预备知识与基本概念

1.1 概率公理化

1.1.1 可测空间

定义 集合 Ω 的全体子集构成的集合称为 Ω 的 幂集 (power set), 记为 P(Ω). 幂集的子集称为 Ω 的 子集族 (或 集类) (family of sets), 用手写体表示.

定义 设 F 为 Ω 的非空集类, n∈N. 若

  1. A∈F⇒AC∈F.

  2. A1,A2∈F⇒A1∪A2∈F.

则称 F 为 域 (field / domain).

备注 与抽代里的域 (field) 不同, 这里的 F 对交集与补集只构成交换幺半群, 因此不是代数结构里的域; 有时也称为代数, 不过也有别于代数结构里的代数.

定义 设 F 为 Ω 的非空集类, n∈N. 若

  1. Ω∈F.

  2. A∈F⇒AC∈F.

  3. An∈F⇒⋃n=1∞An∈F.

则称 F 为 σ 域 (σ 代数, 事件域), 且 (Ω,F) 为 可测空间 (measure space).

推论 σ 域对可列次交并差补封闭, 即 A,B∈F⇒A∪B,A∩B,A∖B∈F, 并且有 ∅∈F. 这里的 "可列次" 指的是运算次数的势不超过 ℵ0, 下文同理.

备注 当 Ω={a} 时, F 即为布尔代数 (逻辑代数). 因此 σ 代数的运算性质, 对于布尔代数也成立. 特殊的, 布尔代数的逻辑运算还构成交换环.

定义 包含集类 A (不一定是 σ 域) 的所有 σ 域之交称为由 A 生成的 σ 域 (或包含 A 的 最小 σ 域), 记为 σ(A).

定义 Bn=σ{∏i=1n[ai,bi) | ai,bi∈R} 称为 n 维 Borel σ 域, 其中连乘表示直积.

备注 一维 Borel σ 域记为 B, 可以由形如 (a,b) 或 [a,b] 或 (−∞,a) 等的子集族生成. 开或闭都是无所谓的, 因为对于差集封闭.

性质 Rn 上的任意点与任意区间都属于 Bn.

1.1.2 概率空间

定义 设 Ω≠∅, F 为 Ω 上的一个 σ 域, 则称 Ω 为 样本空间, ω∈Ω 为 样本点, F 为 事件域, A∈F 为 (随机) 事件. 特别的, Ω 和 ∅ 分别称为 必然事件 和 不可能事件.

事件运算的记号

约定

定义 若 AB=∅, 则称 A 与 B 互斥 (或 不相容). 若 ∀(i≠j):AiAj=∅, 即两两互斥, 则称 A1,A2,⋯ 为 互斥事件组.

定义 设 (Ω,F) 为可测空间, 集合函数 P:F→R 满足

  1. (规范性) P(Ω)=1.

  2. (非负性) ∀A∈F:P(A)≥0.

  3. (可列可加性) 若 Ai∈F 两两互斥, 则

P(⋃i=1∞Ai)=∑i=1∞P(Ai).

则称 P 为可测空间 (Ω,F) 上的一个 概率 (测度) (probability measure), 称 P(A) 为事件 A 的 概率, 称 (Ω,F,P) 为 概率空间.

性质

例子

1.1.3 概率的连续性

定义 (极限)

  1. 若 An⊂An+1,n∈N+, 则事件列 {An} 称为单调 增序列, 并且 limn→∞An:=⋃i=1∞Ai.

  2. 若 An⊃An+1,n∈N+, 则事件列 {An} 称为单调 增序列, 并且 limn→∞An:=⋂i=1∞Ai.

备注 对于单调递增序列 {An}, 可以构造互斥事件组 {Bn=An−An−1}, 并且有 ⋃i=1∞Ai=⋃i=1∞Bi.

定理 (连续性定理) 若 {An} 是单调增序列 (或减序列), 则

limn→∞P(An)=P(limn→∞An).
证明

备注 若对于任意单调增序列, 上式成立, 则称为下连续; 若对于任意单调减序列, 上式成立, 则称为上连续. 因此概率是上下连续的, 并且该性质等价于可列可加性.

