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03 条件概率、全概率公式与独立性 ​

本章研究“知道一部分信息之后,概率如何改变”。条件概率、全概率公式、Bayes 公式和独立性是一组概念:前三者处理信息更新,独立性描述信息不更新。

1. 条件概率 ​

设 P(B)>0。在事件 B 已经发生的条件下,事件 A 发生的条件概率定义为:

P(A∣B)=P(A∩B)P(B).

直观上,原来的样本空间 Ω 被缩小为 B,概率重新归一化。

固定 B 后, P(⋅∣B) 仍然是概率:

P(Ω∣B)=1.

若 A1,A2,… 两两互不相容,则:

P(⋃n=1∞An∣B)=∑n=1∞P(An∣B).

乘法公式:

P(A∩B)=P(B)P(A∣B)=P(A)P(B∣A).

多事件乘法公式:

P(A1∩⋯∩An)=P(A1)P(A2∣A1)⋯P(An∣A1∩⋯∩An−1).

2. 条件概率的常见误区 ​

条件概率不是因果关系。 P(A∣B) 大不代表 B 导致 A,只表示在 B 发生的子样本空间中 A 的比例大。

一般情况下:

P(A∣B)≠P(B∣A).

二者通过 Bayes 公式联系,而不是直接相等。

条件概率也不是简单的“把概率相乘”。只有通过交事件才能连接:

P(A∩B)=P(A)P(B∣A).

3. Pólya urn 模型 ​

Pólya 模型是条件概率的典型例子。设盒中初始有 r 个红球、b 个黑球。每次抽出一个球后放回,并额外放入 c 个同色球。这样后续抽球概率取决于之前结果。

若前 n 次中有 k 次红球、n−k 次黑球,则某一具体顺序的概率为:

r(r+c)⋯(r+(k−1)c)b(b+c)⋯(b+(n−k−1)c)(r+b)(r+b+c)⋯(r+b+(n−1)c).

它只依赖红球次数 k,不依赖红黑出现的具体顺序。因此:

P(前 n 次有 k 次红球)=(nk)∏i=0k−1(r+ic)∏j=0n−k−1(b+jc)∏ℓ=0n−1(r+b+ℓc).

当 c=0 时退化为有放回独立抽样,对应二项分布。当 c>0 时,抽样之间不独立。

4. 有效分割 ​

事件列 B1,B2,… 称为样本空间的一个分割,如果:

  1. Bi∩Bj=∅,i≠j。
  2. ⋃iBi=Ω。
  3. P(Bi)>0,用于条件概率公式时通常要求正概率。

它把样本空间拆成互不重叠的情形。全概率公式和 Bayes 公式都建立在分割上。

5. 全概率公式 ​

若 {Bi} 是 Ω 的一个可数分割,且 P(Bi)>0,则对任意事件 A:

P(A)=∑iP(Bi)P(A∣Bi).

证明思路:

A=A∩Ω=A∩(⋃iBi)=⋃i(A∩Bi),

且 A∩Bi 两两互不相容,所以:

P(A)=∑iP(A∩Bi)=∑iP(Bi)P(A∣Bi).

使用全概率公式的信号:

  • 总体概率难求。
  • 可以按原因、来源、类型、阶段拆分。
  • 每个条件下的概率容易求。

6. Bayes 公式 ​

若 {Bi} 是一个分割,且 P(A)>0,则:

P(Bj∣A)=P(Bj)P(A∣Bj)∑iP(Bi)P(A∣Bi).

Bayes 公式把“由原因推结果”的概率反过来,变成“看到结果后判断原因”的概率。

术语:

  • P(Bj):先验概率。
  • P(A∣Bj):似然。
  • P(Bj∣A):后验概率。
  • 分母 P(A):证据概率或归一化常数。

两原因情形中:

P(B∣A)=P(B)P(A∣B)P(B)P(A∣B)+P(Bc)P(A∣Bc).

