MNRP r. 1 Aksjomatyczna definicja prawdopodobieństwa (wykład) Grzegorz Kowalczyk

Podobne dokumenty
WYKŁAD 1. Witold Bednorz, Paweł Wolff. Rachunek Prawdopodobieństwa, WNE, Instytut Matematyki Uniwersytet Warszawski

Podstawy metod probabilistycznych. dr Adam Kiersztyn

Ćwiczenia z metodyki nauczania rachunku prawdopodobieństwa

Rachunek prawdopodobieństwa

Prawdopodobieństwo. Prawdopodobieństwo. Jacek Kłopotowski. Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH. 16 października 2018

Metody probabilistyczne

Statystyka i eksploracja danych

Wykład 1: Przestrzeń probabilistyczna. Prawdopodobieństwo klasyczne. Prawdopodobieństwo geometryczne.

Prawdopodobieństwo i statystyka

Wykład 11: Martyngały: definicja, twierdzenia o zbieżności

02DRAP - Aksjomatyczna definicja prawdopodobieństwa, zasada w-w

Ośrodkowość procesów, proces Wienera. Ośrodkowość procesów, proces Wienera Procesy Stochastyczne, wykład, T. Byczkowski,

2 Rodziny zbiorów. 2.1 Algebry i σ - algebry zbiorów. M. Beśka, Wstęp do teorii miary, rozdz. 2 11

Zdarzenia losowe i prawdopodobieństwo

Teoria miary. Matematyka, rok II. Wykład 1

RACHUNEK PRAWDOPODOBIEŃSTWA WYKŁAD 1. L. Kowalski, Statystyka, 2005

Rachunek prawdopodobieństwa Rozdział 3. Prawdopodobieństwo warunkowe i niezależność zdarzeń.

Rachunek prawdopodobieństwa (Elektronika, studia niestacjonarne) Wykład 1

Wykład 10. Stwierdzenie 1. X spełnia warunek Borela wtedy i tylko wtedy, gdy każda scentrowana rodzina zbiorów domkniętych ma niepusty przekrój.

Rachunek prawdopodobieństwa Rozdział 2. Aksjomatyczne ujęcie prawdopodobieństwa

Podstawy nauk przyrodniczych Matematyka

Rodzinę spełniającą trzeci warunek tylko dla sumy skończonej nazywamy ciałem (algebrą) w zbiorze X.

G. Plebanek, MIARA I CAŁKA Zadania do rozdziału 1 28

STATYSTYKA. Rafał Kucharski. Uniwersytet Ekonomiczny w Katowicach 2015/16 ROND, Finanse i Rachunkowość, rok 2

Zdzisław Dzedzej. Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2013

Statystyka Astronomiczna

Robert Kowalczyk. Zbiór zadań z teorii miary i całki

RACHUNEK PRAWDOPODOBIEŃSTWA - POJĘCIA WSTĘPNE MATERIAŁY POMOCNICZE - TEORIA

Kombinowanie o nieskończoności. 3. Jak policzyć nieskończone materiały do ćwiczeń

Prawa wielkich liczb, centralne twierdzenia graniczne

WYKŁADY Z RACHUNKU PRAWDOPODOBIEŃSTWA I (SGH)

Rodzinę F złożoną z podzbiorów zbioru X będziemy nazywali ciałem zbiorów, gdy spełnione są dwa następujące warunki.

1. Struktury zbiorów 2. Miara 3. Miara zewnętrzna 4. Miara Lebesgue a 5. Funkcje mierzalne 6. Całka Lebesgue a. Analiza Rzeczywista.

n=0 Dla zbioru Cantora prawdziwe są wersje lematu 3.6 oraz lematu 3.8 przy założeniu α = :

Korzystając z własności metryki łatwo wykazać, że dla dowolnych x, y, z X zachodzi

Rachunek prawdopodobieństwa Rozdział 2. Aksjomatyczne ujęcie prawdopodobieństwa

A i. i=1. i=1. i=1. i=1. W dalszej części skryptu będziemy mieli najczęściej do czynienia z miarami określonymi na rodzinach, które są σ - algebrami.

Teoria miary i całki

Zmienne losowe i ich rozkłady

Rachunek prawdopodobieństwa- wykład 2

Finanse i Rachunkowość studia niestacjonarne Wprowadzenie do teorii ciągów liczbowych (treść wykładu z 21 grudnia 2014)

F t+ := s>t. F s = F t.

