Кіріспе
Ықтималдық теориясы немесе ықтималдық есептеуі – ықтималдықпен айналысатын математика саласы. Ықтималдықтың бірнеше әртүрлі түсіндірмелері болғанымен, ықтималдық теориясы осы ұғымды қатаң математикалық тұрғыдан қарастырады, оны аксиомалар жиынтығы арқылы көрсетеді. Әдетте, бұл аксиомалар ықтималдықты ықтималдық кеңістігі арқылы формалдайды, ол 0 мен 1 арасындағы мәндерді қабылдайтын шаманы, яғни ықтималдық өлшемін, үлгі кеңістігі деп аталатын нәтижелер жиынтығына тағайындайды. Үлгі кеңістігінің кез келген белгілі бір ішкі жиыны оқиға деп аталады. Ықтималдық теориясының негізгі тақырыптарына дискретті және үздіксіз кездейсоқ шамалар, ықтималдық үлестірімдері және стохастикалық процестер (детерминистік емес немесе белгісіз процестердің, немесе бір рет болатын немесе уақыт өте кездейсоқ түрде өзгеретін өлшенген шамалардың математикалық абстракциялары) жатады. Кездейсоқ оқиғаларды толық болжау мүмкін болмаса да, олардың мінез-құлқы туралы көп нәрсені айтуға болады. Мұндай мінез-құлықты сипаттайтын ықтималдық теориясының екі маңызды нәтижесі – үлкен сандар заңы және орталық шек теоремасы. Статистиканың математикалық негізі ретінде ықтималдық теориясы деректерді сандық талдаумен байланысты көптеген адам қызметтері үшін өте маңызды. Ықтималдық теориясының әдістері күрделі жүйелерді сипаттау үшін де қолданылады, олардың күйі туралы толық емес мәліметтер белгілі, мысалы, статистикалық механикада немесе тізбектік бағалауда. ХХ ғасыр физикасының маңызды жаңалығы – кванттық механикада сипатталған атомдық деңгейдегі физикалық құбылыстардың ықтималдық сипаты болды.
Probability theory or probability calculus is the branch of mathematics concerned with probability. Although there are several different probability interpretations, probability theory treats the concept in a rigorous mathematical manner by expressing it through a set of axioms. Typically these axioms formalise probability in terms of a probability space, which assigns a measure taking values between 0 and 1, termed the probability measure, to a set of outcomes called the sample space. Any specified subset of the sample space is called an event. Central subjects in probability theory include discrete and continuous random variables, probability distributions, and stochastic processes (which provide mathematical abstractions of non deterministic or uncertain processes or measured quantities that may either be single occurrences or evolve over time in a random fashion). Although it is not possible to perfectly predict random events, much can be said about their behavior. Two major results in probability theory describing such behaviour are the law of large numbers and the central limit theorem. As a mathematical foundation for statistics, probability theory is essential to many human activities that involve quantitative analysis of data. Methods of probability theory also apply to descriptions of complex systems given only partial knowledge of their state, as in statistical mechanics or sequential estimation. A great discovery of twentieth century physics was the probabilistic nature of physical phenomena at atomic scales, described in quantum mechanics.
Ықтималдық тарихы
Қазіргі заманғы математикалық ықтималдық теориясының тамыры XVI ғасырда Героламо Карданоның, ал XVII ғасырда Пьер де Фермат пен Блез Паскальдың (мысалы, "нокталар мәселесі") тәуекел ойындарын талдау әрекеттерінде жатыр. Кристиан Гюйгенс 1657 жылы осы тақырыпта кітап жариялады. XIX ғасырда Пьер Лаплас ықтималдықтың классикалық анықтамасын қалыптастырды. Алғашқыда ықтималдық теориясы көбінесе дискретті оқиғаларды қарастырды, ал оның әдістері негізінен комбинаторлық сипатта болды. Соңында, талдаулық қарастырулар теорияға үздіксіз айнымалыларды енгізуді талап етті. Бұл Андрей Николаевич Колмогоров салған негізде қазіргі ықтималдық теориясының қалыптасуына әкелді. Колмогоров Ричард фон Мизес енгізген үлгі кеңістігі тұжырымын және өлшемдер теориясын біріктіріп, 1933 жылы ықтималдық теориясы үшін аксиомалар жүйесін ұсынды. Бұл қазіргі ықтималдық теориясының көптеген даусыз аксиоматикалық негізіне айналды; алайда, Бруно де Финетти санаулы емес, шекті қосымдылықты қабылдауы сияқты баламалар да бар.
Емдеу
Ықтималдық теориясына көптеген кіріспелер дискретті ықтималдық таралымдарын және үздіксіз ықтималдық таралымдарын жеке-жеке қарастырады. Мүмкіндік теориясына негізделген өлшемдер теориясы дискретті, үздіксіз, олардың қосындысын және одан да көп нәрсені қамтиды.
