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        概率統(tǒng)計(jì)中樣本空間芻議

        2022-09-26 02:21:06周海林
        關(guān)鍵詞:樣本空間黑球概型

        ◎周海林

        (江蘇省泰州市南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院,江蘇 泰州 225300)

        一、引 言

        概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)是一門(mén)研究隨機(jī)現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)規(guī)律的科學(xué)樣本空間是概率中的一個(gè)基本概念,但是在概率學(xué)習(xí)中卻往往被忽視這導(dǎo)致在概率統(tǒng)計(jì)的教學(xué)過(guò)程中,不少學(xué)生反映學(xué)習(xí)難度大,特別是在古典概型的計(jì)算上除了思維方式與高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)不同外,樣本空間的選取在這些問(wèn)題的解決中往往起著非常重要的作用本文對(duì)樣本空間概念及其選取進(jìn)行了一些思考與總結(jié)

        二、樣本空間概述

        樣本空間的概念來(lái)源于統(tǒng)計(jì)學(xué),它由統(tǒng)計(jì)學(xué)家馮·米澤斯(Von Mises,1883—1953)于二十世紀(jì)三十年代在采用集合論的觀點(diǎn)研究事件時(shí)引入

        我們將隨機(jī)試驗(yàn)的所有可能結(jié)果組成的集合稱為樣本空間,記為樣本空間的元素,即的每個(gè)可能結(jié)果,稱為樣本點(diǎn)一般來(lái)講,討論的問(wèn)題不同,樣本空間可以很簡(jiǎn)單,也可以十分復(fù)雜在具體問(wèn)題中,給定樣本空間是描述隨機(jī)現(xiàn)象的第一步不過(guò)我們常常認(rèn)為樣本空間是預(yù)先給定的這是一種必要的抽象,這種抽象不僅能讓我們更好地把握隨機(jī)現(xiàn)象的本質(zhì),而且得到的結(jié)果能更廣泛地得到應(yīng)用事實(shí)上,一個(gè)樣本空間可以概括各種實(shí)際內(nèi)容不同的問(wèn)題例如,只包含兩個(gè)樣本點(diǎn)的樣本空間,既可以作為拋擲硬幣出現(xiàn)正面、反面的模型,也能用于產(chǎn)品檢驗(yàn)中出現(xiàn)“正品”及“次品”,還能用于射擊中描述“中”與“不中”等盡管問(wèn)題的實(shí)際內(nèi)容如此不同,有時(shí)卻能歸結(jié)為相同的概率模型

        有了樣本空間,就可以定義隨機(jī)事件隨機(jī)事件可定義為樣本點(diǎn)的集合,這樣,事件間的關(guān)系及運(yùn)算就與集合論中集合的關(guān)系及運(yùn)算完全類似概率論的重要研究課題就是計(jì)算概率,這最終都?xì)w結(jié)為事件的概率計(jì)算

        現(xiàn)代概率論建立在集合論的基礎(chǔ)上概率問(wèn)題的復(fù)雜程度和所使用的數(shù)學(xué)工具的高低都主要取決于樣本空間的大小因此,樣本空間實(shí)際上是按集合的大小歸類的,它可分為有限集、可列集等在有限樣本空間中,概率論使用的數(shù)學(xué)工具主要是初等數(shù)學(xué);在可列樣本空間中,要用到級(jí)數(shù);在歐幾里得空間中,則廣泛使用微積分

        作為有限樣本空間的一種特例,古典概型由法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯在1812年提出,并把下式作為古典概率的一般定義:

        上式中,事件的概率是一個(gè)分?jǐn)?shù),其分母是樣本空間樣本點(diǎn)的總數(shù),而分子是事件所包含的樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù),也稱有利場(chǎng)合數(shù)

        三、應(yīng)用樣本空間計(jì)算古典概率

        要成功解決古典概率計(jì)算問(wèn)題,必須用合適的樣本空間來(lái)描述隨機(jī)試驗(yàn),而明確在怎樣的樣本空間下解題是第一步,也是最基本的一步因此,我們首先要把問(wèn)題歸結(jié)為一個(gè)隨機(jī)試驗(yàn),明確該試驗(yàn)的所有可能結(jié)果,即樣本點(diǎn),然后在此基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的樣本空間

        (一)正確寫(xiě)出描述隨機(jī)試驗(yàn)的樣本空間

        1將一枚硬幣拋擲三次,考察出現(xiàn)正面、反面的情況

        (1)設(shè)事件為“恰好出現(xiàn)一次正面”,求();