Prawdopodobieństwo i statystyka

Elementy rachunku prawdopodobieństwa (M. Skośkiewicz, A. Siejka, K. Walczak, A. Szpakowska)

jest ciągiem elementów z przestrzeni B(R, R)

Prawdopodobieństwo i statystyka

Statystyka matematyczna

Zadania do Rozdziału X

Wstęp do rachunku prawdopodobieństwa

Analiza matematyczna. 1. Ciągi

WYKŁAD 3. Witold Bednorz, Paweł Wolff. Rachunek Prawdopodobieństwa, WNE, Uniwersytet Warszawski. 1 Instytut Matematyki

1 Relacje i odwzorowania

Matematyczne Podstawy Kognitywistyki

Teoria miary. WPPT/Matematyka, rok II. Wykład 5

W2 Podstawy rachunku prawdopodobieństwa (przypomnienie)

zbiorów domkniętych i tak otrzymane zbiory domknięte ustawiamy w ciąg. Oznaczamy

Krzysztof Rykaczewski. Szeregi

1 Działania na zbiorach

Zadanie 2. Obliczyć rangę dowolnego elementu zbioru uporządkowanego N 0 N 0, gdy porządek jest zdefiniowany następująco: (a, b) (c, d) (a c b d)

Wykład 2. Prawdopodobieństwo i elementy kombinatoryki

Konstrukcja liczb rzeczywistych przy pomocy ciągów Cauchy ego liczb wymiernych

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

2. Wykaż, że moment pierwszego skoku w procesie Poissona. S 1 := inf{t : N t > 0} jest zmienną losową o rozkładzie wykładniczym z parametrem λ.

Przestrzeń probabilistyczna

(b) Suma skończonej ilości oraz przekrój przeliczalnej ilości zbiorów typu G α

7. Miara, zbiory mierzalne oraz funkcje mierzalne.

Wykład 2 Zmienne losowe i ich rozkłady

Temperatura w atmosferze (czy innym ośrodku) jako funkcja dł. i szer. geogr. oraz wysokości.

Przykład 1 W przypadku jednokrotnego rzutu kostką przestrzeń zdarzeń elementarnych

Probabilistyczne podstawy statystyki matematycznej. Dr inż. Małgorzata Michalcewicz-Kaniowska

Rozdział 1. Wektory losowe. 1.1 Wektor losowy i jego rozkład

1 Zbiory. 1.1 Kiedy {a} = {b, c}? (tzn. podać warunki na a, b i c) 1.2 Udowodnić, że A {A} A =.

28 maja, Problem Dirichleta, proces Wienera. Procesy Stochastyczne, wykład 14, T. Byczkowski, Procesy Stochastyczne, PPT, Matematyka MAP1126

Notatki z Analizy Matematycznej 2. Jacek M. Jędrzejewski

Definicja odwzorowania ciągłego i niektóre przykłady

PROCESY STOCHASTYCZNE. PEWNE KLASY PROCESÓW STOCHASTYCZNYCH Definicja. Procesem stochastycznym nazywamy rodzinę zmiennych losowych X(t) = X(t, ω)

7. CIĄGI. WYKŁAD 5. Przykłady :

Wykład 21 Funkcje mierzalne. Kostrukcja i własności całki wzglȩdem miary przeliczalnie addytywnej

Zasada indukcji matematycznej

Wstęp do sieci neuronowych, wykład 11 Łańcuchy Markova

Wykład 12: Warunkowa wartość oczekiwana. Rozkłady warunkowe. Mieszanina rozkładów.

Rozdział 5. Szeregi liczbowe. 5.1 Szeregi liczbowe. Definicja sumy częściowej ciągu. Niech dany będzie ciąg liczbowy (a n ) n=1.

19 marzec, Łańcuchy Markowa z czasem dyskretnym. Procesy Stochastyczne, wykład 6, T. Byczkowski, Procesy Stochastyczne, PPT, Matematyka MAP1136

Problemy Decyzyjne dla Systemów Nieskończonych

Prawdopodobieństwo i statystyka Wykład I: Przestrzeń probabilistyczna

Procesy stochastyczne WYKŁAD 2-3. Łańcuchy Markowa. Łańcuchy Markowa to procesy "bez pamięci" w których czas i stany są zbiorami dyskretnymi.

