確率の定義

    Aの上の実数値集合関数

定義:確率測度 (Probability Measure)、確率(Probability)、 確率空間(probability space)・確率モデル(probability model)、確率の公理(probability axioms)

     (Ω, A):可測空間、

     Aの上の実数値集合関数P: A∋AP(A)∈R

    とする。

    

    Pが以下の(P1)〜(P3)を満たす

      (P1) 0≦P(A)≦1 ∀A∈A

      (P2) P(Ω)=1

      (P3) A1,A2,…∈A, Ai∩Aj=φ (i≠j) ⇒

                     (完全加法性/可算加法性)

    ⇔

    ・Pを、(Ω, A)上の確率測度(probability measure)ないし確率(probability)と呼ぶ。

    ・組(Ω, A, P )を、確率空間(probability space)あるいは確率モデル(probability model)と呼ぶ。

    ・A∈Aに対し、確率Pの値P(A)を、事象Aの起こる確率と呼ぶ。

    

    ・(P1)〜(P3)を確率の公理(probability axioms)と呼ぶ。

(reference)

文献1.『岩波数学辞典(第三版)』項目47.B. (pp.127-128).

文献2. 佐藤坦『はじめての確率論 測度から確率へ』共立出版、1994、pp.18-24.

文献3. 鈴木武・山田作太郎『数理統計学―基礎から学ぶデータ解析―(第二版)』内田老鶴圃、1998年、pp.7-12。

文献4. 矢野・田代『社会科学者のための基礎数学 改訂版』裳華房、1993年、p.148-150.

文献5. 野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、p.2 。

文献6. 柳川堯『統計数学』近代科学社、1990, pp.3-4.

確率についての諸定理

1. 空事象φの確率P(φ)

    P(φ)=0

    (proof)

    確率の定義(P1)より、0≦P(φ)≦1  …(1)

    φ=φ∪φ∪φ… かつ φ∩φ=φ であるので、確率の定義(P3)より、

    P(φ)=P(φ∪φ∪φ…)=P(φ)+ P(φ)+…

    仮に、0<P(φ)≦1とすると、右辺が収束せず、(1)と矛盾をきたす。

    したがって、P(φ)=0

(reference)

佐藤坦『はじめての確率論 測度から確率へ』共立出版、1994、p20

鈴木武・山田作太郎『数理統計学―基礎から学ぶデータ解析―(第二版)』内田老鶴圃、1998年、p.10,

野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、p.5

は、同様の証明。

柳川堯『統計数学』近代科学社、1990,p.4.は異なった証明。

2. 有限加法性(Finite Additivity)

    A1,…..,An∈A, Ai∩Aj=φ(i≠j)

    ⇒

(proof)

    An+1=An+2=…=φ∈Aとする。(1)

      ∵(1)

    

       ∵A1,…..,An, An+1,An+2,…∈A, Ai∩Aj=φ(i≠j)にたいして、

        確率の定義(P3)完全加法性を適用

    

     ∵空事象φの確率

(reference)

同様の証明を

佐藤坦『はじめての確率論 測度から確率へ』共立出版、1994、.p21、pp.10,

野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、p.5

は詳細に示し、

柳川堯『統計数学』近代科学社、1990,p.4.

は方向性だけ示唆。

3-1.単調性(monotonicity)

    A⊂B ⇒ P(A)≦P(B)

(proof)

    A⊂Bより、

      B=A∪ (B−A).

      A ∩(B−A)=φ (互いに排反)

    したがって、確率の有限加法性より、

      P(B)=P(A∪(B−A))=P(A)+P(B−A)

    確率の定義P1より、P(B−A)≧0

    ∴P(B)≧P(A)

(reference)

同様の証明を

野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、p.6

3-2.差法可能性(subtractability)

    A⊂B ⇒ P(B−A) = P(B)−P(A)

(proof)

    A⊂Bより、

      B=A∪(B−A).