后验赔率形式:

P(B∣A)P(Bc∣A)=P(B)P(Bc)⋅P(A∣B)P(A∣Bc).

这说明 Bayes 更新是“先验赔率乘以似然比”。

7. 两个事件的独立性 ​

事件 A 与 B 独立,如果:

P(A∩B)=P(A)P(B).

若 P(B)>0,这等价于:

P(A∣B)=P(A).

也就是说,知道 B 发生并不改变 A 的概率。

若 A 与 B 独立,则以下事件对也独立:

Ac 与 B,A 与 Bc,Ac 与 Bc.

互不相容和独立不能混淆:

  • 若 A∩B=∅ 且 P(A),P(B)>0,则 A,B 不独立。
  • 互不相容表示不能同时发生。
  • 独立表示互不影响概率。

8. 多个事件的独立性 ​

事件 A1,…,An 相互独立,如果对任意非空指标集 I⊂{1,…,n}:

P(⋂i∈IAi)=∏i∈IP(Ai).

注意:两两独立不一定推出相互独立。

典型反例:抛两枚公平硬币。设:

  • A:第一枚为正面。
  • B:第二枚为正面。
  • C:两枚结果相同。

则 A,B,C 两两独立,但:

P(A∩B∩C)=14≠12⋅12⋅12=18.

9. 随机变量的独立性 ​

随机变量 ξ,η 独立,如果对任意 Borel 集 A,B:

P(ξ∈A,η∈B)=P(ξ∈A)P(η∈B).

用分布函数表示,ξ,η 独立等价于:

Fξ,η(x,y)=Fξ(x)Fη(y),∀x,y.

若是离散随机变量,等价于:

P(ξ=xi,η=yj)=P(ξ=xi)P(η=yj)对所有 i,j.

若有联合密度,独立等价于:

fξ,η(x,y)=fξ(x)fη(y)几乎处处成立.

若 ξ,η 独立,且 g,h 为可测函数,则:

g(ξ) 与 h(η) 独立.

10. 独立性和乘法 ​

独立事件:

P(A∩B)=P(A)P(B).

独立随机变量的函数期望:

E[g(ξ)h(η)]=E[g(ξ)]E[h(η)]

在期望存在时成立。特别地:

E(ξη)=EξEη.

这会在第 4 章用于方差和协方差。

11. 本章知识图谱 ​

图表渲染中…

12. 解题套路 ​

条件概率题:

  1. 明确条件事件 B。
  2. 写 P(A∣B)=P(A∩B)/P(B)。
  3. 若有多步过程,用乘法公式展开交事件。

全概率题:

  1. 找分割 {Bi}。
  2. 写出每个 P(Bi) 和 P(A∣Bi)。
  3. 求和得到 P(A)。

Bayes 题:

  1. 明确原因类 Bi 和观察结果 A。
  2. 用全概率公式求分母 P(A)。
  3. 计算 P(Bj∣A)。

独立性题:

  1. 写出定义式。
  2. 事件题检查 P(A∩B) 是否等于 P(A)P(B)。
  3. 随机变量题检查联合分布是否分解。
  4. 多事件题必须检查所有非空子集,不要只查两两。

13. 易错点 ​

  • 把 P(A∣B) 和 P(B∣A) 混为一谈。
  • 分割事件没有覆盖整个样本空间。
  • Bayes 公式分母漏掉某些原因。
  • 把互不相容当成独立。
  • 用两两独立替代相互独立。
  • 判断随机变量独立时只看相关系数为 0。相关系数为 0 只是“不相关”,不是独立。

14. 本章小结 ​

条件概率将概率限制到已知信息下的子样本空间。全概率公式把复杂概率拆到若干条件情形中,Bayes 公式则完成从结果到原因的反推。独立性是条件概率不改变原概率的特殊情形,也是后续期望乘法、卷积、特征函数和极限定理的核心条件。