Rozdział 4. Ciągi nieskończone. 4.1 Ciągi nieskończone

Wstęp do probabilistyki i statystyki Wykład 3. Prawdopodobieństwo i algebra zdarzeń

Prawdopodobieństwo i statystyka

Prawdopodobieństwo i statystyka

Wykład 11: Martyngały: Twierdzenie o zbieżności i Hoeffdinga

Metody probabilistyczne

Rachunku prawdopodobieństwa: rys historyczny, aksjomatyka, prawdopodobieństwo warunkowe,

26 marzec, Łańcuchy Markowa z czasem ciągłym. Procesy Stochastyczne, wykład 7, T. Byczkowski, Procesy Stochastyczne, PPT, Matematyka MAP1136

2. Wykaż, że moment pierwszego skoku w procesie Poissona. S 1 := inf{t : N t > 0} jest zmienną losową o rozkładzie wykładniczym z parametrem λ.

8 Całka stochastyczna względem semimartyngałów

Metody probabilistyczne

Indukcja. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

Metody probabilistyczne

Transkrypt:

MNRP 18.03.2019r. Grzegorz Kowalczyk 1 Aksjomatyczna definicja prawdopodobieństwa (wykład) Definicja (σ - ciało) Niech Ω - dowolny zbiór. Rodzinę F P (Ω), gdzie P (Ω) jest rodziną wszystkich podzbiorów Ω, nazywamy σ - ciałem, jeśli spełnia: 1. /0 F 2. A F A C F, gdzie A C = Ω\A [tzw. zamkniętość ze względu na dopełnienia] 3. A 1,A 2,... F A n F [tzw. przeliczalna addytywność] Uwaga: Zazwyczaj prawdopodobieństwo można określić na określonej rodzinie, a nie na wszystkich podzbiorach. Definicja (prawdopodobieństwo) Niech (Ω,F ) - przestrzeń mierzalna. Funkcję P : F [0,1] nazywamy prawdopodobieństwem, jeśli: 1. P(/0) = 0 2. A 1,A 2,... F - parami rozłączne zdarzenia, to P( A n ) = Uwaga: Innymi słowy P jest miarą na (Ω,F ). Podstawowe własności prawdopodobieństwa: 1. P(/0) = 0 [tzw. przeliczalna addytywność] 2. A 1,A 2,... F - parami rozłączne zdarzenia, to P( A i ) = 3. P(A C ) = 1 P(A) n P(A i ) [skończona addytywność] 4. A, B F, A B P(B\A) = P(B) P(A) oraz P(A) P(B) [monotoniczność] 5. P(A B) = P(A) + P(B) P(A B) [zasada włączeń i wyłączeń dla 2 składowych] 6. A 1,A 2,... F P( A = n) Dowody: [union bound] 1. - 5. Wprost z definicji prawdopodobieństwa. 6. Niech B 1 = A 1, B 2 = A 2 \A 1,..., B n = A n \(A n 1... A 1 ) (definiujemy parami rozłączne podzbiory B i takie, że A n = B n ) Ponieważ B n A n, to: Wzór właczeń i wyłaczeń P( A i ) = n k=1 ( 1) k 1 P( A n ) = P( B n ) = 1 i 1... i k n P(A i1... A ik ) = P(B n ) /0 I N I={1,...,n} I={i 1,i 2,...,i n } ( 1) I 1 P(A i1 A i2... A in ) 1

