probability 2013 ch01 axioms of probability

Upload: chang

Post on 06-Jul-2018

226 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    1/28

    Probability

    Chapter Outline

    Chapter one

      xioms of probability

    1.1 Introduction

    1.2 Sample space and events1.3 Axioms of  probability

    1.4 Basic Theorems

    1.5 Continuity of  probability function

    1.6 Probabilities 0 and 1

    1.7 

    Random 

    selection 

    of  

    points 

    from 

    intervals

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    2/28

    Probability

    1.1 Introduction

      Event: a set of  outcomes (to which a probability is assigned)

     –   Event may or may not occur  Random event

     –   Occurrence of  event is inevitable  Certain event

     –   Event never occur  Impossible event  Probability theory aims at determining the exact value, or an 

    estimate of  the chance of  occurrence of  a random event

      Humans have been interested in games of  chance and gambling

     –   4‐sided die: Ancient Egypt; 3500 B.C.

     –   6‐sided die: 1600 B.C.

     –   Dice: China; 7th‐10th centuries

     –   Playing cards: Much more recent

      Advent of  probability as a math discipline is relatively recent

    Chien-Chao Tseng 2

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    3/28

    Probability

    Early Era of  Probability Theory

      Studies of  Chances of  Events (begins at fifteen century)

      Italian scholars tried to construct a math foundation for Prob.

     –   Luca Paccioli (1445‐1514) 

     –  Niccolo Tartaglia (1499‐1557) –  Girolamo Cardano (1501‐1576)

     –   Galileo Galielei (1564‐1642)

      Real progress (started in France) (in 1654)   General methods for the calculation of  probabilities

     –  Blaise Pascal (1623‐1662)

     –   Pierre de Fermat (1601‐1665)

      First book on probability (in 1657 )

     –   Christian Huygens (1629‐1695) (Dutch)

    –   “On Calculations in Games of  Chance"

    Chien-Chao Tseng 3

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    4/28

    Probability

    Growth of  Probability Theory

      Major breakthrough –   James Bernoulli (1654‐1705) (book published in 1917) –   Abraham de Moivre (1667‐1754) (book published in 1930)

      Growth of  probability and applications in various directions –   Pierre‐Simon Laplace (1749‐1827) –   Simeon Denis Poisson (1781‐1840) –   Karl Friedrich Gauss (1777‐1855)

      Advance of  probability theory (19th century)

      Russian mathematicians advanced works of  Laplace, DeMoivre, and Bernoulli

     –   Pafnuty Chebyshev (1821‐1894) –   Andrei Markov (1856‐1922) –  Aleksandr Lyapunov (1857‐1918)

    Chien-Chao Tseng 4

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    5/28

    Probability

    Relative Frequency Interpretation of  Probability

    By the early 20th century, prob. is already a developed theory –   But, foundation was not firm

    Relative Frequency Interpretation (most satisfactory that time)

     Relative frequency of  occurrences as the probability p of  the occurrence of  an event A of  an experiment

    To define  p, we – study a series of  sequential or simultaneous performances 

    of  the experiment and – observe the proportion of  times that  A occurs approaches a 

    constant.

    •  : number of  times A occurs during  performances of  the experiment 

    This definition is mathematically problematic

    Cannot be the basis of  a rigid probability theoryChien-Chao Tseng 5

    lim→

    /

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    6/28

    Probability

    Problem with Relative Frequency Interpretation

    1)   In practice,  lim→

    /   cannot be computed and no 

    way to analyze the error of  the approximation

    2)   No reason to believe the limit of   ⁄   , as → ∞ exists.

      Furthermore, if  we accept it exists many dilemmas arise

      E.g., uniqueness of  the probability is not guaranteed

      Cannot  justify  ⁄   approaches the same limit in a 

    different series of  experiments. 

    3)   Probabilities that based on our personal belief  and knowledge is not  justifiable

    Statements such as the following would be meaningless.• “The probability that the price of  oil will be raised in the 

    next six months is 60%.”

    • “The probability that it will snow next Christmas is 30%.” 