定理 (Borel-Cantelli 引理) 若 ∑i=1nP(Ai)<+∞, 则

P(limi→∞supAi)=0.

其中 limi→∞supAi:=⋂n=1∞⋃i=n∞Ai.

证明

 

定理 (引理的另一情况) 对于独立事件序列 {An}, 若 ∑i=1nP(An)=+∞, 则

P(⋂n=1∞⋃i=n∞Ai)=1.
证明

 

定理 (概率的次可加性) 即 Boolean 不等式可推广为

P(⋃i=1∞Ai)≤∑i=1∞P(Ai).
证明

 

1.2 随机变量与 R-S 积分

1.2.1 随机变量与分布函数

定义 设 (Ω,F,P) 是一个概率空间, X(ω) 是定义在 Ω 上的单值实函数, 如果

∀a∈R:{X≤a}:={ω∣X(ω)≤a}∈F.

则称 X(ω) 在 Ω 上可测, 称为 随机变量 (random variable), 简记为 r.v.. 随机变量的逆为

X−1(B):={ω∣X(ω)∈B}

备注 于是可定义其概率. 并且对于实数上任意的单点集或任意的区间 S, 有 {X∈S}:={ω∣X(ω)∈S}∈F.

定义 任意事件 A 的 示性函数 (characteristic function) 为 IA(ω)={0,A 没发生,1,A 发生了.

备注 若 A∈F, 则 IA(ω) 是随机变量; 若 A∉F, 则 IA(ω) 不是随机变量.

定义 给定 (Ω,F) 和事件序列 Bn∈F, 若 ∀(k≠l):BkBl=∅ 且 ⋃k=1∞Bk=Ω, 则称 {Bk} 为 Ω 的一个 划分 (set partitioning).

备注 若 {Bk} 是 Ω 的一个划分, 则 X(ω)=∑n=1∞xnIBn(ω) 是随机变量, 其中 xn∈R.


本节以下内容没有新东西.

定义 设 X 是 (Ω,F,P) 上的随机变量, 定义 X 的 分布函数 (distribution function) 为

∀x∈R:F(x)=P(X≤x)=P{ω∣X(ω)≤x}.

备注 分布函数又称为累积分布函数 (cumulative distribution function), 建成 c.d.f..

定义 若随机变量 X 和 Y 独立, 且有相同的分布 F (或分布函数 F(x)), 则称 X 和 Y 独立同分布 F (或 F(x)), 记作 X,Y i.i.d. F(x).

定义 若随机变量 X 的可能取值的全体是有限集或可数集, 则称 X 是 离散型随机变量, 记为 d.r.v..

定义 对 r.v. X 的分布函数 F(x), 若存在非负函数 f(x) 使得

∀x∈R:F(x)=∫−∞xf(u)du.

则称 f(x) 为 r.v. X 的 概率密度函数 (probability density function), 简记为 p.d.f.. 此时 r.v. X 称为 连续型随机变量, 简记为 c.r.v..

备注 若 f(x) 在 x 连续, 则

f(x)=dF(x)dx=limh→0P(x<X<x+h)h=f(x).P(x<X<x+h)=f(x)h+o(h).

定义 二维随机变量 (X,Y) 的 联合分布 与 X 和 Y 的 边缘分布 分别定义为

F(x,y)=P(X≤x,Y≤y).FX(x)=P(X≤x)=limy→+∞F(x,y)=F(x,+∞).FY(y)=P(Y≤y)=limx→+∞F(x,y)=F(+∞,y).

定义 若存在一非负函数 f(x,y) 使得

∀(x,y)∈R2:F(x,y)=∫−∞x∫−∞yf(u,v)dudv,

则称 f(x,y) 为 (X,Y) 的 联合概率密度函数, 简记为 j.p.d.f..

定义 称随机变量 X 和 Y 相互独立, 如果

∀(x,y)∈R2:F(x,y)=FX(x)FY(y).

备注 以上三个定义对高维随机变量同理.

