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 Ω 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.
P(∅)=0.
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
Ω = Ω ∪ ∅ ∪ ∅ … ∪ ∅ ∪ … .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
P (Ω) = P (Ω) + P (∅) + … + P (∅) + … ,从而由 P(Ω) = 1 得
P (∅) + P (∅) + … = 0,再由非负性公理,必有
P (∅) = 0.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 A₁, A₂, … ,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 A₁, A₂, …, Aₙ ,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 A₁, A₂, …, Aₙ 互不相容,则有
P (cup_ i = 1 ^ n A _ i) = ∑_ i = 1 ^ n P (A _ i). (1.3.1)证明
对 A₁, A₂, …, Aₙ, ∅, ∅, … 应用可列可加性,得
r l P (A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n) & = P (A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n ∪ ∅ ∪ ∅ ∪ …) & = P (A _ 1) + P (A _ 2) + … + P (A _ n) + P (∅) + P (∅) + … & = P (A _ 1) + P (A _ 2) + … + P (A _ n).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 A,有
P (overline A) = 1 - P (A). (1.3.2)证明
因为 A 与 overlineA 互不相容,且 Ω = A ∪ overlineA.所以由概率的正则性和有限可加性得 1 = P(A) + P(overlineA).由此得 P(overlineA) = 1 - P(A) . 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 A 为“取出的 3 只中至少有一只 6 W”,则 A 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 A 的对立事件 overlineA 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
P (overline A) = frac binom 3 2 3binom 3 6 3 = frac 2 4 83 5 7 = 0. 6 9 5.所以
P (A) = 1 - P (overline A) = frac 1 0 93 5 7 = 0. 3 0 5.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 A 为“抛5次硬币中既出现正面又出现反面”,则 A 的情况较复杂,因为出现正面的次数可以是1次至4次,而 A 的对立事件 overlineA 则相对简单:5次全部是正面(记为 B ),或5次全部是反面(记为 C ),即 overlineA = B ∪ C ,其中 B 与 C 互不相容,所以由对立事件公式和概率的有限可加性得
r l P (A) & = 1 - P (overline A) = 1 - P (B ∪ C) = 1 - P (B) - P (C) & = 1 - frac 12 ^ 5 - frac 12 ^ 5 = frac 1 51 6.1.3.2 概率的单调性
Section titled “1.3.2 概率的单调性”可以想象: 当 B 被 A 包含时(即 B 发生必然导致 A 发生), 说明事件 A 比事件 B 更容易发生,那么 A 的概率应该比 B 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 A ⊃ B ,则
P (A - B) = P (A) - P (B). (1.3.3)证明
因为 A ⊃ B,所以
A = B ∪ (A - B),且 B 与 A-B 互不相容,由有限可加性得
P (A) = P (B) + P (A - B),即得
P (A - B) = P (A) - P (B).结论得证. 推论(单调性) 若 A ⊃ B ,则 P(A) ≥slant P(B) . 很容易举例说明:以上推论的逆命题不成立,即由 P(A) ≥slant P(B) 无法推出 A ⊃ B .
对任意两个事件 A, B,有
P (A - B) = P (A) - P (A B). (1.3.4)证明
因为 A - B = A - AB ,且 AB ⊂ A ,所以由性质1.3.4得
P (A - B) = P (A - A B) = P (A) - P (A B).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 1,2,…,n 的 n 个球,从中有放回地任取 m 次,求取出 的 m 个球的最大号码为 k 的概率.
