Кіріспе
Математикалық ұғым, математикалық ұғым. Ықтималдық теориясында, ықтималдық кеңістік немесе ықтималдық үштік – кездейсоқ процесс немесе "эксперименттің" формалды үлгісін ұсынатын математикалық құрылым. Мысалы, бір текше лақтыруын модельдейтін ықтималдық кеңістігін анықтауға болады. Ықтималдық кеңістігі үш элементтен тұрады: Үлгі кеңістігі, – барлық мүмкін нәтижелер жиынтығы. Оқиғалар кеңістігі, – оқиғалар жиынтығы, ал оқиға – үлгі кеңістігіндегі нәтижелер жиынтығы. Ықтималдық функциясы, – оқиғалар кеңістігіндегі әрбір оқиғаға 0 мен 1 (қоса алғанда) аралығындағы ықтималдық санын тағайындайды. Ықтималдықтың үлгісін беру үшін, бұл элементтер ықтималдық аксиомаларын қанағаттандыруы керек. Стандартты текше лақтыру мысалында, үлгі кеңістігі әдетте жиынтық болып табылады, онда жиынтықтағы әрбір элемент сол санға текшенің түсу нәтижесін көрсететін белгі болып табылады. Мысалы, текше 1-ге түскендегі нәтижені көрсетеді. Оқиғалар кеңістігі үлгі кеңістігінің барлық ішкі жиынтықтарынан тұруы мүмкін, онда қарапайым оқиғалар ("текше 5-ке түседі") және күрделі оқиғалар ("текше жұп санға түседі") сияқты жағдайлар болады. Ықтималдық функциясы әрбір оқиғаны сол оқиғадағы нәтижелер санының 6-ға бөлінуіне сәйкестендіреді – мысалы, саны санына, ал саны санына сәйкестендіріледі. Эксперимент жүргізілген кезде, ол үлгі кеңістігінен дәл бір нәтиже береді. Таңдалған нәтижені қамтитын оқиғалар кеңістігіндегі барлық оқиғалар "орын алған" деп есептеледі. Ықтималдық функциясы осылай анықталуы керек, егер эксперимент кездейсоқ көп рет қайталанса, әрбір оқиғаның орын алу санының эксперименттердің жалпы санына қатынасы сол оқиғаға тағайындалған ықтималдыққа жақындауы тиіс. Кеңес математигі Андрей Колмогоров 1930 жылдары ықтималдық кеңістігі және ықтималдық аксиомалары туралы ұғымды енгізді. Қазіргі заманғы ықтималдық теориясында аксиоматизацияның басқа да тәсілдері бар, мысалы, кездейсоқ шамалар алгебрасы.
the mathematical concept
In probability theory, a probability space or a probability triple is a mathematical construct that provides a formal model of a random process or "experiment". For example, one can define a probability space which models the throwing of a
A probability space consists of three elements:
A sample space, , which is the set of all possible outcomes. An event space, which is a set of events, , an event being a set of outcomes in the sample space. A probability function, , which assigns, to each event in the event space, a probability, which is a number between 0 and 1 (inclusive). In order to provide a model of probability, these elements must satisfy probability axioms. In the example of the throw of a standard die,
The sample space is typically the set where each element in the set is a label which represents the outcome of the die landing on that label. For example, represents the outcome that the die lands on 1. The event space could be the set of all subsets of the sample space, which would then contain simple events such as ("the die lands on 5"), as well as complex events such as ("the die lands on an even number"). The probability function would then map each event to the number of outcomes in that event divided by 6 – so for example, would be mapped to , and would be mapped to
When an experiment is conducted, it results in exactly one outcome from the sample space All the events in the event space that contain the selected outcome are said to "have occurred". The probability function must be so defined that if the experiment were repeated arbitrarily many times, the number of occurrences of each event as a fraction of the total number of experiments, will most likely tend towards the probability assigned to that event. The Soviet mathematician Andrey Kolmogorov introduced the notion of a probability space and the axioms of probability in the 1930s. In modern probability theory, there are alternative approaches for axiomatization, such as the algebra of random variables.
