概率论复习笔记——条件概率、全概率、贝叶斯公式及其应用

概统笔记——贝叶斯公式

  • 条件概率
  • 乘法定理
  • 全概率公式和贝叶斯公式
    • 样本空间
    • 全概率公式
    • 贝叶斯公式
  • 相关应用

条件概率

定义 A , B A,B A,B是两个事件,且 P ( A ) > 0 P(A)>0 P(A)>0,称 P ( B ∣ A ) = P ( A B ) P ( A ) P(B|A)=\cfrac{P(AB)}{P(A)} P(BA)=P(A)P(AB)为在事件A发生的条件下事件B发生的条件概率

乘法定理

乘法定理 P ( A ) > 0 P(A)>0 P(A)>0,则有 P ( A B ) = P ( B ∣ A ) P ( A ) P(AB)=P(B|A)P(A) P(AB)=P(BA)P(A)

全概率公式和贝叶斯公式

样本空间

定义 设S为试验E的样本空间, B 1 , B 2 , . . . , B n B_1,B_2,...,B_n B1,B2,...,Bn为E的一组事件,若
( i )    B i B j = ϕ ,   i ̸ = j       i , j = 1 , 2 , . . . , n (i) ~ ~B_iB_j=\phi,\space i\not=j ~~~~~ i,j=1,2,...,n (i)  BiBj=ϕ, i̸=j     i,j=1,2,...,n
( i i )   B 1 ⋃ B 2 ⋃ . . . ⋃ B n = S (ii)~B_1\bigcup B_2\bigcup...\bigcup B_n=S (ii) B1B2...Bn=S
则称 B 1 , B 2 , . . . , B n   B_1,B_2,...,B_n~ B1,B2,...,Bn 为样本空间S的一个划分
B 1 , B 2 , . . . , B n   B_1,B_2,...,B_n~ B1,B2,...,Bn 是样本空间的一个划分,那么,对每次试验,事件 B 1 , B 2 , . . . , B n   B_1,B_2,...,B_n~ B1,B2,...,Bn 中必有且只有一个发生.

全概率公式

定理 设试验E的样本空间为S,A为E的事件, B 1 , B 2 , . . . , B n   B_1,B_2,...,Bn~ B1,B2,...,Bn 为S的一个划分,且 P ( B i ) > 0   ( i = 1 , 2 , . . . , n )   P(B_i)>0~(i=1,2,...,n)~ P(Bi)>0 (i=1,2,...,n) 
P ( A ) = P ( A ∣ B 1 ) P ( B 1 ) + P ( A ∣ B 2 ) P ( B 2 ) + . . . + P ( A ∣ B n ) P ( B n ) P(A)=P(A|B_1)P(B_1)+P(A|B_2)P(B_2)+...+ P(A|B_n)P(B_n) P(A)=P(AB1)P(B1)+P(AB2)P(B2)+...+P(ABn)P(Bn)

实际问题中   P ( A )   ~P(A)~  P(A) 不易直接求得,但却容易找到S的一个划分   B 1 , B 2 , . . . , B n   ~B_1,B_2,...,B_n~  B1,B2,...,Bn ,且   P ( B i )   ~P(B_i)~  P(Bi)    P ( A ∣ B i )   ~P(A|B_i)~  P(ABi) 或为已知,或容易求得,那么就可以根据全概率公式求出   P ( A )   ~P(A)~  P(A) 

贝叶斯公式

定理 设试验   E   ~E~  E 的样本空间为   S .   A   ~S.~A~  S. A    E   ~E~  E 的事件, B 1 , B 2 , . . . , B n   B_1,B_2,...,B_n~ B1,B2,...,Bn    S   ~S~  S 的一个划分,且   P ( A ) > 0 , P ( B i ) > 0      i = 1 , 2 , . . . , n ~P(A)>0,P(B_i)>0~~~~i=1,2,...,n  P(A)>0,P(Bi)>0    i=1,2,...,n,则
P ( B i ∣ A ) = P ( A ∣ B i ) P ( B i ) ∑ j = 1 n P ( A ∣ B j ) P ( B j )   ,      i = 1 , 2 , . . . , n . P(B_i|A)=\frac{P(A|B_i)P(B_i)}{\displaystyle\sum_{j=1}^n P(A|B_j)P(B_j)}~,~~~~i=1,2,...,n. P(BiA)=j=1nP(ABj)P(Bj)P(ABi)P(Bi) ,    i=1,2,...,n.

上式被称为贝叶斯(Bayes)公式
     ~~~~      由条件概率的定义以及全概率公式即得
P ( B i ∣ A ) = P ( B i A ) P ( A ) = P ( A ∣ B i ) P ( B i ) ∑ j = 1 n P ( A ∣ B j ) P ( B j )   ,      i = 1 , 2 , . . . , n . P(B_i|A)=\frac{P(B_iA)}{P(A)}=\frac{P(A|B_i)P(B_i)}{\displaystyle\sum_{j=1}^n P(A|B_j)P(B_j)}~,~~~~i=1,2,...,n. P(BiA)=P(A)P(BiA)=j=1nP(ABj)P(Bj)P(ABi)P(Bi) ,    i=1,2,...,n.

