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  • 概率问题随笔

    1. 如果E和F是一次试验中的两个互不相容事件,那么在独立重复试验时,E发生在F之前的概率为:

        p = P(E) / [P(E) + P(F)]

        证明1:

        若E在F前,那么第一次试验要么为E(于是已可确定E在F前),要么非E非F,而不可能是F。于是:

        p = P(E) + p(1-P(E)-P(F))

        证明2:

        若E在F前,那么第一次发生E之时,F还没有发生。或者说,第一次发生E之前的所有事件都是非E非F。于是:

        p=Σ(k)(1-P(E)-P(F))kP(E),k≥0。

    2. 两个赌徒相约若干局,谁先赢了S局则赢。若甲赢a(a<s)局,乙赢b(b<s)局,那么最多还要赌(s-a)+(s-b)-1局。

        解释:甲还要赢s-a局,乙还要赢s-b局;

                最小情况下,只需赢得多的那个人(甲或乙)再赢s-a或s-b局;

                最大情况下,两人分别又赢了s-a-1和s-b-1局,此时再赌一局即可。于是最多总共再赌(s-a-1)+(s-b-1)+1=(s-a)+(s-b)-1局。

    3. 假设在独立重复试验中,每次成功概率为p,失败概率1-p,在m次失败之前有n次成功的概率有多大?

        或者,用赌徒问题来描述就是:甲赢一局的概率为p,乙赢一局的概率为1-p,甲先赢n局则甲赢,乙先赢m局则乙赢,甲赢的概率是多大?

        令事件A为“在m次失败之前有n次成功”(或者,甲赢得赌局),

        首先考察第一次试验,有两种结果:成功,概率p;失败,概率1-p。

        若第一次成功,那么后续试验需要在m次失败之前有n-1次成功;

        若第一次失败,那么后续试验需要在m-1次失败之前有n次成功。

        上述两种情况互斥且完备。

        因此Pn,m=pPn-1,m+(1-p)Pn,m-1

        Pn,m表示m次失败前有n次成功(或者说甲赢得赌局)。

        P0,m=1(甲不需赌即赢);Pn,0=0(乙不需赌即赢,甲不可能赢)

        这是一个递推等式,不去管怎么解了。

    4. 若X在(α,β)上服从均匀分布,那么E[X]=(β+α)/2,Var(X)=(β-α)2/12

        均匀分布的概率密度函数在取值非0区间是个常数:1/(β-α)

    5. 正态分布(μ,σ2)的数学期望为μ,方差为σ2

    6. 对于随机变量的函数的概率密度,例如已知(x,y)的概率密度想求g(x,y)的概率密度,

        一般的做法是利用Fg(x,y)(a)=P(g(x,y)<a),将g(x,y)代入后求出其分布,然后求导。

        即,不是直接求概率密度,而是先求概率分布。

    7. 配对问题:有N个人,他们各自的帽子混在一起,每人随机拿一顶,所有人都没有拿到自己的帽子的概率是多大?

        直观上,“所有人都没有拿到自己的帽子”的互斥事件是“有人拿到了自己的帽子”。

        但更符合概率论的说法是,“至少有一个人拿到了自己的帽子”。

        记Ei为“第i人拿到了自己的帽子”,那么“至少有一个人拿到了自己的帽子”的概率就是:

        P(E1+E2+...+En) = ΣP(Ei)-ΣP(EiEj)+ΣP(EiEjEk)-...+... ......

    8. N个人坐成一圈,有多少种坐法?

        N!/N=(N-1)!

    9. 方程x1+x2+...+xr=n的正整数解个数为(n-1, r-1)

        非负整数解个数为(n+r-1, r-1)

        解释:

        1) 正整数解可想象为将n个球分为r组,每组都不空。

            分组方法是将n个球排成一排,在n-1个空隙中选取r-1个,这样就将n个球分成了非空的r组。

        2) 方程∑xr=n的非负整数解个数等于方程∑yr=n+r的正整数解个数(令yi=xi+1,xi非负,yi必为正)。

        3) 上面的思路可用于解更复杂些的方程解个数问题。例如要求每个x≥2,这时我们可令yi=xi-1。

    10. 乘法规则

          P(E1E2...En)=P(E1)P(E2|E1)P(E3|E1E2)...P(En|E1...En-1)

          解释:

          P(E1)P(E2|E1)=P(E1E2)

          P(E1E2)P(E3|E1E2)=P(E1E2E3)

          ...

