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Wahrscheinlichkeitsraum

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Einführung

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Ein Wahrscheinlichkeitsraum besteht aus einem Tripel (Ω,𝒮,P), wobei

  • Ω die Menge aller möglichen Ergebnisse des Zufallsexperimentes (Ω={1,2,3,4,5,6} Würfelwurf)
  • 𝒮 als Mengensystem von Teilmengen von Omega als die Menge alle Ereignisse (z.B. 𝒮⊆℘(Ω) ) und
  • P:𝒮→[0,1] die Funktion ist, die jeder messbaren Menge A∈𝒮 eine Wahrscheinlichkeit P(A) zuordnet (z.B. P(A)=12 mit A:={1,3,5}).

Ergebnis - Ereignis

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  • (Ergebnis) Elemente ω∈Ω nennt man Ergebnisse eines Zufallsexperimentes. Z.B. besagt das Ergebnis ω=3 bei einem einmaligen Würfelwurf mit Ω={1,2,3,4,5,6}, dass die Zahl 3 gewürfelt wurde.
  • (Ereignis) Elemente A∈𝒮 aus einer σ-Algebra sind dagegen Mengen von einzelnen Ergebnissen, deren Zusammenfassung man als "Ereignis" bezeichnet. Das Ereignis "gerade Zahl gewürfelt" kann man als Menge A={2,4,6} formal beschreiben. Alle A∈𝒮 aus der σ-Algebra nennt man messbare Mengen, denen man später mit einem Wahrscheinlichkeitsmaß eine Wahrscheinlichkeit P(A) zuordnen kann.

Bemerkung - Maßproblem

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Es kann gezeigt werden, dass man auf ℝ bzw. allgemeiner ℝn nicht allen Teilmengen A⊆ℝn mit einem positiven, σ-additiven, normierten und translationsinvarianten Maß μ eine Wahrscheinlichkeit zuordnen kann. dass u.a. Strecken deren Länge, Flächen deren Flächeninhalt bzw. allgemeine Mengen A⊆ℝn das Volumen zuordnet. Als Konsequenz schränkt man die Mächtigkeit der Potenzmenge über die Definition der σ-Algebra ein.

Definition - Sigma-Algebra

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Sei Ω≠∅. Ein Teilmenge 𝒮 der Potenzmenge ℘(Ω) heißt σ-Algebra, wenn folgende Bedingungen gelten:

  • Ω∈𝒮
  • A∈𝒮⟹Ac=Ω∖A∈𝒮
  • An∈𝒮 für alle n∈ℕ, dann gilt ⋃n∈ℕAn∈𝒮

Anmerkung

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Die Struktur der σ-Algebra ist Grundlage für die Definition der Eigenschaften des Wahrscheinlichkeitsmaßes und dessen Wohldefiniertheit.

Definition - Messraum

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Sei Ω≠∅ und 𝒮 eine σ-Algebra über Ω, dann heißt (Ω,𝒮) ein Messraum. Die Elemente A∈𝒮 heißen messbare Mengen.

Bemerkung - Ergebnisraum - Ereignisraum

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In der Wahrscheinlichkeitstheorie nennt man Ω Ergebnisraum und Ereignisraum. Beim eine Würfelexperiment ist 4 eine Ergebnis und A={2,4,6}∈𝒮 das Ereignis, dass eine gerade Zahl gewürfelt wurde.

Aufgaben

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Die folgenden Aufgaben haben die angegebenen Lernziele:

  • Aufgabe 1 ist eine Übung, bei der man ein Mengensystem minimal so erweitern soll, dass es die Eigenschaft eine σ-Algebra besitzt.
  • Aufgabe 2 beschäftigt sich mit dem Erzeuger der Borelschen-Sigma-Algebra und Einpunktmengen.

Aufgabe 1

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Sei Ω≠∅ und 𝒮′⊆℘(Ω). Ziel der Aufgabe ist es, 𝒮′⊆℘(Ω) so zu 𝒮⊆℘(Ω) zu erweitern, dass (Ω,𝒮) ein Messraum ist.

  • Sei Ω:={1,2,3,4,5,6} und 𝒮′:={Ω,{1,2},{5,6}}. Ergänzen Sie Menge 𝒮′ minimal so zu 𝒮, dass 𝒮 eine σ−Algebra ist.

Aufgabe 2

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Die Borelsche σ−Algebra von den abgeschlossenen Intervallen ℰ:={[a,b]|a,b∈ℝ∧a<b} erzeugt:

  • Begründen Sie mit dem Erzeuger der ℰ und den Eigenschaften einer σ-Algebra, dass {x}∈ℬ auch alle Einpunktmengen {x}∈ℬ enthält.

Definition - Messbare Abbildung

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Seien (Ω1,𝒮1) und (Ω2,𝒮2) Messräume. Eine Abbildung X:Ω1⟶Ω2 heißt (𝒮1,𝒮2)-messbar, wenn gilt:

∀B∈𝒮2 : X−1(B)∈𝒮1

Bemerkung - Zufallsgröße

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Wenn zusätzlich auf (Ω1,𝒮1) ein Wahrscheinlichkeitsraum (P1,Ω1,𝒮1) ist, dann nennt man X Zufallsgröße. Über die Zufallsgröße wird dann auch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung P2 auf dem Messraum (Ω2,𝒮2) über P2(B):=P1(X−1(B)) induziert.

