《深度学习导论及案例分析》一2.2概率论的基本概念

####本节书摘来自华章出版社《深度学习导论及案例分析》一书中的第2章，第2.2节，作者李玉鑑 张婷，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.2概率论的基本概念

2.2.1概率的定义和性质

概率（probability）是一个从随机事件空间到实数域的函数，用来描述随机事件发生的可能性。通常用Ω表示随机事件的样本空间，用AΩ表示随机事件。Ω也称为平凡事件，则称为空事件。

一个概率分布（或概率函数）P必须满足如下三条公理：

非负性公理P（A）≥0

规范性公理P（Ω）=1

可加性公理对任意可数无穷多个两两不相交事件样本AiΩ，Ai∩Aj=（i≠j），有
P∪∞i=1Ai=∑∞i=1P（Ai）（2.21）
一般情况下，只有非常特殊的事件才能计算出准确的概率，如抛掷无偏硬币时出现的正反面概率。而大量随机事件发生的真实概率通常是无法确知的，但通常可以采用事件发生的频率近似估计，这种用频率估计概率的方法称为最大似然估计。

如果对于所有非空事件AΩ，A≠，都有P（A）>0，则称P是正分布（positive distribution）。

如果两个事件A，BΩ，P（B）>0，那么在给定B时，A的条件概率（conditional probability）定义为
P（AB）=P（AB）P（B）=P（A∩B）P（B）（2.22）
其中，AB=A∩B表示A和B的交事件，即它们同时发生的事件。

条件概率P（AB）是在假定事件B发生的情况下，事件A发生的概率。一般地，P（AB）≠P（A）。

如果P（AB）=P（A）P（B），那么称事件A和B在概率分布P中独立，记为P （A⊥B）或P （B⊥A）。易知，当P（AB）=P（A）、P（BA）=P（B）、P（A）=0或P（B）=0时，事件A和B也是独立的。

如果P（ABC）=P（AC）P（BC），那么称事件A和B在概率分布P中条件独立于事件C，记作P（A⊥BC）或P（B⊥AC）。易知，当P（ABC）=P（AC）、P（BAC）=P（BC）、P（BC）=0或P（AC）=0时，事件A和B也是条件独立于事件C的。

利用条件概率，不难得到概率的乘法规则：
P（AB）=P（B）P（AB）=P（A）P（BA）（2.23）

P（A1A2…An）=P（A1）P（A2A1…AnA1A2…An-1）（2.24）
如果有限个事件BiΩ构成Ω的一个划分，即Bi∩Bj=（i≠j）且∪Bi=Ω，那么有定义时还可得到全概率公式：
P（A）=∑iP（ABi）P（Bi）（2.25）
以及相应的贝叶斯法则：
P（BjA）=P（ABj）P（Bj）P（A）=P（ABj）P（Bj）∑iP（ABi）P（Bi）（2.26）```
###2.2.2随机变量和概率密度函数

随机变量X:ΩR是一个定义在样本空间Ω上的实值函数，它的值域表示为：
val（X）={X（ω）:ω∈Ω}（2.27）
它的累积分布函数（cumulative distribution function，CDF）定义为：
F（x）=P（X≤x）=P（ω∈Ω:X（ω）≤x）（2.28）
其中，F（-∞）=0，F（+∞）=1。

更一般地，对随机向量X={X1，X2，…，XN}，也可以定义相应的联合累计分布函数为：
F（x）=P（X1≤x1，X2≤x2，…，XN≤xN）（2.29）
对连续的随机变量X和随机向量X，还可以进一步定义概率密度函数（probability density function）：
p（x）=dF（x）dx（2.30）
以及联合概率密度函数：
p（x）=NF（x）x1…xN（2.31）
如果p（x，y）是随机变量X和Y的联合概率密度函数，那么p（x，y）关于X和Y的边缘分布定义为：
p（x）=∑y∈val（Y）p（x，y）（2.32）

p（y）=∑x∈val（X）p（x，y）（2.33）
如果X的概率密度函数是恒正的，即p（x）>0，那么在给定X时，Y的条件概率密度函数定义为：
p（yx）=p（x，y）p（x）（2.34）
最简单的概率密度函数是均匀分布，记作X～Unif［a，b］，即：
p（x）=1/（b-a），a≤x≤b

0，其他（2.35）
另一个常用的概率密度函数是高斯分布，记作X～N（μ，σ2），即：
p（x）=12πσe-（x-μ）22σ2=12πσexp-（x-μ）22σ2（2.36）
其中μ是X的均值，σ2是X的方差。

对于随机向量X，如果给定一组采样x（l）（1≤l≤N），则其经验分布（empirical distribution）为
p（X）=1N∑Nl=1δ（X-x（l））（2.37）
其中,δ是Dirac函数，又称为冲击响应函数，即δ（x）=1，x=0

0，x≠0

如果三个随机变量的集合X、Y、Z对概率分布P满足P（X，YZ）=P（XZ）P（YZ），那么称集合X和Y在分布P中条件独立于集合Z，记作（X⊥YZ）。其中集合Z中的变量通常称为观测变量。如果Z是空集，可以把（X⊥Y）记作（X⊥Y），并且称X和Y是边缘独立的（marginally independent）。

###2.2.3期望和方差

离散随机变量X的期望定义为
E（X）=EP（X）=∑x∈val（X）xP（x）（2.38）
连续随机变量X的期望定义为
E（X）=Ep（X）=∫val（X）xp（x）dx（2.39）
随机变量X的方差定义为
var（X）=E（（X-E（X）2）=E（X2）-E2（X）（2.40）
两个随机变量X和Y的期望满足线性关系：
E（X+Y）=E（X）+E（Y）（2.41）
如果X和Y独立，那么
E（X•Y）=E（X）•E（Y）（2.42）

var（X+Y）=var（X）+var（Y）（2.43）
此外，对任意ε>0，期望和方差满足切比雪夫不等式（Chebyshev inequality）：
P（X-E（X）≥ε）≤var（X）ε2（2.44）