Cosa sono gli assiomi di probabilità?

Una strategia in matematica è iniziare con alcune affermazioni, quindi costruire più matematica da queste affermazioni. Le dichiarazioni iniziali sono note come assiomi. Un assioma è in genere qualcosa che è matematicamente evidente. Da un elenco relativamente breve di assiomi, la logica deduttiva viene utilizzata per provare altre affermazioni, chiamate teoremi o proposizioni.

L'area della matematica conosciuta come probabilità non è diversa. La probabilità può essere ridotta a tre assiomi. Questo fu fatto per la prima volta dal matematico Andrei Kolmogorov. La manciata di assiomi che sono alla base della probabilità può essere usata per dedurre tutto tipi dei risultati. Ma quali sono questi assiomi di probabilità?

Per comprendere gli assiomi per probabilità, dobbiamo prima discutere alcune definizioni di base. Supponiamo di avere un insieme di risultati chiamato spazio campione S. Questo spazio campione può essere pensato come il set universale per la situazione che stiamo studiando. Lo spazio di esempio è composto da sottoinsiemi chiamati eventi

Partiamo anche dal presupposto che esiste un modo per assegnare una probabilità a qualsiasi evento E. Questo può essere pensato come una funzione che ha un set per un input e a numero reale come uscita. La probabilità del eventoE è indicato da P(E).

Il primo assioma della probabilità è che la probabilità di qualsiasi evento sia un numero reale non negativo. Ciò significa che il minimo che una probabilità possa mai essere è zero e che non può essere infinito. L'insieme di numeri che possiamo usare sono numeri reali. Ciò si riferisce sia ai numeri razionali, noti anche come frazioni, sia ai numeri irrazionali che non possono essere scritti come frazioni.

Una cosa da notare è che questo assioma non dice nulla su quanto grande possa essere la probabilità di un evento. L'assioma elimina la possibilità di probabilità negative. Riflette l'idea che la probabilità minima, riservata agli eventi impossibili, è zero.

Il secondo assioma della probabilità è che la probabilità dell'intero spazio del campione sia una. Simbolicamente scriviamo P(S) = 1. In questo assioma è implicita l'idea che lo spazio del campione sia tutto possibile per il nostro esperimento di probabilità e che non vi siano eventi al di fuori dello spazio del campione.

Di per sé, questo assioma non stabilisce un limite superiore per le probabilità di eventi che non sono l'intero spazio del campione. Riflette che qualcosa con assoluta certezza ha una probabilità del 100%.

Il terzo assioma della probabilità si occupa di eventi reciprocamente esclusivi. Se E₁ e E₂ siamo si escludono a vicenda, nel senso che hanno un'intersezione vuota e quindi usiamo U per indicare l'unione P(E₁ U E₂ ) = P(E₁) + P(E₂).

L'assioma in realtà copre la situazione con diversi eventi (anche numerabili infiniti), ognuno dei quali si escludono a vicenda. Finché ciò accade, il probabilità dell'unione degli eventi è uguale alla somma delle probabilità:

P(E₁ U E₂ U... U E_n ) = P(E₁) + P(E₂) +... + E_n

Anche se questo terzo assioma potrebbe non sembrare così utile, vedremo che combinato con gli altri due assiomi è piuttosto potente.

I tre assiomi fissano un limite superiore per la probabilità di qualsiasi evento. Indichiamo il complemento dell'evento E di E^C. Dalla teoria degli insiemi, E e E^C hanno un incrocio vuoto e si escludono a vicenda. inoltre E U E^C = S, l'intero spazio del campione.

Questi fatti, combinati con gli assiomi ci danno:

1 = P(S) = P(E U E^C) = P(E) + P(E^C) .

Riorganizziamo l'equazione sopra e vediamo quello P(E) = 1 - P(E^C). Poiché sappiamo che le probabilità devono essere non negative, ora abbiamo che un limite superiore per la probabilità di qualsiasi evento è 1.

Riorganizzando di nuovo la formula che abbiamo P(E^C) = 1 - P(E). Possiamo anche dedurre da questa formula che la probabilità che un evento non si verifichi è meno una probabilità che si verifichi.

L'equazione di cui sopra ci fornisce anche un modo per calcolare la probabilità dell'evento impossibile, indicato dal set vuoto. Per vedere questo, ricorda che l'insieme vuoto è il complemento dell'insieme universale, in questo caso S^C. Dal 1 = P(S) + P(S^C) = 1 + P(S^C), per algebra abbiamo P(S^C) = 0.

Quanto sopra sono solo un paio di esempi di proprietà che possono essere dimostrate direttamente dagli assiomi. Ci sono molti altri risultati in probabilità. Ma tutti questi teoremi sono estensioni logiche dai tre assiomi della probabilità.