解
记事件 Aₖ 为“取出的 m 个球的最大号码为 k”. 如果直接考虑事件 Aₖ ,则比较复杂,因为“最大号码为 k”可以包括取到 1 次 k、取到 2 次 k、……、取到 m 次 k. 为此我们记事件 Bᵢ 为“取出的 m 个球的最大号码小于等于 i”, i=1,2,…,n ,则 Bᵢ 发生只需每次从 1,2,…,i 号球中取球即可,所以由古典概率知
P (B _ i) = frac i ^ mn ^ m, i = 1, 2, … , n.又因为 Aₖ = Bₖ - Bₖ - 1 ,且 Bₖ - 1⊂ Bₖ ,由性质1.3.4得
r l P (A _ k) & = P (B _ k - B _ k - 1) = P (B _ k) - P (B _ k - 1) & = frac k ^ m - (k - 1) ^ mn ^ m, k = 1, 2, … , n.譬如, n = 6, m = 3, k = 4 ,可算得
P (A _ 4) = frac 4 ^ 3 - 3 ^ 36 ^ 3 = frac 3 72 1 6 = 0. 1 7 1 3.其他的 P(Aₖ) 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n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 A, B,有
P (A ∪ B) = P (A) + P (B) - P (A B). (1.3.5)对任意 n 个事件 A₁, A₂, …, Aₙ ,有
r l P (cup_ i = 1 ^ n A _ i) & = ∑_ i = 1 ^ n P (A _ i) - ∑_ 1 ≤slant i < j ≤slant n P (A _ i A _ j) + & ∑_ 1 ≤slant i < j < k ≤slant n P (A _ i A _ j A _ k) + … + (- 1) ^ n - 1 P (A _ 1 A _ 2 … A _ n). (1.3.6)证明
先证(1.3.5)式.因为
A ∪ B = A ∪ (B - A B),且 A 与 B-AB 互不相容,所以由有限可加性和性质1.3.5 得
P (A ∪ B) = P (A) + P (B - A B) = P (A) + P (B) - P (A B).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 n,先对两个事件 (A₁∪ A₂∪…∪ Aₙ-1) 与 Aₙ 用(1.3.5)式,
r l P (A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n) & = P (A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n - 1) + P (A _ n) - & P ((A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n - 1) ∩ A _ n) & = P (A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n - 1) + P (A _ n) - & P ((A _ 1 A _ n) ∪ (A _ 2 A _ n) ∪ … ∪ (A _ n - 1 A _ n)).然后由归纳假设,对
P (A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n - 1) text 及 P ((A _ 1 A _ n) ∪ (A _ 2 A _ n) ∪ … ∪ (A _ n - 1 A _ n))进行展开,经过整理合并即可知:(1.3.6)式对n也成立,结论得证. 推论(半可加性) 对任意两个事件 A, B,有
P (A ∪ B) ≤slant P (A) + P (B). (1.3.7)对任意 n 个事件 A₁, A₂, …, Aₙ ,有
P (cup_ i = 1 ^ n A _ i) ≤slant ∑_ i = 1 ^ n P (A _ i). (1.3.8)已知事件 A, B, A ∪ B 的概率分别为 0.4, 0.3, 0.6. 求 P(A overlineB) .
解
由加法公式 P(A ∪ B) = P(A) + P(B) - P(AB) 及题设条件知
0. 6 = 0. 4 + 0. 3 - P (A B),由此解得 P(AB)=0.1 ,所以再由(1.3.4)式得
P (A overline B) = P (A - B) = P (A) - P (A B) = 0. 4 - 0. 1 = 0. 3.已知 P(A)=P(B)=P(C)=1/4 , P(AB)=0 , P(AC)=P(BC)=1/16.则 A, B, C 中至少发生一个的概率是多少? A, B, C 都不发生的概率是多少?