    11. 如果E和F独立,那么E和Fc也独立。

          解释:若E和F独立,那么不管F是否发生,E发生的概率是不变的。

    12. 如果E、F、G三事件独立,那么E与F和G的任意组合事件也是独立的。

    13. 一类赌徒问题的分析过程

          有很多赌徒问题是这样的:刚开始A有M元,B有N元,每局A赢的概率为p,B赢的概率为1-p,输方给赢方1元,求最终A或B赢得对方全部钱的概率。

          分析过程如下:

          若第一局A赢,则A有M+1元,B有N-1元;

          若第一局B赢,则A有M-1元,B有N+1元。

          若PM为A有M元并最终赢得所有钱的概率,那么:

          PM=pPM+1+(1-p)PM-1

          根据边界条件(M=0或N=0)可以解出该递推方程。

          此处P实际上是M的函数。

    14. P(E1|F)=P(E1E2|F)+P(E1E2c|F)

                    =P(E1|E2F)P(E2|F)+P(E1|E2cF)P(E2c|F)

    15. C(n,r)=C(n-1,r-1)+C(n-1,r)

         解释:假设n个元素中有1个特殊的,那么取出的r个元素中可能包含或不包含该特殊元素。

         等号右边即:包含该特殊元素的取法+不包含该元素的取法。 

    16. (x+y)n=∑C(n,r)xryn-r 

    17. ∑C(n,r)=2n     (C(n,0)+C(n,1)+...+C(n,n)=2n)

    18. 分堆问题

        [以下叙述并不严谨;请参考另一篇blog:分堆问题]

         分堆问题有两类,一类是不计较顺序(“顺序”指堆的顺序,不是堆内元素的顺序)的分堆,例如10个人分A,B两队(堆)打比赛;

         一类是计较顺序的分堆,例如10个人分A,B两队,一队扫地,一队擦窗户。

         计较顺序的分堆方法为n!/(n1!n2!...nr!)

         不计较分堆顺序的方法还要考虑有没有相同元素数目的堆。例如n1,n2元素数目相同;n3,n4,n5元素数目相同。

         此时上面的式子还要除以2!3!

    19. (x1+x2...+xr)n=∑n!/(n1!n2!...nr!)x1n1x2n2...xrnr

    20. n个球中有一个标记球,放回或不放回取出k个,标记球被取出的概率都是k/n

         (这个解释貌似有问题:若放回取出数k>n,取出概率是多少?)

          放回情况不解释;对于不放回情况:

          直观解释:根据对称性,任何一个球第i次(1≤i≤k)被取出的概率Pi应该是一样的,根据对称性Pi=1/n。

          另一种解释:设想将这n个球进行全排列,不放回情况下就是取排列好的n个球的前k个。球在n个位置中的任一个出现的概率是一样的。

          第三种解释:不放回情况和一次性取出k个的情况是一样的。

    21. 一般来说,样本均值用Xbar表示,总体均值用μ表示。

    22. 假定一个试验有n个可能结果E1...En,每次试验的结果是独立的,要注意单次试验中出现Ex或Ey是互斥而不是独立。

    23. 多维随机变量要求取值区间是一个区域。例如二维随机变量,取值区间必须是二维平面上的一个有面积区域,而不能是一根线(比如像X2=X1这样,(X1,X2)就不是二维随机变量)。同理,三维随机变量的取值区间必须是一个有体积区域。

    24. M=max(X1,X2)的概率分布:

         设为F(M≤m),即F(max(X1,X2)≤m)

         [max(X1,X2)≤m] ==> [X1≤m, X2≤m]

         [X1≤m, X2≤m]   ==> [max(X1,X2)≤m]

         即,max(X1,X2)≤m等价于X1≤m, X2≤m

     25. 卷积

          设Z=X+Y,为了让随机变量的和等于Z,当其中一个取值为x的时候,另一个必须取值为z-x。于是得到卷积式的两个随机变量。

    26. Z=XY的概率分布

          当其中一个取值为x,为了让积为z,另一个必须取值为z/x。

          然后回忆下信号变换x[t]->x[2t]代表时间轴压缩,x[t]->x[t/2]代表时间轴扩展,为了让积分面积不变,被积分式需除以|x|。

    27. Z=X/Y的概率分布

          同上分析。

    28. 随机变量用于将“Event”映射到“number”。比如:

    if(骰子掷出1 /*骰子掷出1是个事件*/) X=1 /*X是个随机变量*/;
    if(骰子掷出2) X=2;

         这个例子里骰子的值刚好等于映射的number。

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