    Chien-Chao Tseng 6

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    7/28

    Probability

    Firm Mathematical Grounds

      Axiomatic treatment of  the theory of  probability (in 1900)

     Pointed out by David Hilbert (1862‐1943)  Crucial to the advance of  probability

      Firm mathematical foundation of  probability   Some work toward this goal done by

     – Émile Borel (1871‐1956), Serge Bernstein (1880‐1968), 

    Richard von Mises (1883‐1953)   Successful creation of  the axioms of  probability (in 1933) by

     –   Russian mathematician Andrei Kolmogorov (1903‐1087) –   Took 3 self ‐evident and indisputable properties as axiomsEntire theory of  probability is developed and rigorously 

    based on axioms 

    Chien-Chao Tseng 7

    • “Existence of a constant p as → ∞" is shown

    •Subjective probabilities may be modeled and studied 

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    8/28

    Probability

    1.2 Sample space and events

      Experiment: “Tossing a die,” …

     –   Outcome of  an experiment is not certain, but  –   All of  the possible outcomes are predictable

      Sample Space: set of  all possible outcomes (denoted as S)   Sample points (or points) of  the sample space: 

     –   Possible outcomes of  the experiment

      E.g., 1.1 Tossing a coin once: sample space S = {H, T}   E.g., 1.2 Flipping a coin and 

     – tossing a die if  T or flipping a coin again if  H

    S={T1, T2, T3, T4, T5, T6, HT, HH}

      Events: certain subsets of  sample space S

     – Set of  points of  the sample space

      an event E occurs if  outcome of  experiment belongs to E

    Chien-Chao Tseng 8

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    9/28

    Probability

    Relations of  Events (of  an Experiment) (1/3)

      Subset

    event E  is said to be a subset of  event F  if, whenever E  occurs, F  also occurs. 

     –   all sample points of  E  are contained in F .  –   in set‐theory, E  ⊆ F .

      Equality

    Events E  and F  are said to be equal if  occurrence of  E  implies 

    occurrence of  F , and vice versa; 

     –   that is, if  E  ⊆ F  and F  ⊆ E , hence E  = F .

      Intersection

    An event is called the intersection of  two events E  and F  if  it occurs only whenever E  and F  occur simultaneously. 

     –   In set‐theory, this event denoted by EF  or E  ∩ F 

    Chien-Chao Tseng 9

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    10/28

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    11/28

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    12/28

    Probability

    Useful Relations

      = ,  ∪ = , and = ∅

      Commutative laws: E UF  = F UE, EF  = FE 

      Associative laws: EU(FUG)=(EUF)UG

      Distributive laws:  (EF)UH=(EUH)(FUH), (EUF)H=(EH)U(FH)   De Morgan’s 1st law: (EUF)c = EcFc

    ⋃  

    = ⋂  

      ,  ⋃  

    = ⋂  

      De Morgan’s 2nd law: (EF)c = EcUFc

    ⋂  

    =  ⋃  

    ,  ⋂  

    =  ⋃  

        ∪ :    ∪ =  ∪

     Elementwise method for identity proof :  –   Events on both sides formed by the same sample points –   Prove set inclusion in both directions

    • E.g., 

     = 

     if  

     and 

    Chien-Chao Tseng 12

    Distributive Law

     E  E C 

     E 

    F C 

    F  EF 

     EF C 

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    13/28

    Probability

    1.3 Axioms of  Probability

      If  a result is false, a counterexample exists to refuse it   If  a result is valid, a proof  must be found.

    Venn diagrams (sec. 1.2): to give intuitive  justification, or to 

    create counterexample and show invalidity of  relations   Proofs in probability theory: by axiomatic method

    1)   Adopt certain simple, indisputable, and consistent statements without  justifications (axioms or postulates). 

    2)   Agree on how and when one statement is a logical consequence of  another one

    3)   Obtain new results (theorems) using the terms already 

    clearly understood, axioms and definitions   Theorems are statements that can be proved. 

     –   Can be used for discovery of  new theorems,

     –   Process 

    continues 

    and 

    theory 

    evolves.Chien-Chao Tseng 13

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    14/28

    Probability

    Axioms of  probability

      Definition (Probability Axioms)

     –   S: a sample space of  a random phenomenon.

     –   A: an event of  S

     –   P : a function for each event  A, i.e., P : 2S R (or   (S) R) P ( A): a number associated with  A

      If  P  satisfies the following axioms, 

     –   P  is 

    called 

    probability 

    and 

     –   P ( A) is said to be the probability of   A

      Axiom 1: P ( A) 0

      Axiom 2: P (S) = 1

      Axiom 3: If  { A1,  A2,  A3, …} is a sequence of  mutually exclusive events (  = ∅ when  ) then

    Chien-Chao Tseng 14

    )()(11  

      i iii  AP AP  

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    15/28

    Probability

    Equally Likely, Empty Set

      Equally likely 

     –   Let S be the sample space of  an experiment. 

     –   Let  A and B be events of  S. 

     –   A and B are equally likely if  P(A) = P(B). 

     Theorem 1.1 Probability of  empty set ∅ is 0. (P (∅) = 0.)

    Proof:

     –   Let  A1 = S and  Ai = ∅ for i  ≥ 2;   ,   ,   , . . . is a sequence of  mutually exclusive events.

