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4.4 Set notation

集合符号 - 概率事件关系的简洁表达

一、核心知识点

1. 集合符号定义

在概率中,集合符号用于简洁描述事件关系,核心符号及含义如下:

  • 交集(\( A \cap B \)):事件"A且B",表示同时发生A和B的区域
  • 并集(\( A \cup B \)):事件"A或B(或两者都发生)",表示A、B及交集区域的合并
  • 补集(\( A' \)):事件"非A",表示样本空间中不属于A的区域

2. 集合符号与概率关系

独立事件:若A、B独立,则 \( P(A \cap B) = P(A) \times P(B) \)

互斥事件:若A、B互斥,则 \( A \cap B = \emptyset \),\( P(A \cup B) = P(A) + P(B) \)

补集关系:概率满足 \( P(A') = 1 - P(A) \)

3. 集合符号应用

集合符号可以清晰表达复杂的事件关系:

  • \( A \cap B' \):A发生但B不发生
  • \( A' \cap B \):B发生但A不发生
  • \( (A \cup B)' \):既不A也不B
  • \( (A \cap B)' \):A和B不同时发生

二、例题

Example 8

A card is selected at random from a pack of 52 playing cards. Let \( A \) be the event that the card is an Ace and \( D \) the event that the card is a diamond. Find:

a) \( P(A \cap D) \)

b) \( P(A \cup D) \)

c) \( P(A') \)

d) \( P(A' \cap D) \)

解答

a) \( P(A \cap D) \)

\( A \cap D \)表示"方块A",一副牌中仅1张,故 \( P(A \cap D) = \frac{1}{52} \)。

b) \( P(A \cup D) \)

\( A \cup D \)表示"Ace或方块或两者",Ace有4张,方块有13张,重复1张(方块A),总数 \( 4 + 13 - 1 = 16 \),概率 \( P(A \cup D) = \frac{16}{52} = \frac{4}{13} \)。

c) \( P(A') \)

\( A' \)表示"不是Ace",非Ace牌有 \( 52 - 4 = 48 \)张,概率 \( P(A') = \frac{48}{52} = \frac{12}{13} \)。

d) \( P(A' \cap D) \)

\( A' \cap D \)表示"不是Ace的方块",方块共13张,减去方块A剩12张,概率 \( P(A' \cap D) = \frac{12}{52} = \frac{3}{13} \)。

Example 9

a) Given that \( P(A) = 0.3 \), \( P(B) = 0.4 \) and \( P(A \cap B) = 0.25 \), explain why events \( A \) and \( B \) are not independent.

b) Given also that \( P(C) = 0.2 \), that events \( A \) and \( C \) are mutually exclusive and that events \( B \) and \( C \) are independent, draw a Venn diagram to illustrate the events \( A \), \( B \) and \( C \), showing the probabilities for each region.

c) Find \( P((A \cap B') \cup C) \)

解答

a) 独立性判断

若\( A \)、\( B \)独立,需满足 \( P(A \cap B) = P(A) \times P(B) = 0.3 \times 0.4 = 0.12 \),但题目中 \( P(A \cap B) = 0.25 \neq 0.12 \),故\( A \)、\( B \)不独立。

b) 维恩图绘制

三事件维恩图

样本空间 \( \mathcal{E} \) (概率和为1)

三个圆形分别代表:事件 \( A \)、事件 \( B \)、事件 \( C \)

计算各区域概率:

  • \( A \cap C = \emptyset \)(互斥)
  • \( B \cap C = 0.08 \)(独立)
  • 仅\( A \):\( 0.3 - 0.25 = 0.05 \)
  • 仅\( B \):\( 0.4 - 0.25 - 0.08 = 0.07 \)
  • 仅\( C \):\( 0.2 - 0.08 = 0.12 \)
  • 剩余区域:\( 1 - 0.05 - 0.25 - 0.07 - 0.08 - 0.12 = 0.43 \)

c) \( P((A \cap B') \cup C) \)

\( A \cap B' \)是仅\( A \)的区域(0.05),\( C \)的区域为0.2(仅\( C \)和\( B \cap C \)),且两者互斥,故 \( P((A \cap B') \cup C) = 0.05 + 0.2 = 0.25 \)。

三、集合符号与维恩图

1. 集合符号的图形表示

维恩图通过图形直观展示集合符号表示的事件关系:

  • 交集区域:重叠部分,表示 \( A \cap B \)
  • 并集区域:两个圆形及其重叠,表示 \( A \cup B \)
  • 补集区域:矩形减去圆形,表示 \( A' \)

2. 多事件集合符号

对于三个事件,集合符号更加复杂:

  • \( A \cap B \cap C \)
  • \( A \cup B \cup C \)
  • \( (A \cup B)' \)
  • \( A \cap B' \cap C \)

3. 集合符号的实际意义

集合符号帮助我们精确描述复杂的事件关系:

  • 精确性:避免歧义的语言描述
  • 简洁性:用符号表达复杂关系
  • 逻辑性:基于集合论的严谨表达