概率的公理化定义及其确定方法

刘艳丽

随着中学教材改革的深入，许多原来只在大学教材中才出现的一些概念现在已经出现在中学教材中.但是，由于中学教材的难度的限制，很多概念和方法并没有象大学教材中叙述的那么系统、严格.本文主要针对概率的定义及其确定方法进行归纳总结.

1 概率的公理化定义

在概率论的发展史上，曾经有过概率的古典定义、概率的几何定义、概率的频率定义和概率的主观定义，这些定义各适合一类随机现象.为了给出适合一切随机现象的概率的最一般的定义，前苏联数学家柯尔莫哥洛夫在1933年提出了概率的公理化定义，该定义既概括了上述几种概率定义的共同特性，又避免了各自的局限性和含混之处.

概率的公理化定义刻画了概率的本质，概率是集合（事件）的函数，对给定的样本空间图笆录域F，若定义在F上的函数满足上述三个条件，就被称为概率.

概率的公理化定义没有告诉人们如何去确定概率，它只是规定了概率应该满足的性质.历史上在公理化定义出现之前的概率的古典定义、几何定义、频率定义和主观定义都在一定的场合下给出了各自的确定概率的方法，因此在有了概率的公理化定义之后，把它们看作确定概率的方法是恰当的.

2 确定概率的古典方法

确定概率的古典方法是概率论历史上最先开始研究的情形，它简单、直观，不需要做大量重复试验，只是在经验事实的基础上，对被考察事件的可能性进行逻辑分析后得出事件的概率.它的基本思想如下：

（1）所涉及的随机现象只有有限个结果，即样本空间椭兄挥杏邢薷鲅本点，设为n；

（2）每个样本点发生的可能性相等（称为等可能性）；

（3）若事件A含有k个样本点，则事件A的概率为

P(A)=事件A所含样本点的个数椭兴有样本点的个数=kn.

容易验证，由上述方法确定的概率满足概率的公理化定义，这种概率模型通常称为古典概型.用古典方法求概率的关键是计算样本空间所包含的点的个数和事件A所含的样本点的个数.在我们日常生活中经常遇到可以用古典方法解决的问题，如下例：

例1 设有一张电影票，甲、乙、丙三个人都想得到它，现抽签决定三人由谁得到这张电影票.设三张签分别标号为1、2和3，甲、乙、丙三个人各抽取一张，抽到标号为1的人得到电影票.证明这种抽签方法是公平的.

证明 这是一个典型的古典概型问题.用A表示甲得到这张电影票，则甲、乙、丙三人抽签的结果共有6种可能，并且每种结果出现的可能性都是16，满足古典概型的条件.由于事件A含有2个样本点，因此事件A的概率为P(A)=26=13，即甲得到这张电影票的概率为13.同理可得，乙和丙得到这张电影票的概率也都是13，因此，三人得到这张电影票的概率相等，这说明抽签方法是公平的.

实际生活中抽签的例子比比皆是，很多人在抽签时都抢着先抽，因为他们知道，一旦前面的人抽到了，后面的人就抽不到或者抽到的机会就变小了，这些人通常不会想到：如果前面的人没有抽到，后面的人抽到的机会会变大，因此，总的机会是相等的，这其中包含着条件概率的思想.而由前面的例子知道，无论先抽后抽，抽到的概率都是相等的.

古典方法的局限是它只适用于样本空间中只有有限个样本点的情形，下面的几何方法适用于样本空间有无限个样本点的情形.

3 确定概率的几何方法

几何概率是日常生活中另一种常见的概率模型，其基本思想是：

由上述方法确定的概率称作几何概率，它也满足概率的公理化定义.求几何概率的关键是对样本空间秃褪录嗀用图形描述清楚（一般用平面或者空间图形），然后计算出相关图形的度量（一般为面积或者体积）.

虽然几何方法能够处理样本空间有无限个样本点的情形，但是它同样要求某种“等可能性”，有时对“等可能性”的不同理解会得到不同的答案，从而会出现自相矛盾的情形，著名的“贝特朗悖论”就是大家熟知的一个例子.下面这个例子是我在教学中遇到的一个类似于“贝特朗悖论”的例子.

例2 如图，从等腰直角三角形的直角顶点C任作一条射线交斜边AB于点D，求AD的长度小于AC的长度的概率.

解法一 由于射线CD可以由点C和∠ACD唯一确定，从直角顶点C任作一条射线可以理解为∠ACD的取值在闭区间[0°,90°]上是“等可能的”，而AD的长度小于AC的长度当且仅当∠ACD的取值落在区间[0°,67.5°)内，从而AD的长度小于AC的长度的概率为P1=67.590=0.75.