Dowód: Analogiczny jak dla mocy zbiorów. Kiedy wzór zachodzi dla przeliczalnie wielu zdarzeń? P( A i ) = /0 I N, I={i 1,i 2,...,i n } ( 1) I 1 P(A i1 A i2... A in ) = Aby zachodził wzór powyższe wszystkie szeregi powinny być zbieżne. Uwaga: Zazwyczaj zbieżność bezwzględna trudna do sprawdzenia. Tw. (o ciagłości) Niech (Ω,F,P) będzie przestrzenią probabilistyczną i A 1,A 2,... F : 1. Jeśli A 1 A 2... (ciąg wstępujący), to P( k=1 A n ) = lim n 2. Jeśli A 1 A 2... (ciąg zstępujący), to P( k=1 A n ) = lim n k=1 P(A k ) = P(A i A j ) i< j Dowód: Tworzymy ciąg zdarzeń rozłącznych (B n ), oparty na zdarzeniach (A n ) taki, że A n = B n [ang. layer cake decomposition]. Określamy: B 1 = A 1, B 2 = A 2 \A 1,..., B n = A n \(A n 1... A 1 ) N 1) P( A n ) = P( B n ) = P(B n ) = lim P(B n ) = lim P( B n ) = lim P(A N) N N N 2) Niech C n = A c n Skoro A 1 A 2..., to C 1 C 2..., więc z 1) otrzymujemy: P( P(( A n ) c ) = lim n P(A c n), więc Definicja (limsup) Niech A 1,A 2,... - zdarzenia. Wtedy: limsupa n := P( A n ) = lim n }{{} zaszło A n o k dowolnie dużym Interpretacja: zachodzi nieskończenie wiele zdzarzeń spośród A n C n ) = lim n P(C n ) zaszło A k o indeksie co najmnniej n {}}{ A k Definicja (niezależność zdarzeń) Rodzina zdarzeń {A i } i I jest niezależna, jeśli i1,...,i k P(A i1 A i2... A ik ) = P(A i1 ) P(A i2 )...P(A ik ). Uwaga: Dydaktycznie lepiej rozważać w takim przypadku prawdopodobieństwo warunkowe. Lemat (Borel-Cantelli) Niech A 1,A 2,... - zdarzenia. 1. Jeśli 2. Jeśli, to P(limsupA n ) = 0 (p.n. zajdzie tylko skończenie wiele zdarzeń A n ) = i A n są niezależne, to P(limsupA n ) = 1 Uwaga: W punkcie 2 wystarczającym założeniem jest niezależność parami (tylko wtedy trudniejszy dowód). W przypadku zdarzeń zależnych otrzymujemy: P(limsupA n ) = c (0,1) 2

D-d 1. Chcemy szacować szereg z góry rozpisując wprost z definicji: P(limsupA n ) = P( A k ) P( A k ) n 1 P( A k ) Więc P(limsupA n ) = 0 P(A k ) n 0, bo szereg jest zbieżny. 2. Badamy zdarzenie przeciwne: P((limsupA n ) c ) = P(( A k ) c ) = P( A c k ) P( A c Tw. o ciągłości k ) = Tw. o ciągłości = lim P( N A c k ) nzal. N N = lim P( N N A c k ) = 0 = 0 Fakt: Jeżeli zdarzenia A n są niezależne, to ich dopełnienia A c n również. Ponieważ =, to Jak wylosować liczbę naturalna? (1 ) = 0 Nie da się wybrać jednostajnie losowo liczby naturalnej! (wynika z aksjomatyki) P(N) = 1 = P( {n}) = P({n}) = 0 (sprzeczność!!!) Definiujemy: P n (x, y) = P(x, y są względnie pierwsze) dla x,y {1,...,n}. Wtedy: lim P n(x, y) = P(dwie niezależnie losowo wybrane liczby naturalne są względnie pierwsze) = 6 n π 2 = 1 ζ(2) Dla A N zdefiniujmy "prawdopodobieństwo", że "losowo wybrana" liczba naturalna spełnia własność A: A {1,...,n} P(A) = lim, n n o ile ta granica istnieje. (zazwyczaj niekoniecznie istnieje i oscyluje pomiędzy 0 a 1) Uwaga: Istnieją zbiory A, B N takie, że P(A), P(B) istnieją, ale P(A B) już nie istnieje 2 Ćwiczenia Zadanie 1. Skonstruuj zbiór A N, dla którego P(A) nie istnieje. (liminfp(a) limsupp(a)) Weźmy przypadek: A {1,...,n} lim sup n n A {1,...,n} > liminf n n Określamy kolejne N i jako: N 1 = 1, N 2 = 1, N 3 = 2, N 4 = 2,..., N n = 3 N n 2, gdzie nieparzystych nie wybieramy (N 2i 1 ) 1. limsup Zdefinujmy s k := 2k N i Zauważmy, że elementów w zbiorze i poza nim jest sobie równa: A {1,...,s k } s k = 2. limin f 1 4 Definiujemy i k = 2k+1 N i k N 2i = k N 2i 1 (liczba nie wziętych) 3