      A ∩(B−A)=φ (互いに排反)

    したがって、確率の有限加法性より、

      P(B)=P(A∪(B−A))=P(A)+P(B−A)

    両辺からP(A)を引いて、

      P(B)−P(A)= P(B−A)

(reference)

野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、p.6

3-3.余事象(complementary event)の確率

    P(Ac)=1−P(A)

    (proof)

    Ω=A∪ Ac

    確率の有限加法性より、

    P(Ω) = P(A∪Ac) = P(A) + P(Ac)

    確率の定義P2より、左辺=1となるので、

    1 = P(A) + P(Ac)

    ∴ P(Ac) = 1 − P(A)

(reference)

鈴木武・山田作太郎『数理統計学―基礎から学ぶデータ解析―(第二版)』内田老鶴圃、1998年、p.10.

矢野・田代『社会科学者のための基礎数学 改訂版』裳華房、1993年、p149

が同様の説明。

野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、p.6は、3-2差分可能性の系として示す(B=Ωとおけば、B−A=Ω−A=Acとなるので)。

5.劣加法性

    A1, A2,,…∈A [注:Ai∩Aj=φが条件に入ってない]⇒

    (proof) 

 

加法則(additon rule)

    A,B∈Aならば、

    P(A∪B)=P(A)+(B)−P(A∩B)

    

    (proof)

    

    (a) 準備その1  

    まず、A∩Bc、B∩Ac、A∩Bについて、

    確率の有限加法性を適用する条件が整っていることを示す。

      ・A,B∈Aより、Ac,Bc∈A  ∵σ加法族の定義(条件2)

       よって、A∩Bc、B∩Ac、A∩B∈A  

           ∵可測空間に関する諸定理(3) (An+1以降をφとおいて)。

      ・A∩Bc、B∩Ac、A∩Bは互いに排反。∵ベン図を見よ。

    (b) 準備その2  

    次に、考察の対象となる事象を、
    
確率の有限加法性を適用可能な上記事象の和として表す。

    A∪B = (A∩Bc)∪(B∩Ac)∪(A∩B)

      A= (A∩Bc)∪(A∩B)

      B= (B∩Ac)∪(A∩B)

    (c) 準備その3

    考察の対象となる事象の確率を、確率の有限加法性を用いて分解する。

     <c-1>

     P(A∪B)=P[(A∩Bc)∪(B∩Ac)∪(A∩B)]  ∵(b)

         =P(A∩Bc)+P(B∩Ac)+P(A∩B)  ∵(a)ヨリ確率の有限加法性を適用

     <c-2>

       P(A)=P[(A∩Bc)∪(A∩B)]  ∵(b)

        =P(A∩Bc)+P(A∩B)  ∵(a)ヨリ確率の有限加法性を適用

     <c-3>

       P(B)=P[(B∩Ac)∪(A∩B)]  ∵(b)

         =P(B∩Ac)+P(A∩B)  ∵(a)ヨリ確率の有限加法性を適用

    (d) 本題

    P(A∪B)=P(A∩Bc)+P(B∩Ac)+P(A∩B) ∵<c-1>

       =[P(A)−P(A∩B)]+[P(B)−P(A∩B)] +P(A∩B) 

            ∵<c-2>、<c-3>で、P(A∩B)を移項した表現

             P(A∩Bc)= P(A)−P(A∩B)、

             P(B∩Ac)=P(B)−P(A∩B)

             ヨリ

       =P(A) +P(B)−P(A∩B)

    

    

  1. 確率の連続性

    {An}⊂Aが単調増大列または単調減少列のとき、

    

    基礎知識→極限集合 

(i)下からの連続性(continuity from below)

    {An}⊂Aが単調増大列⇒

    (解釈)「増大事象列An, n=1,2,…にたいして、P(An)は増大しながら、

            

         に収束する。」[西尾pp.33-34]

    (proof)

     準備1:

       仮定より、{An}⊂Aは単調増大列。

       増大列の極限についての定理から、{An}には極限が存在し、

        (*)

     準備2:

       {Bi}を、

       B1=A1

       B2=A2−A1

       :

       

       :

       とおく。

       

       すると、

      ・Bi ∈A ( i=1,2,…)

         なぜなら、

         仮定よりB1=A1∈A 

         Bi =Ai−Ai−1=Ai ∩ (Ai−1)C ( i = 2,3,4,…)   

            ここで、仮定よりAi ∈A (1)

            (1)とσ加法族の定義(条件3)より

            (Ai−1)C ∈A (2)

            σ加法族は有限のintersectionについて閉じているので、

            (1)と(2)より、

            Ai ∩ (Ai−1)C ∈A 

      Bi ∩ B j=φ (i≠j) [排反](**)

      ・   (***) 

      ・    (****)

      

      (*)

            (****)

            (**)より確率の公理(P3)確率の完全加法性を適用

             つまりP(B1)+P(B2)+P(B3)+…

           

             つまりn→∞での[P(B1)+P(B2)+…+P(Bn)]

           (**)より確率の有限加法性を適用  

           ↑この辺り納得いかんが、野田宮岡によると、こうなってる。

             (***) より

    

    

(ii)上からの連続性(continuity from above)

    {An}⊂Aが単調減少列⇒ 

    (解釈)「減少事象列An, n=1,2,…にたいして、P(An)は減少しながら、

          

         に収束する。」[西尾p.34]

         

    (proof)

     準備1:

       仮定より、{An}⊂Aは単調減少列。

       減少列の極限に関する定理から、{An}には極限が存在し、

        (1)

     準備2:

       {Bi}を、

       B1= A1−A2

       B2=A3−A2

       :

       Bn=An−An+1

       :

       とおく。

       (An+1がないとBnは定義されない。

        つねに、{ Ai }のほうが{ Bi }よりも一歩先まであることに

        注意せよ)

     

       すると、

      ・Bi ∈A ( i=1,2, 3,…) (2)

         なぜなら、

            仮定よりAi ∈A (a)

            (1)とσ加法族の定義(条件3)より

            (Ai)C ∈A (b)

            σ加法族は有限のintersectionについて閉じているので、

            (a)と(b)より、

            Ai ∩ (Ai+1)C ∈A 

         ゆえに、

         Bi =Ai−Ai+1=Ai ∩ (Ai+1)C ∈A ( i = 1,2,3,…)   

      ・、{Bi}は互いに素。 (3)

      ・ と書ける。(4)

      ・    ∵{ Bi }の定義

        ∵Ai⊃Ai+1より確率の差分可能性適用 

       

      

             (5)

    (本題)

        (4)ヨリ

          (2) (3)より

                     確率の公理(P3)確率の完全加法性を適用

          (5)ヨリ

     ∴

  なんか納得できない。P( lim An )とlim P(An)の記法の違いでごまかされている気がする。両者の間に、記法の違い以外に、どのような実質的な意味の違いがあるというのだろうか。LimAnの定義は、極限集合ではっきり定義されている(ここでは∩Anになる)。limP(An)の定義は?

(reference)

文献1.『岩波数学辞典(第三版)』項目47.B. (pp.127-128).

文献2. 佐藤坦『はじめての確率論 測度から確率へ』共立出版、1994、pp.20-24.

文献3. 鈴木武・山田作太郎『数理統計学―基礎から学ぶデータ解析―(第二版)』内田老鶴圃、1998年、pp.9-12。

文献4. 矢野・田代『社会科学者のための基礎数学 改訂版』裳華房、1993年、p.148-150.

文献5. 野田一雄・宮岡悦良『数理統計学の基礎』共立出版、1992年、pp.5-8 。

文献6. 柳川堯『統計数学』近代科学社、1990, pp.4-6.

文献7. 西尾真喜子『確率論』実教出版社、1978, pp.32-34.