解法二 设三角形ABC的直角边AC长为a，则斜边AB长为2a.由于射线CD可以由点C和D唯一确定，从直角顶点C任作一条射线可以理解为点D在斜边AB上的分布是“均匀的”，即线段AD的长度取值在区间[0,2a]上是“等可能的”，而AD的长度小于AC的长度当且仅当AD的长度取值落在区间[0,a)内，从而AD的长度小于AC的长度的概率为P2=a2a=22.

由例2可以看出，处理几何概率题目的难点是对“等可能性”的理解.由于高中学生在初学几何概率时还没有深刻理解“等可能性”的内涵，因此，老师在处理那些类似于“贝特朗悖论”的题目时一定要慎重，最好在开始时避免在学生的练习和作业中出现这类题目，要等到时机成熟以后再讲这类题目，以加深学生对“等可能性”的内涵的理解.

4 确定概率的频率方法

频率方法也是确定概率的一种常用方法，其基本思想是：

（1）与所考察事件A有关的随机试验可以大量重复进行；

（2）在n次重复试验中，记n(A)为事件A出现的次数，称n(A)为n次重复试验中事件A的频数，称f璶(A)=n(A)n为事件出现的频率；

（3）随着试验重复次数n的增加，f璶(A)会稳定在某一常数p附近，称这个常数为频率的稳定值，这个频率的稳定值就是所求事件A的概率.

根据概率极限理论，当n趋向于无穷时，f璶(A)会以概率1收敛到相应的概率p.可以验证，用上述方法确定的概率也满足概率的公理化定义.频率方法的优点是它不需要象古典方法和几何方法那样要求某种“等可能性”，人们只需要多次重复试验即可.但是，由于人们不可能把一个试验无限次的重复下去，因此要精确获得频率的稳定值是困难的，通常只能获得概率的一个近似值.

例3 抛硬币试验.历史上有不少人做过抛硬币试验，其结果如下表.

试验者抛硬币次数出现正面次数频率De Morgan2 0481 0610.518 1Buffon4 0402 0480.506 9Feller10 0004 9790.497 9Pearson12 0006 0190.501 6Pearson24 00012 0120.500 5 在很多概率题目中，会出现“均匀硬币”、“均匀骰子”之类的字样，如：抛掷一枚均匀的硬币5次，求出现2次正面的概率.这类问题可以用古典方法求相应的概率.由于假设硬币是均匀的，因此每抛掷一次硬币，出现正面的概率都是0.5.但是，在现实生活中，“均匀”只是一种理想的假设，不会存在绝对“均匀”的硬币.先不说上面表格中的试验者用的是否是同一枚硬币，即使假设他们用的是同一枚硬币，那么抛掷一次这枚硬币出现正面的概率应该是多少？是0.5，还是平均值（0.5181+0.5069+0.4979+0.5016+0.5005）/5＝0.505，亦或是中位数0.5016呢？通常大家会选0.5作为一个近似值.如果他们用的不是同一枚硬币，那么我们估计这个概率就没有意义了，因为抛掷不同的硬币出现正面的概率通常是不同的，此时我们只能得到抛掷这些硬币得到正面的各自不同的概率的近似值.

5 确定概率的主观方法

在现实世界里有一些随机现象是不能重复或者不能大量重复的，它们也不具有某种“等可能性”，因此不能用上面的三种方法确定有关事件的概率，这时我们应该怎么确定其概率呢？

统计界的贝叶斯学派认为：一个事件的概率是人们根据经验对该事件发生的可能性所给出的个人信念.这样给出的概率称为主观概率.如在气象预报中常常会说：“明天下雨的概率是25％”，这是气象专家根据气象专业知识和最近的气象情况给出的主观概率.

由于主观给定的概率没有明确的公式，因此，确定主观概率时要使其符合公理化的定义.

主观概率和主观臆造有着本质的不同，前者要求当事人对所考察的事件有透彻的了解和丰富的经验，并能对历史信息和当时的信息进行仔细分析，如此确定的主观概率是可信的.用主观方法得出的概率本质上是对随机事件概率的一种推断，其精确性有待实践的检验和修正，但结论的可信性在统计意义上是有其价值的.在遇到的随机现象无法大量重复时，用主观方法去做决策和判断是适合的.因此，主观方法是频率方法的一种补充.

以上是对概率的公理化定义及其确定方法的总结，教师应该在教学中与现实生活结合起来，灵活运用，加深学生对概率定义及其确定方法的理解.

参考文献

[1] 茆诗松、程依明、濮晓龙. 概率论与数理统计教程[M].北京：高等教育出版社，2004

[2] 概率论.复旦大学编，北京：人民教育出版社，1979

[3] 魏宗舒等著. 概率论与数理统计教程[M].北京：高等教育出版社，1983

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