Мотивация
Бірнеше нәтиже бере алатын экспериментті қарастырайық. Барлық нәтижелердің жиынтығы эксперименттің үлгі кеңістігі деп аталады. Үлгі кеңістігінің (немесе, эквивалентті түрде, оқиға кеңістігінің) қуат жиыны барлық мүмкін нәтижелердің әртүрлі жиынтықтарын қарастыру арқылы құралады. Мысалы, әділ текше лақтыру алты мүмкін нәтижеден біреуін береді. Мүмкін нәтижелердің бірі тақ санды алуға сәйкес келеді. Осылайша, {1,3,5} жиынтығы текше лақтырудың үлгі кеңістігінің қуат жиынының бір элементе болып табылады. Бұл жиынтықтар оқиғалар деп аталады. Бұл жағдайда {1,3,5} – текшенің тақ санға түсу оқиғасы. Егер нақты оқиғалар белгілі бір оқиғаға сәйкес келсе, онда оқиға орын алған деп есептеледі. Ықтималдық – бұл әрбір "оқиғаға" нөл мен бір аралығындағы мән берудің бір жолы, барлық мүмкін нәтижелерден тұратын оқиғаға (мысалы, {1,2,3,4,5,6} оқиғасына) бірлік мәнін беру шартымен. Ықтималдық таралымы ретінде танылуы үшін, мән тағайындауы өзара байланыссыз оқиғалар жиынтығын қарастырғанда (қайта ортақ нәтижелері жоқ оқиғалар, мысалы, {1,6}, {3} және {2,4} оқиғалары өзара байланыссыз) талапты қанағаттандыруы керек, яғни осы оқиғалардың кез келгенінің пайда болу ықтималдығы оқиғалардың ықтималдықтарының қосындысына тең болуы керек. {1,6}, {3} немесе {2,4} оқиғаларының кез келгенінің пайда болу ықтималдығы 5/6-ға тең. Бұл {1,2,3,4,6} оқиғасының ықтималдығы 5/6 дегенмен бірдей. Бұл оқиға бестен басқа кез келген санның түсу мүмкіндігін қамтиды. Өзара байланыссыз {5} оқиғасының ықтималдығы 1/6-ға тең, ал {1,2,3,4,5,6} оқиғасының ықтималдығы 1-ге тең, яғни толық сенімділік. Эксперимент нәтижелерін қолдана отырып есептеулер жасағанда, барлық элементарлық оқиғаларға сандар тағайындалған болуы керек. Бұл кездейсоқ айнымалыны пайдалану арқылы жасалады. Кездейсоқ айнымалы – бұл үлгі кеңістігіндегі әрбір элементарлық оқиғаға нақты санды тағайындайтын функция. Бұл функция әдетте үлкен әріппен белгіленеді. Текше мысалында, белгілі бір элементарлық оқиғаларға сандарды тағайындау сәйкестік функциясын қолдану арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Бірақ бұл әрқашан жұмыс істемейді. Мысалы, монета лақтырғанда екі мүмкін нәтиже болады: "сырға" және "құйрыққа". Бұл мысалда, X кездейсоқ айнымалысы "сырға" нәтижесіне "0" санын, ал "құйрыққа" нәтижесіне "1" санын тағайындауы мүмкін.
Классикалық ықтималдық үлестірімі
Кейбір кездейсоқ айнымалылар ықтималдық теориясында өте жиі кездеседі, себебі олар көптеген табиғи немесе физикалық процестерді жақсы сипаттайды. Сондықтан, олардың үлестірімдері ықтималдық теориясында ерекше маңызға ие. Негізгі дискретті үлестірімдерге дискретті біркелкі, Бернулли, бином, теріс бином, Пуассон және геометриялық үлестірімдер жатады. Маңызды үздіксіз үлестірімдер қатарында үздіксіз біркелкі, қалыпты, экспоненциалды, гамма және бета үлестірімдері бар.
Орталық шектеуіш теоремасы
Орталық шектеу теоремасы (CLT) табиғаттағы қалыпты үлестірілістің кең таралғандығын түсіндіреді, ал бұл теорема Дэвид Уильямс айтуынша, "математиканың ұлы жетістіктерінің бірі". Теоремаға сәйкес, көптеген тәуелсіз және бірдей үлестірілген, шекті дисперсиясы бар кездейсоқ шамалардың орташасы, бастапқы кездейсоқ шамалардың үлестірілісіне қарамастан, қалыпты үлестіріліске жақындайды. Формальды түрде, орташасы μ және дисперсиясы σ² болатын тәуелсіз кездейсоқ шамалар болсын. Содан кейін, кездейсоқ шамалар тізбегі стандартты қалыпты кездейсоқ шамаға асимптотикалық түрде жақындайды. Кездейсоқ шамалардың кейбір түрлері үшін классикалық орталық шектеу теоремасы Берри-Эссиен теоремасында көрсетілгендей, өте жылдам жұмыс істейді. Мысалы, экспоненциалдық отбасынан алынған, бірінші, екінші және үшінші моменттері шекті болатын үлестірулер; алайда, қалың және жұқа құйрықты кездейсоқ шамалар үшін ол өте баяу жұмыс істейді немесе тіпті жұмыс істемей қалуы мүмкін: мұндай жағдайларда Жалпыланған Орталық Шектеу Теоремасын (GCLT) қолдануға болады.
converges in distribution to a standard normal random variable. For some classes of random variables, the classic central limit theorem works rather fast, as illustrated in the Berry–Esseen theorem. For example, the distributions with finite first, second, and third moment from the exponential family; on the other hand, for some random variables of the heavy tail and fat tail variety, it works very slowly or may not work at all: in such cases one may use the Generalized Central Limit Theorem (GCLT).