        (2)設(shè)事件為“至少出現(xiàn)一次正面”,求()

        (1) 由題意知樣本空間為

        ={,,,,,,,},

        而={,,}

        2拋擲兩枚硬幣,求出現(xiàn)正面和反面各一次的概率

        注:當(dāng)樣本空間的元素較多時(shí),一般不再將樣本空間中的元素一一列出,而只需分別求出樣本空間與事件中包含的元素的個(gè)數(shù)(即樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)),再利用公式求出事件發(fā)生的概率

        因此,在構(gòu)造樣本空間計(jì)算古典概型中事件發(fā)生的概率時(shí),需要注意每個(gè)樣本點(diǎn)出現(xiàn)的可能性必須是相等的這個(gè)要點(diǎn)稱為等可能性

        (二)選擇合適樣本空間,優(yōu)化概率計(jì)算

        對(duì)于同一隨機(jī)試驗(yàn),樣本點(diǎn)和樣本空間的選取并不唯一我們可以用不同的樣本點(diǎn)和樣本空間來(lái)描述隨機(jī)試驗(yàn),這取決于如何看待實(shí)驗(yàn)的結(jié)果但不管用什么樣的樣本空間來(lái)描述,所關(guān)心的某一事件發(fā)生的概率應(yīng)該是一樣的

        3袋中有只黑球和只白球,把球隨機(jī)地一只只摸出來(lái),求第次摸出黑球的概率(1≤≤+)

        通過(guò)比較三種不同的解法,我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)區(qū)別主要在于選取的樣本空間不同在第一種解法中,球被看成是有“個(gè)性”、有區(qū)別的,且按次序排列;在第二種解法中,則對(duì)同色球不加區(qū)別因此,第一種解法要考慮各黑球間及各白球間的順序而用排列,第二種解法不注意順序而用組合,解法三則僅僅關(guān)注第次摸球的結(jié)果,但最后都得出了相同的答案顯然,解法三中構(gòu)造的樣本空間是最簡(jiǎn)潔的,解法也是最簡(jiǎn)單的

        此外,從這個(gè)例子還可以看出,第二種解法中的每一個(gè)樣本點(diǎn)是由第一種解法中的!·!個(gè)樣本點(diǎn)合并而成的因此,樣本點(diǎn)的不可分性是相對(duì)的

        最后,在計(jì)算樣本點(diǎn)總數(shù)及有利場(chǎng)合數(shù)時(shí),必須在同一個(gè)樣本空間中考慮,否則會(huì)引起混淆而導(dǎo)致謬誤

        顯然,構(gòu)造不同的樣本空間,計(jì)算概率的難易程度有差別,下面再舉幾例

        4袋中有只黑球和只白球,從袋中每次摸出一只球,直到袋中剩下的球全是同色為止,求袋中剩下的球全是黑球的概率

        顯然,這樣可以做出來(lái),但比較麻煩

        5投擲一枚均勻的硬幣(2+1)次,求擲出的正面數(shù)比擲出的反面數(shù)多的概率

        由于每次擲出正面和反面的可能性是一樣的,由乘法原理知樣本空間有22+1個(gè)樣本點(diǎn)本題應(yīng)用組合系數(shù)雖然可以做出來(lái),但比較麻煩

        事實(shí)上,可以這樣考慮:記={擲出的正面數(shù)>擲出的反面數(shù)},={擲出的反面數(shù)>擲出的正面數(shù)},顯然,事件與事件處于對(duì)稱平等的位置,發(fā)生的可能性應(yīng)該相等,即()=()

        6袋中裝有(2-1)只白球和2只黑球,一次取出只球,發(fā)現(xiàn)都是同一種顏色,求這種顏色是黑色的概率

        注:盡管對(duì)事件發(fā)生有利的樣本點(diǎn)與在事件發(fā)生的條件下對(duì)事件發(fā)生有利的樣本點(diǎn)是一樣的,但是概率的計(jì)算是在不同的樣本空間中進(jìn)行的顯然,條件概率是在一個(gè)縮小的樣本空間中進(jìn)行計(jì)算的