特别的,取 n = 2 n=2 n=2,并将 B 1 B_1 B1记为 B B B,此时, B 2 B_2 B2就是 B ‾ \overline{B} B,那么,全概率公式和贝叶斯公式分别成为
P ( A ) = P ( A ∣ B ) P ( B ) + P ( A ∣ B ‾ ) P ( B ‾ ) P(A)=P(A|B)P(B)+P(A|\overline{B})P(\overline{B}) P(A)=P(AB)P(B)+P(AB)P(B)
P ( B ∣ A ) = P ( A B ) P ( A ) = P ( A ∣ B ) P ( B ) P ( A ∣ B ) P ( B ) + P ( A ∣ B ‾ ) P ( B ‾ ) P(B|A)=\frac{P(AB)}{P(A)}=\frac{P(A|B)P(B)}{P(A|B)P(B)+P(A|\overline{B})P(\overline{B})} P(BA)=P(A)P(AB)=P(AB)P(B)+P(AB)P(B)P(AB)P(B)

相关应用

  例1  对以往数据分析结果表明,当机器调整得良好时,产品的合格率为 98 % 98\% 98%,而当机器发生某种故障时,其合格率为 55 % .   55\%.~ 55%. 每天早上机器开动时,机器调整良好的概率为 95 % .   95\%.~ 95%. 试求已知某日早上第一件产品是合格品时,机器调整良好的概率是多少?

     设 A A A为事件“产品合格”, B B B为事件“机器调整良好”.已知 P ( A ∣ B ) = 0.98 , P ( A ∣ B ‾ ) = 0.55 , P ( B ) = 0.95 , P ( B ‾ ) = 0.05 P(A|B)=0.98,P(A|\overline{B})=0.55,P(B)=0.95,P(\overline{B})=0.05 P(AB)=0.98,P(AB)=0.55,P(B)=0.95,P(B)=0.05,所需求的概率为 P ( B ∣ A ) .   P(B|A).~ P(BA). 由贝叶斯公式
P ( B ∣ A ) = P ( A ∣ B ) P ( B ) P ( A ∣ B ) P ( B ) + P ( A ∣ B ‾ ) P ( B ‾ ) P(B|A)=\frac{P(A|B)P(B)}{P(A|B)P(B)+P(A|\overline{B})P(\overline{B})} P(BA)=P(AB)P(B)+P(AB)P(B)P(AB)P(B) = 0.98 × 0.95 0.98 × 0.95 + 0.55 × 0.05 = 0.97 =\frac{0.98\times0.95}{0.98\times0.95+0.55\times0.05}=0.97 =0.98×0.95+0.55×0.050.98×0.95=0.97
这就是说,当生产出第一件产品是合格品时,此时机器调整良好的概率为 0.97 % 0.97\% 0.97%,这里概率 95 % 95\% 95%是由以往的数据分析得到的,叫做先验概率.而在得到信息(即生产出的第一件产品是合格品)之后再重新加以修正的概率(即 0.97 0.97 0.97)叫做后验概率



  例2(期中小测题目)  袋中装有 m m m枚正品硬币, n n n枚次品硬币(次品硬币的两面都印有国徽)。在袋中任取一枚,将其投掷r次,已知每次都是国徽。问这枚硬币是正品的概率是多少?

    显然这道题是要用到贝叶斯公式,可以先把已知的条件写出来,再进一步分析.
   设 A A A为事件“取到正品”, B B B为事件“取到次品”, C C C为事件“将硬币抛   r ~r  r次,每次都是国徽”. 则有
P ( A ) = m m + n                P ( B ) = n m + n P(A)=\frac{m}{m+n}~~~~~~~~~~~~~~P(B)=\frac{n}{m+n} P(A)=m+nm              P(B)=m+nn
P ( C ∣ A ) = 1 2 r                P ( C ∣ B ) = 1 P(C|A)=\frac{1}{2^r}~~~~~~~~~~~~~~P(C|B)=1 P(CA)=2r1              P(CB)=1
  题目转换为求 P ( A ∣ C ) P(A|C) P(AC)的值,由贝叶斯公式,有
P ( A ∣ C ) = P ( A C ) P ( C ) = P ( C ∣ A ) P ( A ) P ( C ∣ A ) P ( A ) + P ( C ∣ B ) P ( B ) P(A|C)= \frac{P(AC)}{P(C)}=\frac{P(C|A)P(A)}{P(C|A)P(A)+P(C|B)P(B)} P(AC)=P(C)P(AC)=P(CA)P(A)+P(CB)P(B)P(CA)P(A)
= 1 2 r m m + n 1 2 r m m + n + n m + n = m m + n ⋅ 2 r =\frac{\frac{1}{2^r}\frac{m}{m+n}}{\frac{1}{2^r}\frac{m}{m+n}+\frac{n}{m+n}}=\frac{m}{m+n\cdot2^r} =2r1m+nm+m+nn2r1m+nm=m+n2rm

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