1.2.2 Riemann-Stieltjes 积分

定义 设 F(x) 是 R 上的单调不减右连续函数, g(x) 为 R 上的单值实函数, 对于 a<b, 任取分点

a=x0<x1<x2<⋯<xn=b,

对于 ∀ui∈[xi−1,xi], 作积分和式

∑i=1ng(ui)ΔF(xi)=∑i=1ng(ui)[F(xi)−F(xi−1)],

令 λ=max1≤i≤nΔxi=max1≤i≤n(xi−xi−1), 若极限

J(a,b)=limλ→0∑i=1ng(ui)ΔF(xi)

存在, 则记 g(x) 关于 F(x) 在 [a,b] 上的 R-S 积分 为

J(a,b)=∫abg(x)dF(x)=∫abg(x)F(dx).

备注 当 F(x)=x 时, R-S 积分化为 Riemann 积分. 可类似定义反常积分. 这种推广有助于统一表达离散型与连续型的公式, 如拉氏变换.

性质 (沿用上述记号)

  1. 积分 -> 积分的求和

∫abg(x)dF(x)=∑i=1n∫xi−1xig(x)dF(x).
  1. 积分与求和交换顺序

∫ab∑i=1ngi(x)dF(x)=∑i=1n∫abgi(x)dF(x).
  1. 若 g(x)≥0 且 a<b, 则

∫abg(x)dF(x)≥0.
  1. 若 F1(x) 和 F2(x) 为分布函数, C1,C2>0 为常数, 则

∫abg(x)dC1F1(x)+C2F2(x)=C1∫abg(x)dF1(x)+C2∫abg(x)dF2(x).

特例 对于 X 的分布函数 F(x),

  1. 若 g(x)=1, 则

∫abdF(x)=F(b)−F(a)=P(a<X≤b).
  1. 若 X 为离散型随机变量, 即 P(X=ci)=pi,i∈N+, 则

∫−∞+∞g(x)dF(x)=∑n=1∞g(cn)pn.

1.2.3 数字特征

见概率论笔记, 没有什么新的东西.

1.2.4 常见分布

见概统笔记附录, 没有什么新的东西, 记号也是相同的.

1.2.5 线性组合

随机变量的和 若随机变量 X1 和 X2 的联合密度函数为 f(x1,x2), 则 Y=X1+X2 的密度函数为

fY(y)=∫−∞+∞f(y−x,x)dx=∫−∞+∞f(x,y−x)dx.

若 X1 和 X2 独立, 则

fY(y)=∫−∞+∞f(y−x)dF(x).

示性函数的线性组合 设 X(ω) 为非负随机变量, P(X<∞)=1, 令

Xn(ω)=∑k=0n2n−1k2nI{k2n≤X<k+12n}(ω)+nI{X≥n}(ω),

则 Xn(ω) 是随机变量, 且当 X(ω)∈[0,n] 时, |Xn(ω)−X(ω)|<12n. 于是有 limn→∞Xn(ω)=X(ω).

 

1.3 矩母函数与 L-S 变换

矩母函数、母函数、特征函数见概率论笔记, 没有什么新东西.

定义 设非负 r.v. X 的分布函数为 FX(x), 并令 s=a+bi,a>0,b∈R, 则

F^X(s)=∫0+∞e−sxdFX(x)

称为 FX(x) 的 Laplace-Stieltjes 变换, 简记为 r.v. X 的 L-S 变换.

备注 如果 X 是连续型随机变量, 则 FX(x) 的 L-S 变换退化为对 p.d.f. fX(x) 的 Laplace 变换.

性质 L-S 变换的象函数与原分布函数一一对应, 并且对相互独立的非负随机变量 X1,X2 有

F^X1+X2(s)=F^X1(s)⋅F^X2(s).

其它有关拉氏变换的性质可见电路原理笔记第九章.

 

1.4 条件数学期望

见概率论笔记.

 

1.5 随机过程的概念

1.5.1 定义与例子

定义 设 ∀t∈T⊆R,X(t,ω):T×Ω→S⊆Cn 是一随机变量, 则随机变量族 XT={X(t,ω)∣t∈T} 为一 随机过程 (stochastic process) 或称随机函数.

备注

例子

1.5.2 概率特征

1 数字特征

对于随机过程 {X(t),t∈T},

  1. 均值函数 m(t):=E(X(t)).