Кіріспе
Ықтималдық кеңістігі — нақты әлемдегі жағдайлардың белгілі бір класы үшін модельді ұсынатын математикалық үштік. Басқа модельдердегідей, оның авторы , , және элементтерін анықтайды. Үлгі кеңістігі — барлық мүмкін нәтижелердің жиынтығы. Нәтиже — модельдің бір рет орындалуының нәтижесі. Нәтижелер табиғат күйі, мүмкіндіктер, тәжірибелік нәтижелер және т.б. болуы мүмкін. Нақты әлемдегі жағдайдың (немесе эксперименттің) әрбір жағдайы дәл бір нәтижеге әкелуі тиіс. Егер эксперименттің әртүрлі кезеңдерінің нәтижесі қандай да бір маңызды жағынан өзгеше болса, онда олар әртүрлі нәтижелер болып табылады. Қандай айырмашылықтар маңызды екені біз жүргізетін талдау түріне байланысты. Бұл үлгілік кеңістіктің әртүрлі таңдауына әкеледі. σ-алгебра — біз қарастыратын барлық оқиғалардың жиынтығы. Бұл жинақта элементарлық оқиғалардың әрқайсысы болуы мүмкін немесе болмауы мүмкін. Мұнда «оқиға» — нөл немесе одан да көп нәтижелер жиынтығы; яғни, үлгі кеңістігінің кіші жиынтығы. Тәжірибе кезінде «оқиға» болған деп саналады, егер соңғысының нәтижесі оқиғаның элементі болса. Бір нәтиже көптеген оқиғалардың мүшесі бола алатындықтан, бір нәтижеге байланысты көптеген оқиғалардың болуы мүмкін. Мысалы, сынақ екі ойыншық текше тастаудан тұратын болса, 7 пипстің қосындысы бар барлық нәтижелер жиынтығы оқиға болуы мүмкін, ал пипстердің тақ саны бар нәтижелер басқа оқиға болуы мүмкін. Егер нәтиже алғашқы текшеде екі пип және екіншісінде бес пип болса, онда екі оқиға да, «7 пип» және «пиптердің тақ саны» болды деп айтылады. Ықтималдық өлшемі — оқиғаның ықтималдығын қайтаратын жиынтық функция. Ықтималдық — нөл (мүмкін емес оқиғалардың ықтималдығы нөл, бірақ ықтималдығы нөл оқиғалары міндетті түрде мүмкін емес) және бір (оқиға дерлік сөзсіз орын алады, дерлік толық сенімділікпен) арасындағы нақты сан. Осылайша, — бұл функция. Ықтималдық өлшемі функциясы екі қарапайым талапты қанағаттандыруы тиіс: Біріншіден, өзара ерекшеленетін оқиғалардың саналатын одағының ықтималдығы осы оқиғалардың әрқайсысының ықтималдығының саналатын қосындысына тең болуы керек. Мысалы, өзара ерекшеленетін оқиғалардың бірігу ықтималдығы және бір монетаны лақтырудың кездейсоқ эксперименті , ықтималдығы мен ықтималдығының қосындысы болып табылады . Екіншіден, үлгі кеңістігінің ықтималдығы 1-ге тең болуы керек (бұл модельдің орындалуы кезінде белгілі бір нәтиже болуы керек екенін көрсетеді). Алдыңғы мысалда нәтижелер жиынтығының ықтималдығы бірге тең болуы керек, өйткені нәтиже бір ғана монетаны лақтырып жібергенде немесе (модель кез-келген басқа мүмкіндікті елемейтін) болады. Үлгі кеңістігінің әрбір қосалқы жиынтығы міндетті түрде оқиға деп қарастырылмайды: кейбір қосалқы жиынтықтар қызықты емес, басқаларын «өлшеу» мүмкін емес. Бұл ақшаны лақтырып тастау сияқты жағдайда айқын көрінбейді. Басқа мысалда, адам найза лақтыру ұзындығын қарастыруы мүмкін, мұнда оқиғалар әдетте «60 мен 65 метр арасындағы» және осындай аралықтардың одақтары сияқты аралықтар болып табылады, бірақ «60 мен 65 метр арасындағы иррационалды сандар» сияқты жиынтықтар емес.
Дискреттік жағдай
Дискреттік ықтималдық теориясы тек саналатын үлгі кеңістіктерін қажет етеді. Ықтималдықтарды ықтималдық массалық функциясы арқылы берілген кеңістіктің нүктелеріне тағайындауға болады, осылайша, кеңістіктің барлық ішкі жиындарын оқиғалар ретінде қарастыруға болады (демек, бұл қуат жиыны). Ықтималдық өлшемі келесі қарапайым түрде болады. Ең үлкен σ-алгебра толыққанды ақпаратты сипаттайды. Жалпы жағдайда, σ-алгебра шекті немесе саналатын бөлініске сәйкес келеді, ал оқиғаның жалпы түрі келесідей болады. Бұл жағдай анықтама бойынша рұқсат етілгенімен, сирек қолданылады, себебі мұндай жағдайды үлгі кеңістігінен қауіпсіз түрде шығарып тастауға болады.
