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機率與訊息 (第 2 頁) 劉豐哲
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.原載於數學傳播第二卷第三期 .作者當時任職於中研院數學所 •註釋 •對外搜尋關鍵字 |
我們假定讀者具有最基本的機率論的常識。本節的目的是利用簡化的一般性討論來得到我們所需要的簡單模型──有限機率空間。機率空間與實際問題之間的關係是初學者最感迷惑的東西;初學者常常問:為什麼需要機率空間?的確,在通常的實際問題中,事件的機率都非常顯明易見,我們只不過是採用一些計算機率的「規則」,以某些已知事件的機率來求出另外一些事件的機率。界定機率空間似乎是小題大作,多此一舉,徒然擾亂方寸(心)!關於這個問題,我們要從兩個層面來做總結的說明。第一個層面是計算機率時所採用的「規則」的合法性。這些規則所依靠的一些概念(例如隨機獨立性)常依各人的詮釋而異,因而產生了許多詭論。(請參閱熊昭教授文:〈 淺談幾個或然率上的詭論〉──原《數播》編者)機率空間的提出就在建造一個適當的體系,使得相關的主要概念都能具有明確的意義,並且把大家默許的,不經意所採用的計算規則做一個清楚的說明,以確定它的角色與地位。第二個層面是我們所建造的機率空間到底跟原先所出發的實際問題有什麼關係,是不是充分的描述了原先的問題。這是一個哲學性的問題;對於科學工作者而言,這個問題的掌握便是實踐。 其實,每一門數學都有這兩個層面;機率論的這兩個層面較難領會,一來機率論的年齡尚輕,我們的實踐還不充分,二來機率論的經驗基礎和其它數學比較起來,是在人類生活體驗中屬於較高層面的。這些問題的討論不是本文的目的。我們的重點是在傳達給讀者一個簡單而有用的觀點: 在觀察隨機現象時,我們得到了許多資料,將這些資料去蕪存菁,最後所列出來的簡明「圖表」就是機率空間。換句話說,一個機率空間就是觀察某個隨機現象的實驗總結。
在下面的討論中,例子很少。我們相信由讀者自己提供例子,更易達到本節的目的。
在電阻為一歐姆的電阻器的兩端施以一伏特的電壓,然後量一量通過的電流強度,即得一安培;如果施以二伏特之電壓,量得的電流強度則為二安培。在這個實驗中,決定電流強度的要件是電阻器兩端的電位差;由於電位差是我們能控制的,所以電流強度也是我們所能控制的。但是有的實驗卻不這樣,它的結果依著一些我們不知道的,或者我們無法控制的因素而變化;我們無法預知結果。例如隨手丟擲一枚硬幣時,我們無法預知最後出現的是正面還是反面,因為它是由硬幣丟出瞬間的狀態、所落地面以及硬幣的各種物理性質決定;而這些因素,對隨手丟出硬幣者來講,是未知的或無法控制的因素。另外,觀察孕婦生男生女,觀察丟擲骰子出現的點數,也就是屬於這類性質的實驗。我們把這類實驗稱為隨機實驗,或簡稱試驗。
我們可以把試驗看成是對其一隨機現象的片面觀察,例如在丟擲兩顆骰子時,觀察它們出現點數之和,或觀察點數和為奇或為偶數,都是對「丟擲兩顆骰子」這個隨機現象的片面觀察。科學上只考慮能夠一再地予以獨立觀察的現象,因為只有這種現象才有可能做科學分析。我們所考慮的隨機現象也必須如此。譬如說,丟擲銅板便是一個可以重覆獨立觀察的現象,不同的人可以各自獨立地丟擲銅板,觀察銅板最後出現的面,或者同一個人也可以一再丟擲同一銅板,這些都不會影響現象本身的狀況。我們在這兒介紹的是機率論的簡單部份,因此此段假定試驗的可能結果只有有限多個。我們知道試驗的目的是在瞭解現象,如果我們無法從試驗的各個結果找出任何規律,那麼就不可能對相關的現象提出科學性的結論,這種現象對人們而便是迷惑的現象,須要做進一步的觀察才行。在這裡,我們只考慮具有下述規律的試驗(以後稱之為隨機規律性):
假設 A1, A2,…,An 為某一試驗的所有可能結果。如果在多次獨立地觀察這個試驗的結果時,各個結果 Ai 出現的次數與試驗次數之比圍繞在某個固定數 pi 的附近,則我們說這個試驗具有隨機規律性。p1, p2,…,pn 這些數表現了 A1,A2,…,An 這些結果出現的規律性。當然, 表示這個試驗,或簡記為之
為了簡單起見,我們只考慮某個隨機現象的有限多個試驗。在下面的討論中,我們先固定一個隨機現象;假設
舉個例吧!在隨手丟擲兩顆可分辨的骰子時,我們用 其中 Ai(1)、Ai(2) 分別表示第一顆與第二顆骰子出現之點的情形。這時, 平常我們是把 <Ai(1),Aj(2)> 寫成 (i,j),把
我們強調過,我們只考慮具有隨機規律性的試驗,因此,我們要求 Ω 的每個點
機率論的目的是在研究隨機現象�婺g驗規律的數學關係及其應用。由於上述的集合 Ω 與基本事件的機率綜合地表達了多次獨立觀察
從數學的觀點來看,我們的起點是一個有限集合 Ω,而對 Ω 的每一子集 A,我們都附上了一個數 P(A),這些滿足下述的關係:
換句話說,有限集合 Ω 及滿足(1)和(2)的函數 P 就是數學的起點。Ω 和 P 合起來稱為機率空間,簡記作 (
以下我們形式地定義一些最有用的概念,而將唇齒相關的直覺意義,留給讀者自己去補上。(同時請參閱楊維哲先生撰:〈機率一講〉──原《數播》編者。)
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| 編輯:黃信元 | 最後修改日期:4/26/2002 |