  2. 方差函数 D(t):=E[(X(t)−m(t))2].

  3. 协方差函数 R(s,t):=Cov(X(s),X(t)).

  4. 相关函数 ρ(s,t):=Cov(X(s),X(t))D(t)⋅D(s).

2 有限维分布族

定义 对于随机过程 {X(t),t∈T}, 记

F(t1,⋯,tn;x1,⋯xn)=P(X(t1)≤x1,⋯,X(tn)≤xn),

其全体

{F(t1,⋯,tn;x1,⋯,xn)∣t1,⋯,tn∈T,n∈N+}

称为随机过程的 有限维分布族.

性质

  1. 对称性 (可以任意交换下标顺序).

  2. 相容性 (若 xi=∞, 则该参数可以省去).

3 有限维特征函数
ϕ(t1,⋯,tn;θ1,⋯,θn)=E[ei(θ1x1+⋯θnxn)]=∫−∞+∞⋯∫−∞+∞ei(θ1x1+⋯θnxn)F(t1,⋯,tn;θ1,⋯,θn).

上述函数的全体称为随机过程 {X(t)∣t∈T} 的 有限维特征函数族.

 

1.6 随机过程的分类

1.6.1 独立增量过程

定义 对 t1<t2<⋯<tn (ti∈T), 若增量

X(t1),X(ti)−X(ti−1) (1<i≤n)

相互独立, 则称 {X(t),t∈T} 为 独立增量过程 (Process with independent increments).

备注 若 X(t)−X(s) 的分布只依赖于 t−s, 则称 XT 有平稳增量. 有平稳增量的独立增量过程称为 独立平稳增量过程.

例子 泊松 (Poisson) 过程, 维纳 (Wiener) 过程 (布朗运动 (Brownion motion)).

1.6.2 马尔可夫过程

定义 若对于任意 t1<⋯<tn<t,xi,A⊂R, 总有

P(Xt∈A∣Xt1=x1,⋯,Xtn=xn)=P(Xt∈A∣Xtn=xn),

则称 {X(t),t∈T} 为 马尔可夫过程 (Markov process). 这种性质称为马尔可夫性或 无后效性.

定义 下述函数称为 转移概率函数 (transition probability function)

P(s,x;t,A)=P(Xt∈A∣Xs=x),s<t.

备注

例子

1.6.3 平稳过程与二阶矩过程

定义 一随机过程 XT, 若对 ∀τ,t∈T, 满足 D(X(t)) 存在且 E(X(t))=m, 并且 Cov(Xt,Xt+τ)=R(τ) 仅依赖 τ, 则称 XT 为 宽平稳过程 (wide sense stationary process), 即它的协方差不随时间推移而改变.

定义 一随机过程 XT, 若对 ∀t∈T, 有 D(Xt) 存在, 则称为 二阶矩过程 (finite second moments process).

定义 一随机过程 XT, 若对 ∀t1,⋯,tn∈T, 与 h>0 , 满足 (Xt1,⋯,Xtn) 与 (Xt1+h,⋯,Xtn+h) 有相同的联合分布, 则称该过程为 严平稳过程 (strictly stationary process).

1.6.4 鞅

定义 若对 ∀t∈T 有 E[X(t)]<+∞, 且对 ∀t1<⋯<tn+1 有

E[X(tn+1)∣X(t1),⋯,X(tn)]=X(tn),

则称 {X(t),t∈T} 为 鞅 (Martingales).

1.6.5 更新过程

定义 设 {Xn} 为独立同分布的正的随机变量序列, 对 ∀t>0, 令 S0=0,Sn=∑i=1nXi, 并定义

N(t)=max{n∣Sn≤t,n∈N},

则称 {N(t),t≥0} 为 更新过程 (Renewal Process).

1.6.6 计数过程

定义 若 N(A) 表示在集合 A 中事件发生的总数, 其中 A⊂T, 即

  1. N(∅)=0.

  2. ∀A⊂T:N(A)∈N.

  3. ∀(A1,A2⊂T)∧(A1A2=∅):N(A1∪A2)=N(A1)+N(A2).

则随机过程 {N(A),A⊂T} 称为 计数过程 (点过程, point process).