The greatest σ algebra describes the complete information. In general, a σ algebra corresponds to a finite or countable partition , the general form of an event being See also the examples. The case is permitted by the definition, but rarely used, since such can safely be excluded from the sample space.
Жалпы жағдай
Егер Ω санауға келмейтін болса, бәрібір, кейбір ω үшін P(ω) ≠ 0 болуы мүмкін; мұндай ω атомдар деп аталады. Олар ең көп дегенде саналатын (бос болуы мүмкін) жиын, оның ықтималдығы барлық атомдардың ықтималдықтарының қосындысына тең. Егер бұл қосынды 1-ге тең болса, онда үлгі кеңістігінен қалған барлық нүктелерді қауіпсіз түрде алып тастауға болады, соның нәтижесінде дискретті жағдайға ораламыз. Әйтпесе, егер барлық атомдардың ықтималдықтарының қосындысы 0 мен 1 арасында болса, онда ықтималдық кеңістігі дискретті (атомдық) бөлікке (бос болуы мүмкін) және дискретті емес бөлікке жіктеледі.
Атомдық емес корпус
Егер 1=P(ω) = 0 барлық ω ∈ Ω үшін (осы жағдайда Ω санауға болмайтын болуы керек, әйтпесе 1=P(Ω) = 1 орындалмауы мүмкін), онда теңдеу дұрыс емес: жиынның ықтималдығы міндетті түрде оның элементтерінің ықтималдықтарының қосындысына тең болмайды, себебі қосынды тек саналатын элементтер саны үшін ғана анықталған. Бұл ықтималдық кеңістігі теориясын күрделендіреді. Қосындылаудан күштірек, өлшемдер теориясы қолданылады. Алдымен ықтималдықтар кейбір "генераторлық" жиынтарға (мысалдарды қараңыз) тағайындалады. Содан кейін, лимиттеу процедурасы генераторлық жиынтардың тізбектерінің лимиттеріне, лимиттердің лимиттеріне және т.б. жиынтарға ықтималдықтарды тағайындауға мүмкіндік береді. Бұл жиынтардың бәрі σ-алгебраны құрайды. Техникалық егжей-тегжейлер үшін Каратеодоридің кеңейту теоремасын қараңыз. σ-алгебраға жататын жиынтар өлшенетін деп аталады. Жалпы алғанда, олар генераторлық жиынтардан әлдеқайда күрделі, бірақ өлшенбейтін жиынтардан әлдеқайда жақсы.
Толық ықтималдық кеңістігі
Ықтималдық кеңістігі толық ықтималдық кеңістігі деп аталады, егер кез келген және барлық үшін орындалса. Көп жағдайда, ықтималдық кеңістіктерін зерттеу толық ықтималдық кеңістіктермен шектеледі.
1-ші мысал
Егер эксперимент әділ монетаны бір рет лақтырудан тұрса, нәтиже бастар немесе құйрық болады: σ алгебрасында оқиғалар бар, атап айтқанда: ("бастар"), ("құйрық"), ("бастар да, құйрық та емес") және ("бастар немесе құйрық"); яғни, бастар түсу ықтималдығы елу пайыз, ал құйрық түсу ықтималдығы да елу пайыз, сондықтан осы мысалдағы ықтималдық өлшемі: , , , .
2-ші мысал
Адал монета үш рет лақтырылады. 8 мүмкін нәтиже бар: 1=Ω = {HHH, HHT, HTH, HTT, THH, THT, TTH, TTT} (мысалы, "HTH" дегеніміз, монета бірінші рет сырға, екінші рет құйрыққа, ал соңғы рет тағы сырға түскенін білдіреді). Толық ақпарат σ-алгебрасымен сипатталады, ол 1=2^(8) = 256 оқиғаны құрайды, мұндағы әрбір оқиға Ω жиынының ішкі жиыны болып табылады. Алиса тек екінші лақтырудың нәтижесін біледі. Осылайша, оның толық емес ақпараты 1=Ω = A1 ⊔ A2 = {HHH, HHT, THH, THT} ⊔ {HTH, HTT, TTH, TTT} бөлімінде сипатталады, мұнда ⊔ – ажыратылған одақ, ал сәйкес σ-алгебрасы Брайан тек құйрықтардың жалпы санын біледі. Оның бөлінісі төрт бөлімнен тұрады: 1=Ω = B0 ⊔ B1 ⊔ B2 ⊔ B3 = {HHH} ⊔ {HHT, HTH, THH} ⊔ {TTH, THT, HTT} ⊔ {TTT}; тиісінше, оның σ-алгебрасында 2^4 = 16 оқиға бар. Екі σ-алгебрасы салыстырылмайды: екеуі де бір-біріне кіші емес; екеуі де 2Ω σ-алгебрасының ішкі алгебрасы болып табылады.
