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条件概率、独立与贝叶斯公式

基础更新于 2026-09-29

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条件概率把观察范围缩到已经知道发生的事件中;它通常会改变原来的概率。

条件概率与乘法公式

设 A,BA,B 是同一随机试验中的事件。已知 BB 发生后,研究 AA 发生的概率,称为在条件 BB 下 AA 的条件概率,记为 P(A∣B)P(A\mid B)。当 P(B)>0P(B)>0 时,定义

P(A∣B)=P(A∩B)P(B).P(A\mid B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)}.

分子保留同时满足两项要求的结果,分母把条件事件的概率重新归一化为 11。因此 P(B∣B)=1P(B\mid B)=1,且 0≤P(A∣B)≤10\le P(A\mid B)\le1。这里没有假定原样本点等可能;只有在有限等可能模型中,才可进一步写成 ∣A∩B∣/∣B∣\lvert A\cap B\rvert/\lvert B\rvert。

将定义移项,得到乘法公式:

P(A∩B)=P(B)P(A∣B)(P(B)>0).P(A\cap B)=P(B)P(A\mid B)\quad(P(B)>0).

若 P(A)>0P(A)>0,也可写成 P(A)P(B∣A)P(A)P(B\mid A)。三个事件的版本为

P(A∩B∩C)=P(A)P(B∣A)P(C∣A∩B),P(A\cap B\cap C)=P(A)P(B\mid A)P(C\mid A\cap B),

其中要求 P(A∩B)>0P(A\cap B)>0,从而前两个条件概率均有定义。这是连续两次使用乘法公式的结果,不要求三个事件独立。

全概率公式

设 B1,…,BnB_1,\ldots,B_n 两两互斥,B1∪⋯∪Bn=ΩB_1\cup\cdots\cup B_n=\Omega,且 P(Bi)>0P(B_i)>0。这组事件给出全部结果的一种分类。则对任意事件 AA,

P(A)=∑i=1nP(Bi)P(A∣Bi).P(A)=\sum_{i=1}^nP(B_i)P(A\mid B_i).

证明。 每个属于 AA 的结果恰好落在一个 BiB_i 中,因此

A=⋃i=1n(A∩Bi)A=\bigcup_{i=1}^n(A\cap B_i)

是互斥并。由概率的可加性及乘法公式,

P(A)=∑i=1nP(A∩Bi)=∑i=1nP(Bi)P(A∣Bi).P(A)=\sum_{i=1}^nP(A\cap B_i)=\sum_{i=1}^nP(B_i)P(A\mid B_i).

若分类中有零概率事件,可先把这些事件的交集贡献记为 00,只对正概率类别计算条件概率,不能写出未定义的 P(A∣Bi)P(A\mid B_i)。

贝叶斯公式

在上述分类条件下,若又有 P(A)>0P(A)>0,则

P(Bj∣A)=P(Bj)P(A∣Bj)∑i=1nP(Bi)P(A∣Bi).P(B_j\mid A)=\frac{P(B_j)P(A\mid B_j)}{\sum_{i=1}^nP(B_i)P(A\mid B_i)}.

证明。 根据条件概率定义,左边等于 P(A∩Bj)/P(A)P(A\cap B_j)/P(A)。分子用乘法公式展开,分母用全概率公式展开,即得结论。

P(Bj)P(B_j) 是观察到 AA 之前第 jj 类的概率;P(Bj∣A)P(B_j\mid A) 是观察到 AA 后重新计算的概率。计算时先明确分类,再计算各类产生 AA 的概率,最后除以所有类别产生 AA 的总概率。

例:已知信息改变了分母

掷一枚公平骰子,记 AA 为点数是偶数,BB 为点数大于 33。已知 AA 发生后,可能结果缩为 {2,4,6}\{2,4,6\},其中 BB 对应 {4,6}\{4,6\},故

P(B∣A)=P(A∩B)P(A)=2/63/6=23.P(B\mid A)=\frac{P(A\cap B)}{P(A)}=\frac{2/6}{3/6}=\frac23.

