2017年7月17日 星期一

Borel-Cantelli Lemma

       這是一個由法國數學家與政治家博萊爾(法語:Félix Édouard Justin Émile Borel)與義大利數學家坎特利(義大利語:Francesco Paolo Cantelli )共同提出的定理,此為機率論當中的其中一個「0-1定理」(Zero-One Law),它敘述了在某些情況之下,某個事件的發生機率不是0就是1。能夠如此確定某件事情一定會(或一定不會)發生,就機率論來講算相當少見。Boerl-Cantelli Lemma白話文敘述大致為:

       無窮多個(Infinite)事件發生的機率,其總和若為有限(Finite),則此無窮多個事件同時發生的機率為0

數學定理敘述方式:假設E_1到E_n為某個機率空間中的n個事件,如果





測度論或是機率論中的limit suprenum(簡寫為lim_sup,上極限)等價於這些事件"Infinitely Often, i.o",也就是無窮多個事件同時發生(交集--Intersection--就代表同時發生的意思)。附帶一提,limit infinum(簡寫為lim_inf極限)等價於這些事件"All but Finitely Often, f.o",也就是說無窮多個事件在某些情況下,並不會滿足某個條件。例如:"n^2-100 is positive in natural numbers all but finitely often"

        Borel-Cantelli Lemma簡易的證明如下:


The Second Borel-Cantelli Lemma

      此定理是Borel-Cantelli Lemma的延伸,它的敘述是:

      獨立的無窮多個事件機率總和若為無窮大,則此無窮多個事件同時發生的機率為1

數學定理敘述方式為:如果 



      The Second Borel-Cantelli Lemma簡易的證明


Infinite Monkey Theorem

       此為The Second Borel-Cantelli Lemma的一個重要思想上的應用,它敘述了一隻猴子的打字次數達到無窮以後,必然能夠打出一篇完整的文章例如:完整的哈利波特小說系列。這個敘述由Borel於1909年在他某本出版的機率論書籍提出,不過他並非第一個提出這個思想的人,早在1735年,英國作家斯威夫特(Jonathan Swift)撰寫的《格列佛遊記》(Gulliver's Travels)  就有提到某位教授要學生轉動機械把手,隨機產生字句以建立知識表的場景了 

        須知此定理當中必然是數學上的定義(機率為1),然而「猴子」卻不是真的猴子,牠也可代換成「打字員,它主要想說明的論點是不要把非常大但是有限的數視同無限 。就英文字而言,隨機打出一個與指定文字相同者的機率是(1/26),隨機打出兩個相同字的機率則是(1/26*26)=(1/676)=0.148%。光是要打出20個完全與指定文字相同的機率,就已經小於10^(-29)了,在現實時空下,要讓一隻猴子用隨機打字的方式打出一篇完整的莎士比亞劇本,機率是微乎其微(趨近於0),因為現實是一種非常大的有限(而不是嚴格意義上的無限)。現實是在猴子的生命週期中,不太可能打得出一篇完整的文章現實生活中非常多件事情雖然還是有可能同時發生,但機率不會是1(也就是不必然)。同理,有可能某些事情非常不可能會發生,但機率不會是0

        The Second Borel-Cantelli告訴我們,眼光放至無窮,才能說什麼事情不是「一定會」發生,就是「一定不會」發生。現實生活因為並非無限任何事情都應該要考慮到可能性」才是

參考資料:
[1] 政大應數所_高等機率論上課筆記
[2] 政大應數所_實變函數論上課筆記
[3] Durrett, R (2013). Probability Theory and Examples, 4th ed.

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