Alice knows the outcome of the second toss only. Thus her incomplete information is described by the partition 1=Ω = A1 ⊔ A2 = {HHH, HHT, THH, THT} ⊔ {HTH, HTT, TTH, TTT}, where ⊔ is the disjoint union, and the corresponding σ algebra Bryan knows only the total number of tails. His partition contains four parts: 1=Ω = B0 ⊔ B1 ⊔ B2 ⊔ B3 = {HHH} ⊔ {HHT, HTH, THH} ⊔ {TTH, THT, HTT} ⊔ {TTT}; accordingly, his σ algebra contains 24 = 16 events. The two σ algebras are incomparable: neither nor ; both are sub σ algebras of 2Ω.
3-ші мысал
Егер Калифорниядағы барлық сайлаушылардың арасынан кездейсоқ 100 сайлаушыны таңдап, губернаторға кімге дауыс беретіндерін сұраса, онда 100 калифорниялық сайлаушының барлық тізбектерінің жиынтығы үлгі кеңістігі Ω болады. Үлгі алу қайталамасыз жүргізіледі деп есептейміз: тек 100 түрлі сайлаушыдан құралған тізбектерге ғана рұқсат етіледі. Қарапайымдық үшін реттелген үлгі қарастырылады, яғни (Алиса, Брайан) тізбегі (Брайан, Алиса) тізбегінен өзгеше. Әрбір сайлаушы өзінің болашақ таңдауын дәл біледі, яғни кездейсоқ таңдамайды деп есептейміз. Алиса тек Арнольд Шварценеггер кем дегенде 60 дауыс алғанын ғана біледі. Оның толық емес ақпараты σ-алгебрасымен сипатталады, ол: (1) кем дегенде 60 адам Шварценеггерге дауыс берген Ω-дегі барлық тізбектер жиыны; (2) Шварценеггерге 60 адамнан аз дауыс берген барлық тізбектер жиыны; (3) бүкіл үлгі кеңістігі Ω; және (4) бос жиын ∅. Брайан Шварценеггерге дауыс беретін сайлаушылардың нақты санын біледі. Оның толық емес ақпараты сәйкес бөліммен сипатталады: 1=Ω = B0 ⊔ B1 ⊔ ⋯ ⊔ B100, ал σ-алгебрасы 2101 оқиғадан тұрады. Бұл жағдайда, Алисаның σ-алгебрасы Брайанның σ-алгебрасының ішкі жиыны болып табылады: Брайанның σ-алгебрасы өз кезегінде, n – Калифорниядағы барлық мүмкін сайлаушылардың саны болғанда, 2^(n(n−1)⋯(n−99)) оқиғадан тұратын әлдеқайда үлкен "толық ақпарат" σ-алгебрасының ішкі жиыны болып табылады.
4-ші мысал
0 мен 1 аралығындағы сан кездейсоқ түрде, біркелкі таңдалады. Мұнда Ω = [0,1] – бұл Ω аралығындағы Борель жиындарының σ-алгебрасы, ал P – [0,1] аралығындағы Лебег өлшемі. Бұл жағдайда, 0 < a < b < 1 түріндегі ашық интервалдар генераторлық жиындар ретінде қарастырылуы мүмкін. Әрбір мұндай жиынға P((a,b)) = (b − a) ықтималдығын сәйкес қоюға болады, бұл [0,1] аралығындағы Лебег өлшемін және Ω-дағы Борель σ-алгебрасын құрайды.
5-ші мысал
Адал монетаны үздіксіз лақтырып отырады. Мұнда Ω = {0,1}∞, 0 және 1 сандарының шексіз тізбектерінің жиынтығын аламыз. Цилиндрлік жиындар генераторлық жиынтықтар ретінде қолданылуы мүмкін. Әрбір мұндай жиын алғашқы n лақтырудың нәтижесінде белгілі бір реттілікке (a1, …, an) ие болған оқиғаны сипаттайды, ал тізбектің қалған бөлігі кез келген болуы мүмкін. Мұндай әрбір оқиғаға 2−n ықтималдығы беріледі. Бұл екі атомдық емес мысал тығыз байланысты: (x1, x2, ...) ∈ {0,1}∞ тізбегі 2^(−1)x1 + 2^(−2)x2 + ⋯ ∈ [0,1] санына әкеледі. Бұл, алайда, {0,1}∞ және [0,1] арасындағы бір-бірге сәйкестік емес: бұл нөл бойынша изоморфизм, бұл екі ықтималдық кеңістікті бірдей ықтималдық кеңістігінің екі түрі ретінде қарастыруға мүмкіндік береді. Шындығында, барлық патологиялық емес, атомдық емес ықтималдық кеңістіктері осы мағынада бірдей. Олар стандартты ықтималдық кеңістіктері деп аталады. Ықтималдық кеңістіктерінің негізгі қолданыстары стандарттылыққа сезімтал емес. Дегенмен, дискретті емес шарттылық стандартты ықтималдық кеңістіктерінде оңай және табиғи, әйтпесе ол түсініксіз болады.
