2015. január 24., szombat

"Mi a fene az a mérték?" avagy mértékelmélet óvodásoknak 2.

Tegnap átvettük a mértékelmélethez tartozó alap definíciókat. Ma ezt felhasználva megnézzük mi is az a valószínűség.

Nem akarok senkit se elkeseríteni, de a valószínűség = mérték. Egy kis extrával. A valószínűség csak 0 és 1 közötti számot vehet fel, és az eseménytér valószínűsége 1.
A - itt is egy σ-algebra
Tehát ugyanaz a definíció , mint a valószínűségi változónak, csak n-dimenziós térbe képezünk, hiszen a vektorváltozót úgy tudjuk a legegyszerűbben elképzelni, ha egy n hosszú vektorként képzeljük el, ehhez viszont n dimenzióra van szükségünk.


Tehát korrekten: valószínűség = 1-re normált mérték.



A fenti táblázat leírja a valószínűségszámítás alap fogalmait mértékelméleti alapon. A valószínűségi változó úgy érzem egy kis magyarázatra szorul. Azt már tudjuk, hogy mi az a Borel mérhető halmaz (lásd 1 rész), de mi fán terem a Borel mérhető függvény?

Def:  X: Ω -> R függvény valószínűségi változó, ha {ω: X(ω) ϵ Bϵ A minden Borel halmazra.

ω - elemi esemény, mivel Ω eleme (nem véletlenül ugyanaz a betű). 
X(ω) - Az X függvény felvett értéke ω helyen

Tehát a valószínűségi változó lényegében olyan jelenségek matematikai megfogalmazására, modellezésére alkalmas, melyek véletlentől függő értéket vesznek fel. Ilyen lehet például egy kockadobás eredménye, egy folyó vízállása vagy az utcán szembe jövő emberek testmagassága.

Valószínűségi vektorváltozó: X: Ω -> R^n függvény valószínűségi vektorváltozó, ha Borel mérhető. 

Állítás: X pontosan akkor valószínűségi vektorváltozó, ha a koordinátái valószínűségi változók.

Legyen B Borel halmaz. X eloszlása : P{ω: X(ω) ϵ B}.

Eloszlásfüggvény: Fx(z)=P(x<z) . ( A < koordinátánként értendő)

Az eloszlásfüggvény tehát minden z valós számhoz hozzárendeli, annak a valószínűségét, hogy a valószínűségi változó ennél kisebb értéket vesz fel.
Az eloszlásfüggvény segítségével sok alapvető jelentőségű valószínűség-számítási fogalmat lehet definiálni. Ilyen például a sűrűségfüggvény, illetve a várható érték.

A sűrűségfüggvény precíz meghatározásához viszont szükségünk van a Radon-Nikodym derivált fogalmára. 


Tegye fel a kezét, aki érti! Én nem. Gondoltam meg keresem majd, hogy hogyan számoljuk ki és minden világos lesz. Itt kell hogy elkeserítsek mindenkit, hiszen nem ismert explicit módszer a Radon-Nikodym derivált kiszámolására az általános esetben. Majd a későbbiekben látunk pár speciális esetben kiszámolási módot.

Sűrűségfüggvény:

A fenti Radon-Nikodym derivált a sűrűségfüggvény általánosításánál játszik majd fontos szerepet. Őt nevezzük általánosított sűrűségfüggvénynek, hiszen sűrűségfüggvény csak abszolút folytonos esetben létezik. A Radon-Nikodym derivált nem más, mint a mérték szerinti integrál.

                                                                                                                                  Folyt. köv.



"Mi a fene az a mérték?" avagy mértékelmélet óvodásoknak 1.

"Inni csak mértékkel és tartózkodással szabad. Mérték a vödör, tartózkodás az asztal alatt."


A fenti kép a hagyományos válasz erre a kérdésre. Azaz Legyen X tetszőleges halmaz, M az X részhalmazaiból álló σ-algebra és µ az M-n értelmezett nemnegatív σ-additív halmazfüggvény. Ekkor az (X, M, µ) hármast métréktérnek nevezzük, és az M halmaz elemeit mérhető halmazoknak nevezzük.  
De ez alapján nekem számtalan sok kérdésem van. Mi az a σ-algebra? Hogy képzeljek el egy halmazsorozatot? Meg úgy egyáltalán mivaaan?



Kezdjük egy kicsit másképp:

A mérték egy függvény, ami egy adott halmaz részhalmaihoz egy számot rendel. Ez már kicsit szebben hangzik. Tehát a mértékelmélet arról szól, hogy halmazokhoz rendelünk számokat.
Ilyen például a távolság. Ahol a halmazunk elemei a pontok, a részhalmazok valahány pont kiválasztva, és a mérték 2 pont közti távolság, tehát egy szám. 


Fenti tudásunkon felbátorodva, fussunk neki a formálisabb definíciónak!

Ω  = alaphalmaz, melynek elemei az elemi események
A = az események σ-algebrája
Borel-mérhető halmaz = az összes értelmes halmaz, amit el lehet képzelni, tehát olyan halmazok, amik intervallumok rendszeréből a szokásos műveletekkel előállíthatók. Például egy Borel-halmaz a valós számok halmaza is. 

Már csak a 
σ-algebrával és a σ-additivitással vagyok adós és máris érthető a mérték formális definíciója is.

σ-additívnak nevezünk egy halmazfüggvényt, ha értelmezési tartományába tartozó diszjunkt halmazok megszámlálható unióján is értelmezve van, és az itt felvett érték megegyezik az uniót alkotó halmazokon felvett értékeinek összegével.
Vegyük észre, hogy ez a területfogalom általánosítása. Fontos megjegyeznünk, hogy a meghatározásban nem hagyható el a diszjunkt szó. Mivel ha nem üres két halmaz metszete, akkor az uniójuk mértéke nem egyezik meg a mértékeik összegével. Lásd: szitaformula.Az unió elemszámára ugyanis a következő képlet teljesül:

|A \cup B|= |A|+|B|-|A\cap B|
A kivonást azért kell elvégezni, mert a metszet elemeire vonatkozóan az összeszámolásban |A| + |B| összegben kétszer végeztük el. Most képzeljünk az elemszámok helyére mindenhova mértéket. [ Lehet, hogy az elemszám is mérték? ;) ]
A σ-algebra Ω-n, ha

  • egyszerű halmaztestet képez (tehát algebra)
    Ω eleme A-nak
    - nem üres- zárt az elemei véges családjainak uniójára, metszetére, különbségére
  • elemei megszámlálhatóan végtelen sok tagú egyesítésre zárt

Most nyugodtan tekintsünk vissza az eredetileg bemásolt ijesztő képre. És lássuk be, hogy lehetne ennél rosszabb is a helyzet...

Ám ne aggódjatok a rosszabb rész majd holnap következik! Amikor ugyanis bevezetjük a valószínűségszámítás alapfogalmait MÉRTÉKelméleti alapon.