        7任取一個(gè)正整數(shù),求該正整數(shù)的平方能被5整除的概率

        本題按常規(guī)思路是研究所有正整數(shù),也就是將正整數(shù)的全體作為樣本空間,顯然,這樣的樣本空間是無(wú)限空間,也談不上等可能性這樣,它就不是一個(gè)古典概型了那么,要將它化為一個(gè)古典概型,關(guān)鍵在于如何將無(wú)限樣本空間縮減為有限樣本空間,同時(shí)滿足等可能性要求

        四、應(yīng)用樣本空間計(jì)算幾何概率

        在前面古典概型的討論中,我們利用等可能性的概念,成功計(jì)算了這類問(wèn)題的概率不過(guò),古典概型要求樣本空間中的樣本點(diǎn)總數(shù)必須有限下面我們討論有無(wú)限多結(jié)果而又有某種等可能性的場(chǎng)合,這類問(wèn)題一般可以通過(guò)幾何方法來(lái)求解不過(guò),這種等可能性是通過(guò)下列方式來(lái)賦予意義的:落在某區(qū)域的概率與區(qū)域的測(cè)度(長(zhǎng)度、面積、體積等)成正比,并且與其位置及形狀無(wú)關(guān)

        因此,若以記“在區(qū)域中隨機(jī)地取一點(diǎn),而該點(diǎn)落在區(qū)域中”這一事件,則其概率定義為:

        在幾何概型中,若所考慮的問(wèn)題只有一個(gè)因素在變,則取長(zhǎng)度作為幾何度量;若所考慮的問(wèn)題有兩個(gè)因素在變,則取面積作為幾何度量;若所考慮的問(wèn)題有三個(gè)因素在變,則取體積作為幾何度量

        我們不難發(fā)現(xiàn):在幾何概型中,結(jié)果為無(wú)限不可數(shù)個(gè),且樣本空間中的事件的概率與該事件的幾何度量成正比,而與它的位置無(wú)關(guān)這是隨機(jī)變量服從均勻分布的實(shí)際背景

        8在[0,1]中任取兩個(gè)數(shù),求下列事件的概率:

        (1)兩數(shù)的和不超過(guò)15;(2)兩數(shù)的積不超過(guò)025

        設(shè)兩數(shù)分別為,,則0≤≤1,0≤≤1

        對(duì)于幾何概率問(wèn)題,貝特朗于1899年在《概率論》一書(shū)中介紹了一個(gè)實(shí)例——貝特朗奇論,引起了大家的注意,推動(dòng)了概率論的發(fā)展

        (1)如果認(rèn)為弦的端點(diǎn)等可能地落在圓周上,則一點(diǎn)確定后,另一點(diǎn)也等可能地落在圓周上以此點(diǎn)為頂點(diǎn)作一等邊三角形,顯然,只有落入此三角形內(nèi)的弦才滿足要求,這種弦的另一端跑過(guò)的弧長(zhǎng)記為,則

        注意:同一問(wèn)題有三種不同的答案,細(xì)究原因,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在取弦時(shí)采用的等可能性假定不同三種答案針對(duì)的是三種不同的隨機(jī)試驗(yàn),對(duì)應(yīng)三種不同的樣本空間,才導(dǎo)致有不同的計(jì)算結(jié)果但對(duì)于各自的隨機(jī)試驗(yàn)而言,它們都是正確的

        五、結(jié)束語(yǔ)

        樣本空間是一個(gè)重要的基本概念,教師在教學(xué)中需要循序漸進(jìn)地增強(qiáng)學(xué)生對(duì)它的理解和應(yīng)用特別是在古典概型的計(jì)算上,盡管對(duì)同一問(wèn)題可以用不同的樣本點(diǎn)和樣本空間來(lái)描述,但是對(duì)同一事件的概率計(jì)算難易程度在不同的樣本空間中會(huì)有比較大的差別其實(shí),概率問(wèn)題的復(fù)雜程度與所需要使用的數(shù)學(xué)工具主要取決于所選取樣本空間的大小顯然,上面幾個(gè)例題中最簡(jiǎn)單的解法中所選取的樣本空間都是最小的了如果還要小的話,所求概率的事件就“裝”不進(jìn)樣本空間,即所求事件不是樣本空間的子集,或者無(wú)法保證等可能性因此,抓住刻畫(huà)所求概率事件的本質(zhì)特點(diǎn),對(duì)與其關(guān)系不大的因素不予考慮,恰當(dāng)?shù)剡x取樣本點(diǎn)和樣本空間,將有助于更快更容易地正確解決問(wèn)題

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