解
因为 P(AB) = 0 ,且 ABC ⊂ AB ,所以由概率的单调性知 P(ABC) = 0 。再由加法公式,得 A, B, C 中至少发生一个的概率为
r l P (A ∪ B ∪ C) & = P (A) + P (B) + P (C) - P (A B) - P (A C) - P (B C) + P (A B C) & = frac 34 - frac 21 6 = frac 58.又因为“A, B, C 都不发生”的对立事件为“A, B, C 中至少发生一个”,所以由对立事件的概率公式得
P (A, B, C text 都不发生 ) = 1 - frac 58 = frac 38.一般而言,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 n 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 n 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 Aᵢ 记事件“第 i 个人自己抽到自己的礼物”, i = 1,2,…,n.所求概率为 P(A₁ ∪ A₂ ∪ … ∪ Aₙ).因为
P (A _ 1) = P (A _ 2) = … = P (A _ n) = frac 1n,l P (A _ 1 A _ 2) = P (A _ 1 A _ 3) = … = P (A _ n - 1 A _ n) = frac 1n (n - 1), P (A _ 1 A _ 2 A _ 3) = P (A _ 1 A _ 2 A _ 4) = … = P (A _ n - 2 A _ n - 1 A _ n) = frac 1n (n - 1) (n - 2),P (A _ 1 A _ 2 … A _ n) = frac 1n !.所以由概率的加法公式(1.3.6)得
P (A _ 1 ∪ A _ 2 ∪ … ∪ A _ n) = 1 - frac 12 ! + frac 13 ! - frac 14 ! + … + (- 1) ^ n - 1 frac 1n !.譬如,当 n=5 时,此概率为 0.6333; 当 n → ∞ 时,此概率的极限为 1 - e⁻1 = 0.632.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 F 中任一单调不减的事件序列 F₁ ⊂ F₂ ⊂ … ⊂ Fₙ ⊂ … ,称可列并 cupₙ=1^(∞) Fₙ 为 {Fₙ} 的极限事件,记为
lim _ n arrow ∞ F _ n = cup_ n = 1 ^ ∞ F _ n. (1.3.9)(2)对 mathcalF 中任一单调不增的事件序列 E₁ ⊃ E₂ ⊃ … ⊃ Eₙ ⊃ … ,称可列交 capₙ=1^(∞) Eₙ 为 {Eₙ} 的极限事件,记为
lim _ n arrow ∞ E _ n = cap_ n = 1 ^ ∞ E _ n. (1.3.10)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 mathcalF 上的一个概率 P (1) 若它对 F 中任一单调不减的事件序列 {Fₙ} 均成立
lim _ n → ∞ P (F _ n) = P (lim _ n → ∞ F _ n),则称概率 P 是下连续的. (2) 若它对 F 中任一单调不增的事件序列 {Eₙ} 均成立
lim _ n → ∞ P (E _ n) = P (lim _ n → ∞ E _ n),则称概率 P 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 P 为事件域 F 上的概率,则 P 既是下连续的,又是上连续的.
证明
先证 P 的下连续性.设 {Fₙ} 是 mathcalF 中一个单调不减的事件序列,即
cup_ i = 1 ^ ∞ F _ i = lim _ n arrow ∞ F _ n.若定义 F₀ = ∅ ,则
cup_ i = 1 ^ ∞ F _ i = cup_ i = 1 ^ ∞ (F _ i - F _ i - 1).由于 Fᵢ - 1⊂ Fᵢ ,显然诸 (Fᵢ - Fᵢ - 1) 两两不相容,再由可列可加性得
P (cup_ i = 1 ^ ∞ F _ i) = ∑_ i = 1 ^ ∞ P (F _ i - F _ i - 1) = lim _ n → ∞ ∑_ i = 1 ^ n P (F _ i - F _ i - 1).又由有限可加性得
∑_ i = 1 ^ n P (F _ i - F _ i - 1) = P (cup_ i = 1 ^ n (F _ i - F _ i - 1)) = P (F _ n).所以
P (lim _ n arrow ∞ F _ n) = lim _ n arrow ∞ P (F _ n).这就证得了 P 的下连续性. 再证 P 的上连续性.设 {Eₙ} 是单调不增的事件序列,则 {overlineEₙ} 为单调不减的事件序列,由概率的下连续性得
r l 1 - lim _ n → ∞ P (E _ n) & = lim _ n → ∞ [ 1 - P (E _ n) ] = lim _ n → ∞ P (overline E _ n) & = P (cup_ n = 1 ^ ∞ overline E _ n) = P (overline cap_ n = 1 ^ ∞ E _ n) & = 1 - P (cap_ n = 1 ^ ∞ E _ n).最后第二个等式用了德摩根公式.至此得