2k Zauważmy, że dla każdego k zachodzi: N 2k+1 = A {1,...,i k } i k = 1 4 N i Zadanie 2. Skonstruuj A,B N takie, że P(A),P(B) istnieją, ale P(A B) nie. P(A) = P(B) = A - parzyste, B - parzyste na przedziałach N 2,N 4,N 6, itd., nieparzyste na pozostałych A B = { parzyste liczby na przedziałch N 2,N 4,...} P(A B) nie istnieje Zadanie 3. Pokazać, że nie istnieje prawdopodobieństwo P na P (N) {podzbiory liczb naturalcnych} takie, że k N P({zbiór liczb podzielnych przez k}) = 1 k. Wskazówka: rozpatrzyć A p dla p - pierwszych + Borel - Cantelli. I sposób: P(A p ) = 1 p ; P(A p ) = ; p P niezależność {A p } p P p1,...,p k P Z założeń wypisanych powyżej wynikają następujące równości: P(A p1... A pk ) = 1 p 1... 1 p k = P(A p1... p k ) Stąd z lematu Borela-Cantellego mamy P(limsupA n ) = 1 (p.n. zajdzie nieskończenie wiele zdarzeń A p ). Oznacza to, że liczba losowa musiałaby być podzielna przez nieskończenie wiele liczb pierwszych, ale ich w przykładzie jest skończenie wiele. Z drugiej strony natomiast P(limsupA n ) = 0, bo dla każdej liczby istnieje skończenie wiele liczb pierwszych p takich, że p dzieli n. A zatem mamy sprzeczność! II sposób: Należy skorzystać z zasady włączeń i wyłączeń. Ustalmy m,n N. P(A pm A pm+1... A pn ) = 1 +... + 1 p m p n P(A pi A p j ) +... + ( 1) n 1 P(A pm... A pn ) nzal. = nzal. = 1 p m +... + 1 p n i< j 1 p i p j +... + ( 1) n 1 i< j 1 = 1 (1 1 ) (1 1 )... (1 1 ) p m... p n p m p m+1 p n n P( A pi ) = 1 (1 1 ) p i P( A pi ) = lim P( A pi ) = 1 n (1 1 ) = 0 p i Wniosek: P( A pi ) = 1 liczba jest podzielna przez każdą z liczb p m, p m+1,... P( A pi ) = 1 Otrzymujemy sprzeczność, tak jak to miało miejsce w I sposobie, ponieważ musiałaby zachodzić m=1 podzielność przez nieskończnie wiele liczb pierwszych. Zadanie 4. Wybieramy niezależnie n liczb x 1,...,x n [0,1] jednostajnie. (na [0,1] n - miara Kołmogorowa). Oblicz prawdopodobieństwo P(x 1 x 2... x n ) Ponieważ x i są różne od siebie z prawdopodobieństwem 1, to intuicja podpowiada, że to prawdopodobieństwo może wynosić n! 1. Sprawdźmy te przypuszczenia: σ P(x σ(1) <... < x σ(n) ) = 1 n! (permutacja zachowuje miarę Lebesgue a) Można też geometrycznie całkując rozwiązać zadanie (brute-force). 4

Rysunek 1: Przypadek permutacji σ = (2,1,3) Model losowania jednostajnie losowej permutacji: losujemy jednostajnie n liczb x 1,...,x n [0,1] permutacja σ jest wyznaczona przez kolejność punktów, np. Zadanie 5. Mamy N pasażerów i N miejsc w samolocie. Każdy pasażer ma przyporządkowany numer miejsca fotela (Pasażer Nr_miejsca). Pierwszy z wsiadających na pokład pasażerów siada na losowo wybranym miejscu (zgubił kartę pokładową). Pozostali pasażerowie siadają na swoim miejscu, jeżeli jest ono wolne lub w przeciwnym przypadku siadają w dowolnym (losowym) pustym fotelu pasażera. Wyznaczyć prawdopodobieństwo, że ostatni pasażer usiądzie na miejscu wyznaczonym na karcie pokładowej. Intuicja : 1 n Przypadek n=3 Przypadek n=4 Nr pasażera Nr miejsca 1 1 2 1 1 3 2 3 5

Nr pasażera Nr miejsca 1 1 2 3 2 3 3 4 2 1 2 4 1 3 1 3 3 4 1 4 Nie otrzymaliśmy wartości n 1, jak wcześniej przypuszczaliśmy. Bez względu na liczbę pasażerów n, to pradopodobieństwo wynosi 2 1 w obu przypadkach. Otrzymany wynik prawdopodobieństwa wynoszący 2 1 różni się znacząco od początkowej intuicji. 6