Definition - Induzierte Wahrscheinlichkeitsverteilung

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Sei X:Ω1⟶Ω2 eine messbare Abbildung, dann nennt man die durch X erzeugte Abbildung PX:𝒮2→ℝ die von dem Messraum (Ω1,𝒮1) auf den Messraum (Ω2,𝒮2) induzieren Wahrscheinlichkeitsverteilung mit:

PX(B):=P(X−1(B))

für alle B∈𝒮2.

Lemma - Induzierte Verteilung

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Sei (Ω1,𝒮1,P) ein Wahrscheinlichkeitsraum, X:Ω1⟶Ω2 eine messbare Abbildung und PX:𝒮2→ℝ die von dem Messraum (Ω1,𝒮1) auf den Messraum (Ω2,𝒮2) induzieren Wahrscheinlichkeitsverteilung, dann ist die induzierte Verteilung PX:𝒮2→ℝ eine Wahrscheinlichkeitsverteilung auf dem Messraum (Ω2,𝒮2).

Aufgabe - Beweis des Lemma induzierte Verteilung

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Beweisen Sie das Lemma zu induzierten Verteilungen als Übungsaufgaben, indem Sie die Axiome (P1), (P2) und (P3) eines Wahrscheinlichkeitsmaßes nachweisen.

Beispiel

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Seien (Ω1,𝒮1) und (Ω2,𝒮2) als Messräume wie folgt definiert:

  • Ω1:={1,2,3,4,5,6}2 zweimaliges Würfeln mit 𝒮1:=℘(Ω1) (Potenzmenge von Ω1).
  • Ω2:=ℝ mit 𝒮2:=ℬ (Borelsche σ-Algebra).
  • X(w1,w2):=w1+w2 für alle (w1,w2)∈Ω1:={1,2,3,4,5,6}2

Bestimmen Sie mit X:Ω1⟶Ω2 die Menge B:={1,4}⊂Ω2 die Menge X−1(B)=X−1({1,4})⊆Ω1!

Defintion - Wahrscheinlichkeitsverteilung

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Sei (Ω,𝒮) ein Messraum und eine Abbildung P:𝒮⟶ℝ gegeben, die folgende Eigenschaften besitzt:

  • (Nichtnegativität) P(A)≥0 für alle A∈𝒮
  • (Normiertheit) P(Ω)=1
  • (σ-Additivität) An∈𝒮 für alle n∈ℕ und paarweise disjunkt folgt: P(⋃n∈ℕAn)=∑n∈ℕP(An).

P nennt man dann Wahrscheinlichkeitsmaß bzw. Wahrscheinlichkeitsverteilung auf (Ω,𝒮) .

Defintion - Wahrscheinlichkeitsraum

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Sei (Ω,𝒮) ein Messraum und P:𝒮⟶ℝ ein Wahrscheinlichkeitsmaß gegeben, dann nennt man (Ω,𝒮,P) Wahrscheinlichkeitsraum.

Weitere Eigenschaften des Wahrscheinlichkeitsmaßes

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  • 0≤P(A)≤1
  • P(∅)=0
  • P(Ω∖A)=1−P(A)
  • P(A∖B)=P(A)−P(B) falls B⊆A
  • P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)
  • Gilt A⊆B, so folgt P(A)≤P(B).

Aufgabe 1

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Beweisen Sie die obigen Aussagen durch Anwendung der Eigenschaften eines Wahrscheinlichkeitsraumes.

Aufgabe 2

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Vergleichen Sie die Eigenschaften der σ-Algebra mit den erweitereten Eigenschaften des Wahrscheinlichkeitsmaßes. Welche Parallelen stellen Sie fest? Gemeint sind Eigenschaften einer σ-Algebra, die notwendig sind, damit man das Wahrscheinlichkeitsmaß P überhaupt auf der σ-Algebra definieren kann.

Reellwertige Zufallsgröße

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Sei (Ω1,𝒮1,P1) ein Wahrscheinlichkeitsraum und (Ω2,𝒮2)=(ℝ,ℬ) die Borelsche σ-Algebra, dann nennt man die (𝒮1,ℬ)-messbare Abbildung X:Ω1→ℝ eine (eindimensionale) Zufallsgröße.

Bemerkung: Die Messbarkeit von X sorgt dafür, dass P auch auf den Mengen X−1(B)∈𝒮1 definiert ist. Damit kann man dann eine Wahrscheinlichkeitsverteilung auf (ℝ,ℬ) erzeugen.

Induzierte reellwertige Wahrscheinlichkeitsverteilung

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Sei (Ω,𝒮,P) ein Zufallsexperiment und X:Ω→ℝ eine Zufallsgröße auf dem Messraum (Ω,𝒮). Die induzierte Wahrscheinlichkeitsverteilung PX ist dann mit ℬ als Borelsche σ-Algebra wie folgt definiert:

PX:ℬ→[0,1] mit B↦PX(B):=P(X−1(B)⏟∈𝒮)

(ℝ,ℬ,PX) nennt man eine induzierte W-Verteilung der Zufallsgröße X:Ω→ℝ

Siehe auch

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Seiteninformation

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Der Foliensatz wurde für den Kurs:Stochastik mit Wiki2Reveal über den Linkgenerator erstellt.