lim _ n → ∞ P (E _ n) = P (cap_ n = 1 ^ ∞ E _ n).这就证得了 P 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 P 是 mathcalF 上满足 P(Ω) = 1 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 Aᵢ ∈ F, i = 1, 2, … 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 n 都有
P (cup_ i = 1 ^ n A _ i) = ∑_ i = 1 ^ n P (A _ i).这个等式的左边不超过1,因此正项级数 ∑ᵢ=1^(∞) P(Aᵢ) 收敛,即
lim _ n → ∞ P (cup_ i = 1 ^ n A _ i) = lim _ n → ∞ ∑_ i = 1 ^ n P (A _ i) = ∑_ i = 1 ^ ∞ P (A _ i). (1.3.11)记
F _ n = cup_ i = 1 ^ n A _ i,则 {Fₙ} 为单调不减的事件序列,所以由下连续性得
lim _ n → ∞ P (cup_ i = 1 ^ n A _ i) = lim _ n → ∞ P (F _ n) = P (cup_ n = 1 ^ ∞ F _ n) = P (cup_ n = 1 ^ ∞ A _ n). (1.3.12)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 A 和 B 互不相容,且 P(A) = 0.3 , P(B) = 0.5,求以下事件的概率: (1) A 与 B 中至少有一个发生; (2) A 和 B 都发生; (3) A 发生但 B 不发生.
- 设 P(AB) = 0,则下列说法哪些是正确的? (1) A 和 B 不相容; (2) A 和 B 相容; (3) AB 是不可能事件; (4) AB 不一定是不可能事件; (5) P(A) = 0 ,或 P(B) = 0 (6) P(A - B) = P(A) .
- 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) A₁={ 三个数字中不含0和5\}; (2) A₂ = {三个数字中不含 0 或 5} ; (3) A₃ = { 三个数字中含0但不含5\}.
- 某城市中共发行 3 种报纸 A, B, C.在这城市的居民中有 25% 订阅 A 报、20% 订阅 B 报、15% 订阅 C 报,10% 同时订阅 A 报 B 报、8% 同时订阅 A 报 C 报、5% 同时订阅 B 报 C 报、3% 同时订阅 A, B, C 报.求以下事件的概率: (1) 只订阅 A 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 1,2,… ,9 中可重复地任取 n 次,求 n 次所取数字的乘积能被10整除的概率.
- 口袋中有 n - 1 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 k 次摸球时,摸到黑球的概率是多少?
- 若 P(A) = 1 ,证明:对任一事件 B ,有 P(AB) = P(B) .
- 掷 2n + 1 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 1 / 5 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 n 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 A, B 是两事件,且 P(A) = 0.6, P(B) = 0.8 ,问: (1) 在什么条件下 P(AB) 取到最大值,最大值是多少? (2) 在什么条件下 P(AB) 取得最小值,最小值是多少?
- 已知事件 A, B 满足 P(AB) = P(overlineA ∩ overlineB) ,记 P(A) = p ,试求 P(B) .
- 已知 P(A) = 0.7, P(A - B) = 0.4 ,试求 P(overlineAB) .
- 设 P(A) = α, P(B) = 1 - α ,试证 P(AB) = P(overlineA ∩ overlineB) .
- 对任意的事件 A, B, C,证明: (1) P(AB) + P(AC) - P(BC) ≤slant P(A) ; (2) P(AB) + P(AC) + P(BC) ≥slant P(A) + P(B) + P(C) - 1.
- 设 A, B, C 为三个事件,且 P(A) = a, P(B) = 2a, P(C) = 3a, P(AB) = P(AC) = P(BC) = b. 证明: a ≤slant 1/4, b ≤slant 1/4.
- 设事件 A, B, C 的概率都是 1/2,且 P(ABC) = P(overlineA ∩ overlineB ∩ overlineC),证明:
- 证明: (1) P(AB) ≥slant P(A) + P(B) - 1 ; (2) P(A₁A₂… Aₙ)≥slant P(A₁) + P(A₂) + … +P(Aₙ) - (n - 1).
- 证明: