知事件 满足 ,记 ,试求 .
- 已知 ,试求 .
- 设 ,试证 .
- 对任意的事件 , 证明: (1) ; (2)
- 设 为三个事件,且 证明:
- 设事件 的概率都是 , 且 , 证明:
- 证明: (1) ; (2)
- 证明:
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