     –   By Axiom 3, 

      ⋃  

      ∑     ∑   ∅

    Implying that ∑   ∅ 0     ∅ 0

    Chien-Chao Tseng 15

    Axiom 3

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    16/28

    Probability

    Finite Additivity (Theorem 1.2)

      Axiom 3 is stated for a countably infinite 

    collection of  mutually exclusive events. 

    Axiom 3 is also called the axiom of  countable additivity . 

     Theorem 1.2 (Finite 

     Additivity .) –  Let {  ,   , . . .  ,  } be a mutually exclusive set of  events. 

     –   Then   ⋃     ∑  

    Proof : –   For i   , let  Ai = ∅.

      ,   ,   , . . .: a sequence of  mutually exclusive events. 

    By Axiom 3 and Theorem 1.1,   ⋃  

      =  ⋃  

      = ∑  

    = ∑     ∑  

      ∑  

     

    Chien-Chao Tseng 16

    Axiom 3

    ∅ 0

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    17/28

    Probability

    Implication of  Theorem 1.2

      By theorem 1.2, 

    if   and   are two mutually exclusive events

     ∪   =  +    (1.2)

      Implication of  equation 1.2: for any event  A,  1

    Proof : 

    –  ∪

     –   By Axiom 2, 

    ∪ = = 1

    +  = 1

    For any event  A, 0 1

    Chien-Chao Tseng 17

    Axiom 2

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    18/28

    Probability

    Probability of  Equal Likely Outcomes

     –   Let S be the sample space of  an experiment. 

     –   If  S has N  points that are all  

    equally  

    likely  

    to occur

    Probability of  each outcome (sample point) is 1 /N . 

    Inference: –   Let S = {s1 , s2 , . . .  , sN} the sample space of  an experiment;

     –   All sample points are equally likely to occur, 

    P({s1}) = P({s2})=  ∙ ∙ ∙ = P({sN}) –   P(S) = 1, and {s1}, {s2}, …, {sN} are mutually exclusive 

    1 = P(S) = P({s1, s2,  ∙ ∙ ∙, sN}) 

    = P({s1}) + P({s2}) +  ∙ ∙ ∙ +P({sN}) 

    = NP({sN})

    P({sN}) = 1/N

    Chien-Chao Tseng 18

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    19/28

    Probability

    Theorem 1.3 Classical Definition of  Probability

     –   Let S be the sample space of  an experiment. 

     –   If  S has N  points that are all  

    equally  

    likely  

    to occur 

    For any event A of  S ,

    P( A) = N( A)/N, where N( A) is the number of  points of  A. Proof:

     –   Let S = {s1 , s2 , . . .  , sN},  is an outcome of  the experiment

     –   Equiprobable

    P({sN}) 

    1/N for 

    all 

    i , 

    1  ≤

    i  ≤

    N. –   Let  A = { ,  , . . .  , }, where  ,  ∈ S for all . 

     –   { ,  , . . .  , } are mutually exclusive

    P( A) = P({

     , 

     , . . .  , 

    }) 

    = P({}) + P({}) +  ∙ ∙ ∙ +P({}) 

    = 1/N+1/N + .. +1/N = N( A)/N

    Chien-Chao Tseng 19 N ( A) terms

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    20/28

    Probability

    1.4 Basic Theorems

     Theorem 1.4 = 1  –   A, mutually exclusive

    1 ∪

     Theorem 

    1.5 If  

     A

    B, 

    then 

    P(B  A) = P(B ) = P(B)  P( A)

    Proof :

     –   A  BB = (B  A) ∪ A

     –   Events (B  A) and A are mutually exclusive (∵ (B  A) A = ∅)

    P(B) = P((B  A) ∪ A) = P(B A) + P( A)

    P(B  A) =  P(B)  P( A)

    Corollary If  A  B , then P( A)  P(B) 

    Theorem 1.6 P( A ∪ B) = P( A) + P(B) P( AB)

    Theorem

     

    1.7 

    P( A) 

    P( AB) 

    P( A

    )Chien-Chao Tseng 20

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    21/28

    Probability

    Proof  of  Theorem 1.6

     Theorem 1.6 P( A ∪ B) = P( A) + P(B) P( AB) Proof :

      ̶   A ∪ B =  A ∪ (B    AB)

      ̶   A and (B  AB) are mutually exclusive P( A ∪ B ) =  P( A ∪ (B    AB))

    = P( A ) + P(B    AB)

     –   By Theorem 1.5,

     AB ⊆ B P(B  AB) = P(B)  P( AB) 

    P( A ∪ B )

     

    P( A 

    ) + P(B) 

    P( AB) 

