人工智能数学基础-概率论与数理统计

目录

  • 概率论基础
    • 条件概率
    • 排列组合
    • 全概率公式
    • 贝叶斯法则
      • 贝叶斯意义

概率论基础

  • 概率论与数理统计是研究什么的?
    • 随机现象:不确定性与统计规律性
    • 概率论:从数量上研究随机现象的统计规律性的科学
    • 数理统计:从应用角度研究处理随机性数据,建立有效的统计方法,进行统计推理

条件概率

  • 加法公式:若事件A与B互斥,则
    P ( A ⋃ B ) = P ( A ) + P ( B ) P(A\bigcup B) = P(A) + P(B) P(AB)=P(A)+P(B)
     1. 事件A与B至少有一个发生的事件叫做A与B的和事件,记为 A ⋃ B 或 A + B A\bigcup B或A + B ABA+B
     2. 事件A与B都发生的事件叫做A与B的积事件,记为 A ⋂ B 或 A B A\bigcap B或AB ABAB
  • 对于事件空间 Ω \Omega Ω,事件A和B的加法公式是:
    P ( A ⋃ B ) = P ( A ) + P ( B ) − P ( A ⋂ B ) P(A\bigcup B) = P(A) + P(B) - P(A\bigcap B) P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)
    若A、B事件相互独立,那么: P ( A ⋂ B ) = 0 P(A\bigcap B) = 0 P(AB)=0

排列组合

  • 组合:从n个元素中取m个元素组成一组(不考虑其顺序)的组合方式个数,记
    C n m , 其 中 m ≤ n 。 C n m = A n m A m m = n ! m ! ( n − m ) ! , 其 中 C n 0 = 1 C{^m_n},其中 m\le n。C{^m_n} = \frac{A{^m_n}}{A{^m_m}} = \frac{n!}{m!(n - m)!},其中 C{^0_n} = 1 CnmmnCnm=AmmAnm=m!(nm)!n!Cn0=1
  • 排列数:从n个元素中抽取m个元素的所有不同的排列个数。记作 A n m 。 其 中 m ≤ n 。 A n m = n ( n − 1 ) ⋯ ( n − m + 1 ) A{^m_n}。其中 m \leq n。 A{^m_n} = n(n-1)\cdots(n-m+1) AnmmnAnm=n(n1)(nm+1)

全概率公式

  • 当求某一事件A的概率比较困难,而求条件概率比较容易时,可先设法将这个事件A分成几个互不相容的和,再利用加法公式和乘法公式解之。
    样本设 B 1 , B 2 ⋯ B n , 为 一 列 互 不 相 容 的 事 件 , 且 ⋃ i = 1 n B i = Ω B_1,B_2\cdots B_n,为一列互不相容的事件,且 \bigcup_{i=1}^{n}B_i = \Omega B1,B2Bni=1nBi=Ω,则对任一事件A,有
    P ( A ) = P ( B 1 ) P ( A ∣ B 1 ) + P ( B 2 ) P ( A ∣ B 2 ) + ⋯ + P ( B n ) P ( A ∣ B n ) = ∑ i = 1 n P ( B i ) P ( A ∣ B i ) P(A) = P(B_1)P(A|B_1) + P(B_2)P(A|B_2) + \cdots + P(B_n)P(A|B_n) = \sum_{i=1}^nP(B_i)P(A|B_i) P(A)=P(B1)P(AB1)+P(B2)P(AB2)++P(Bn)P(ABn)=i=1nP(Bi)P(ABi)
    参考全概率 中间关于全概率公式的例子部分。
  • 注意:参考连接链接例子的三条路不拥堵的概率是指各自的概率,是相对独立的

贝叶斯法则

  • 通常,事件A在事件B(发生)的条件下的概率,与事件B在事件A的条件下的概率是不一样的;然而,这两者是有确定关系,贝叶斯法则就是这种关系的陈述。

定义1

  • A 1 , A 2 , ⋯ A n 构 成 一 个 完 备 事 组 , 且 P ( A i ) > 0 , i = 1 , 2 , ⋯ n A_1, A_2,\cdots A_n 构成一个完备事组,且P(A_i) > 0,i =1, 2, \cdots n A1,A2,AnP(Ai)>0,i=1,2,n
    则 对 于 任 何 事 件 , 有 P ( A i ∣ B ) = P ( A i ) P ( B ∣ A i ) ∑ j = 1 n P ( A j ) P ( B ∣ A j ) , i = 1 , 2 , ⋯ n 则对于任何事件,有P(A_i|B) = \frac{P(A_i)P(B|A_i)}{\sum_{j=1}^nP(A_j)P(B|A_j)},i=1, 2, \cdots n P(AiB)=j=1nP(Aj)P(BAj)P(Ai)P(BAi),i=1,2,n

设自然状态 θ 有 k 种 \theta有k种 θk, θ 1 , θ 2 , ⋯   , θ k \theta_1, \theta_2, \cdots ,\theta_k θ1,θ2,,θk

  • 全概率公式: P ( x ) = ∑ i = 1 n P ( x ∣ θ i ) P ( θ i ) P(x) = \sum_{i=1}^nP(x|\theta _i)P(\theta_i) P(x)=i=1nP(xθi)P(θi)
  • Bayes公式(后验公式): P ( θ i ∣ x ) = P ( x ∣ θ i ) P ( θ i ) ∑ i = 1 n P ( x ∣ θ i ) P ( θ i ) P(\theta _i|x) =\frac{P(x|\theta_i)P(\theta_i)} {\sum_{i=1}^nP(x|\theta _i)P(\theta_i)} P(θix)=i=1nP(xθi)P(θi)P(xθi)P(θi)

注:

  1. 把事件 θ i , x \theta_i, x θi,x看为随机变量,上公式则为Bayes后验分布
  2. P ( θ i ) P(\theta_i) P(θi):自然状态 θ i \theta_i θi发生的先验概率分布;
  3. P ( x ∣ θ i ) P(x|\theta_i) P(xθi):自然状态 θ i \theta_i θi条件下事件为x的概率;
  4. P ( θ i ∣ x ) P(\theta_i|x) P(θix): θ i \theta_i θi发生的后验概率;
  5. 全概率公式: P ( x ) 为 x P(x)为x P(x)x在各种状态下可能出现的概率的综合值。

贝叶斯意义

贝叶斯定理的意义在于,能在出现一个新的补
充事件条件下,重新修正对原有事件概率的估
计。即计算出后验概率分布
在提供了新的补充信息条件下,这一修正的概
率比没有补充信息条件下的概率估计更为准确。
例子如下图:
人工智能数学基础-概率论与数理统计_第1张图片人工智能数学基础-概率论与数理统计_第2张图片
人工智能数学基础-概率论与数理统计_第3张图片
可以看到通过两次贝叶斯公式(后验公式)计算,结果正确率大大提高

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