而 P(A∩B)=1/3P(A\cap B)=1/3 是“两个条件同时满足”的原始概率。条件概率已把条件事件作为新的参照总体,因此它与交事件概率不是一回事。

独立事件:定义、补事件与多个事件

若

P(A∩B)=P(A)P(B),P(A\cap B)=P(A)P(B),

则称事件 A,BA,B 相互独立。这个定义也适用于零概率事件。当 P(B)>0P(B)>0 时,它等价于 P(A∣B)=P(A)P(A\mid B)=P(A);当 P(A)>0P(A)>0 时,也等价于 P(B∣A)=P(B)P(B\mid A)=P(B)。

若 A,BA,B 独立,则 A,B‾A,\overline B,A‾,B\overline A,B,A‾,B‾\overline A,\overline B 也分别独立。

证明。 因为 A=(A∩B)∪(A∩B‾)A=(A\cap B)\cup(A\cap\overline B) 是互斥并,

P(A∩B‾)=P(A)−P(A∩B)=P(A)[1−P(B)]=P(A)P(B‾).P(A\cap\overline B)=P(A)-P(A\cap B)=P(A)[1-P(B)]=P(A)P(\overline B).

交换 A,BA,B 可得第二组;再对第一组取 AA 的补事件,得到第三组。

事件 A1,…,AnA_1,\ldots,A_n 相互独立,是指任取至少两个不同下标 i1,…,iri_1,\ldots,i_r,均有

P(Ai1∩⋯∩Air)=∏j=1rP(Aij).P(A_{i_1}\cap\cdots\cap A_{i_r})=\prod_{j=1}^rP(A_{i_j}).

只检验每一对事件满足乘法关系,得到的是两两独立,一般不足以推出相互独立。

例如独立抛两枚公平硬币,令 AA 为第一枚正面,BB 为第二枚正面,CC 为两枚同面。三者概率都是 1/21/2,任意两个同时发生的概率都是 1/41/4,但

P(A∩B∩C)=14≠18=P(A)P(B)P(C).P(A\cap B\cap C)=\frac14\ne\frac18=P(A)P(B)P(C).

所以它们两两独立,却不相互独立。

对相互独立的 nn 个事件,“至少一个发生”的概率为

1−P(A‾1∩⋯∩A‾n)=1−∏i=1n[1−P(Ai)].1-P(\overline A_1\cap\cdots\cap\overline A_n)=1-\prod_{i=1}^n[1-P(A_i)].

这里用到了补事件仍相互独立;这一结论可反复使用上面的减法论证得到。

易错点

P(A∣B)P(A\mid B) 与 P(B∣A)P(B\mid A) 通常不同。正概率的互斥事件不独立,因为交集概率为零而概率乘积为正。多个事件两两独立不一定相互独立,不能据此直接乘全部概率。

例:盒子来源

等概率选择甲、乙两盒。甲有 22 红 11 蓝,乙有 11 红 22 蓝,再均匀抽一球。红球概率为 1223+1213=1/2\frac12\frac23+\frac12\frac13=1/2。已知抽到红球,来自甲的概率为 (1/2⋅2/3)/(1/2)=2/3(1/2\cdot2/3)/(1/2)=2/3。

例:全概率向前汇总,贝叶斯反向追溯

盒甲有 33 红球、11 蓝球,盒乙有 11 红球、33 蓝球。先以 1/31/3 的概率选甲、2/32/3 的概率选乙,再在所选盒中随机取一球。

两条取到红球的路径互斥,故

P(红)=13⋅34+23⋅14=512.P(\text{红})=\frac13\cdot\frac34+\frac23\cdot\frac14=\frac5{12}.

若已看到红球,追问来自甲盒的概率,则

P(甲∣红)=P(甲且红)P(红)=1/45/12=35.P(\text{甲}\mid\text{红})=\frac{P(\text{甲且红})}{P(\text{红})} =\frac{1/4}{5/12}=\frac35.

甲盒红球比例高,但最初选甲的机会较少;后验结果要同时考虑这两个因素,不能直接回答 3/43/4。全概率的分类必须互斥且覆盖所有可能路径。

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先修:样本空间、事件与概率模型。

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