SYSTEMATIC MATHEMATICS

概率与统计

本课分成九个按内容确定长度的单元,各单元分别有 5、5、6、5、5、5、8、11、8 章,共 58 个可见知识章节。这门课从初学者能看见的问题开始:可能出现哪些结果?每个结果的概率是多少?知道新信息后概率怎样改变?平均数概括了什么?用一个样本下结论时有多大不确定性?课程先用硬币、骰子、纸牌、有限表格与普通分数讲清基本概念。每个新符号都会先读出来,逐项说明它代表哪个具体量,再进入公式。随后学习概率表、条件树、随机变量、次序统计量、离散与连续分布、卷积、联合模型、重复抽样,并在大数定律之前先推导 Markov 与 Chebyshev 上界;再学习标准误、t 推断、配对与独立组比较、Bootstrap 与置换推理、似然、卡方表、ANOVA、Bayesian 更新与后验预测、区间、检验、多重性、多元与 Logistic 回归、残差诊断、均值与个体预测区间、留出验证、混杂、缺失、随机比较,以及相关与因果的边界。最后第九单元从原始数据行重建一个小型研究,把算术、假设、不确定性与证据不支持的结论分开。时间序列、生存分析、复杂调查、空间统计、高维学习、Bayesian 计算与高级因果识别明确留给后续课程,而不是作为隐藏遗漏。

本课程之前: 已完成代数与函数,包括分数、比率、方程、函数、图像与初等数列。有限集合、计数、求和、指数、面积与积分记号都在使用前引入或复习。开篇不假设微积分、证明课程、编程、电子表格、统计软件包、正态表背诵或先前概率课程。

COURSE FACTSLevel, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

概率空间分清单个结果、结果集合与各自概率

目标: 为什么这不默认是普通公平骰答案?

掷一次骰子只会产生一个具体结果,例如 4。事件是用一组结果表示的问题,例如“点数为偶数”对应集合 {2,4,6}。概率模型给每个可能结果分配一个 0 到 1 之间的概率值;在离散概率论中,这个值的专业名称是“概率质量”,但它就是概率,不是物体的重量或质量。

本节要建立:对每个事件 A,都有 0≤P(A)≤1、P(∅)=0、P(Ω)=1 与 P(Aᶜ)=1−P(A)。 先使用定义“对有限模型,Ω 是全部可能结果的完整清单,A 是从中选出的一组结果。p(ω) 表示某个具体结果 ω 的概率。每个概率都不能为负,而且全部概率相加必须等于 1。事件概率 P(A) 的算法是:只把属于 A 的那些结果的概率 p(ω) 相加。”。最接近但结论可能失败的情况是:试验的完整结果或其概率未定义时,只列“成功”和“失败”无效。

先认符号,再计算:Ω 读作“欧米伽”,表示所有可能结果组成的完整清单。A 是从清单中挑出的一组结果,ω 读作“小欧米伽”,表示其中某一个具体结果。P(A) 表示“最终结果落在 A 这一组中的概率”。p(ω) 表示“具体结果 ω 的概率值”;离散概率论把这个概率值叫“概率质量”,它不是重量。Σ 读作“求和”,意思是把后面的量对清单中的每个结果各加一次,不是一个新的未知数。

对每个事件 A,都有 0≤P(A)≤1、P(∅)=0、P(Ω)=1 与 P(Aᶜ)=1−P(A)。

每个单独结果的概率至少为零,因此把一个事件所含结果的概率相加,不可能得到负数。

事件只使用 Ω 中的一部分结果,而全部结果的概率和为一,所以事件概率不可能超过一。

A 与其补集 Aᶜ 合起来恰好把每个结果包含一次,所以 P(A)+P(Aᶜ)=1。

一个六面偏置骰子的模型如下:掷出 1、2、3、4 的概率各为 1/8;掷出 5、6 的概率各为 2/8,也就是 1/4。求掷出偶数的概率。

  1. 完整结果清单是 Ω={1,2,3,4,5,6}。“偶数”事件只包含 {2,4,6}。
  2. 按点数顺序读六个概率:P(1)=1/8、P(2)=1/8、P(3)=1/8、P(4)=1/8、P(5)=2/8、P(6)=2/8。因此本题需要相加的是 P(2)、P(4) 与 P(6)。
  3. 相加得 1/8+1/8+2/8=4/8=1/2。核验:奇数结果 1、3、5 的概率也是 1/8+1/8+2/8=1/2;偶数与奇数互为补集,两者相加为 1。

结果: P(偶数)=1/2。