Кездейсоқ айнымалылар
X кездейсоқ айнымалы — үлгі кеңістігі Ω-дан күй кеңістігі деп аталатын өлшенетін кеңістік S-қа дейінгі өлшенетін функция X: Ω → S. Егер A ⊂ S болса, Pr(X ∈ A) белгісі жиі қолданылатын қысқарту түрі болып табылады.
Оқиғаларды үлгі кеңістігі тұрғысынан анықтау
Егер Ω санаулы болса, біз оны Ω-ның қуаты жиынтығы ретінде анықтаймыз, яғни бұл тривиальды түрде σ-алгебра болып табылады және Ω-ны пайдаланып құра алатын ең үлкені. Сондықтан, ықтималдық кеңістігін анықтау үшін (Ω,P) деп жазуға болады. Екінші жағынан, егер Ω санаусыз болса және біз осы қуаты жиынтығын қолдансақ, ықтималдық шамасын P анықтауда қиындықтар туындайды, себебі ол тым "үлкен", яғни, бірегей шама беру мүмкін болмайтын жиындықтар жиі кездеседі. Бұл жағдайда біз кішірек σ-алгебраны қолдануымыз керек, мысалы, Ω-ның Борель алгебрасын, ол барлық ашық жиындықтарды өлшенетін ететін ең кіші σ-алгебра болып табылады.
Шартты ықтималдық
Колмогоровтың ықтималдық кеңістіктерін анықтауы шартты ықтималдықтың табиғи түсінігін тудырады. Кез келген нөлдік емес ықтималдығы бар А жиыны (яғни, P(A) > 0) кеңістікте басқа ықтималдық өлшемін анықтайды. Бұл әдетте "A берілгенде B-нің ықтималдығы" деп аталады. Кез келген P(A) > 0 шарты орындалатын А оқиғасы үшін, барлық B оқиғалары бойынша Q функциясы өзі ықтималдық өлшемі болып табылады.
on the space. This is usually pronounced as the "probability of B given A". For any event A such that P(A) > 0, the function Q defined by for all events B is itself a probability measure.
Тәуелсіздік
Екі оқиға, А және В, егер P(A ∩ B) = P(A) P(B) болса, тәуелсіз деп айтылады. Екі кездейсоқ айнымалы, X және Y, егер X арқылы анықталған кез келген оқиға Y арқылы анықталған кез келген оқиғадан тәуелсіз болса, тәуелсіз деп айтылады. Формальды түрде, олар тәуелсіз σ-алгебраларды жасайды, яғни F жиынының ішкі жиындары болып табылатын G және H σ-алгебралары тәуелсіз деп есептеледі, егер G-нің кез келген элементе P(A ∩ B) = P(A) P(B) болса, H-нің кез келген элементе тәуелсіз болса.
Өзара ерекшелік
Екі оқиға, А және В, егер біреуі орын алса, екіншісі орын алмаса, яғни олардың қиылысы бос жиын болса, өзара шектелген немесе ажыратылған деп айтылады. Бұл, олардың қиылысуының ықтималдығы нөлге тең болуынан күшті талап. Егер А және В ажыратылған оқиғалар болса, онда P(A ∪ B) = P(A) + P(B) теңдігі орындалады. Бұл, (шексіз немесе санаулы шексіз) оқиғалар тізбегіне де қатысты. Дегенмен, санаусыз оқиғалар жиынының бірігу ықтималдығы, олардың ықтималдықтарының қосындысына тең болмайды. Мысалы, егер Z қалыпты үлестірілген кездейсоқ шама болса, онда кез келген x үшін P(Z = x) = 0, бірақ P(Z ∈ ℝ) = 1. A ∩ B оқиғасы "A және B" деп, ал A ∪ B оқиғасы "A немесе B" деп аталады.