    Chien-Chao Tseng 21

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    22/28

    Probability

    Inclusive‐Exclusive Principle (1/2)

    Three Events: 

    P( ∪∪) = P( )+P( )+P( )

    P(  )P(  )P(  )

    +P(   ) 

    Proof :

      ̶   By associative laws: P( 

    ) = P(

    )

      ̶   By Theorem 1.6 and distributive Laws: 

      ̶   P( ∪∪) = P(( ∪)∪)

    = P( )+P( )P(  )+P( )P(  ∪ )= P( )+P( )P(  )+P( )

    P(  )P(  )+P(   )

    Chien-Chao Tseng 22

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    23/28

    Probability

    Inclusive‐Exclusive Principle (2/2)

    Four Events: 

    P( ∪∪∪) 

    = P( )+P( )+P( )+P( ) 

    P(  )P(  )P(  )P(  )P(  )P(  )

    +P(   )+P(   )+P(   ) +P(   )

    P(    ) 

    Inclusive‐Exclusive Principle ( events)

     ⋃      ∑  

      ∑ ∑    

    + ∑ ∑ ∑  

     

     

    +  1     ⋯

    Chien-Chao Tseng 23

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    24/28

    Probability

    Theorem 1.7

    Theorem 1.7 P( A) = P( AB) + P( A) Proof :

      ̶   A =  AS =  A ∩ (B ∪ ) =  AB ∪ A

      ̶   AB and  A are mutually exclusive   P( A) = P( AB ∪ A) = P( AB) + P( A)

    Chien-Chao Tseng 24

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    25/28

    Probability

    1.5 Continuity of  probability function

      Recall: probability is a set function from   (S) to [0 , 1].–    (S), power set (set of  all possible events) of  S.

     A sequence events { ,   ≥ 1} of  a sample space is called 

     –   increasing if   ⊆  ⊆  ⊆ ∙ ∙ ∙ ⊆  ⊆   ∙ ∙ ∙ ; –   decreasing if   ⊇  ⊇  ⊇ ∙ ∙ ∙ ⊇  ⊇  ⊇ ∙ ∙ ∙ .

      For an increasing sequence of  events { ,   ≥ 1}, –   lim

    : event that at least one  , 1  ≤  

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    26/28

    Probability

    Theorem 1.8 Continuity of  Probability Function

     –   For any increasing or decreasing seq. of  events, { ,   ≥ 1} 

    lim→

    ) =  lim→

      roof:

    – ’s: circular disks 

    – ’s: shaded circular annuli,  except   .

    • ⋃     = ⋃  

      = ,  1, 2, 3, ⋯,

    ⋃     = ⋃  

      =  lim

    –  lim→

    = ⋃     = ⋃  

      = ∑  

     

    =  lim→ ∑     =  lim→ ⋃  

      =  lim→ ⋃  

     

    = lim→

    Chien-Chao Tseng 26

    Referred to textbook for the proof for decreasing sequence

    Mutually exclusive

    Mutually exclusive

    Mutually exclusive

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    27/28

    Probability

    1.6 Probabilities 0 and 1

      Misinterpretation of  events with probabilities 1 and 0. 

     –   If  event E  with probabilities 1 then it is the sample space S.

     –   If  event F  with probabilities 0 then it is the empty set ∅.

      In some experiments, there exist infinitely many events  –   each with probability 1, and 

     –   each with probability 0.

    Ex. (Experiment: Random selection of  points from (0,1)) –   Probability of  the occurrence of  any particular point is 0. 

    (Can be shown by Continuity of  Probability, page 29, 30)

     –   For a point t  ∈ (0 , 1), let  = (0 , 1) − {t }. 

    • P({t }) = 0, but {t }  ∅

    • P() = P()  1 1, but   S (0 , 1).

     –   Infinitely many events {t }’s and ’s exist

    Chien-Chao Tseng 27

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch01 Axioms of Probability

    28/28

    Probability

    1.7 Random selection of  points from intervals

      Definition: A point is said to be randomly selected from an interval (a, b):

     –   if  any two subintervals of  (a, b) that have the same length 

    are 

    equally  likely  to

     

    include 

    the 

    point. 

    Probability that the subinterval (, ) contains the point is defined to be ( )/(ba).

    (Sketch of  Proof: divide interval into (ba)/ ( )

    subintervals, apply Axiom 2 and Thm 1.2) 

      In a random selection of  points from intervals,

     –   Probability of  the occurrence of  any particular point is 0. 

    If  [α , β] ⊆ (a, b) , events that the point falls in [α , β] , (α , β) , [α , β), and (α , β] are all equiprobable. 

     –   Probability of  the occurrence of  a finite or countablyinfinite set is 0.

    Chien-Chao Tseng 28