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条件独立

定义 1.ABC是定义在同一样本空间S上的事件,且有P(C) > 0。若满足:

\operatorname{P}(A\cap B | C)=\operatorname{P}(A|C)P(B|C)

则称在C条件下[*]事件A事件B 条件独立 (Conditionally independent)。

理解条件独立(定义 1 )可借助图 1 所示的例子:两台服务器(标记为1号和2号)连接在同一个路由器上。

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图 1两台服务器连接在同一个路由器上

定义如下事件

S_1=\text{“}1\ \text{号服务器故障”},\quad S_2=\text{“}2\ \text{号服务器故障”},\quad RG=\text{“路由器正常”},\quad RB=\text{“路由器运行异常”}

当路由器正常时,两台服务器的工作状态取决于自身,不会相互影响。即在RG条件下,S_1S_2条件独立:

\operatorname{P}(S_1\cap S_2 | RG)=\operatorname{P}(S_1|RG)\operatorname{P}(S_2|RG)

而当路由器异常时(响应缓慢、数据丢失等),通常会同时影响到两台服务器,使它们的故障事件不再独立。也就是说,在RB条件下,S_1S_2不具备条件独立性,即:

\operatorname{P}(S_1 \cap S_2 | RB) \neq \operatorname{P}(S_1|RB) \cdot \operatorname{P}(S_2|RB)

需要注意的是,“(无条件)独立”与“条件独立”之间没有必然的联系。一方面,“条件独立”不能推出“独立”。在上述服务器示例中,虽然在路由器正常运行(RG)的条件下,两台服务器的故障事件(S_1S_2)是条件独立的。但由于共享同一个路由器,两台服务器的故障事件并不独立

另一方面,“独立”不能推出“条件独立”。比如,“购买咖啡”和“购买荧光笔”通常是相互独立事件。但到了考试周,这两样物品常常会被学生一起购买,形成所谓的“考试套餐”,如图 2 所示。换句话说,在“考试周”这个条件下,“购买咖啡”和“购买荧光笔”不再条件独立。

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图 2考试套餐:咖啡和荧光笔

例 .抛掷两枚公平硬币,定义事件

H_1=\text{“第}\ 1\ \text{枚硬币正面朝上”},\quad H_2=\text{“第}\ 2\ \text{枚硬币正面朝上”},\quad D=\text{“两枚硬币朝向不同”}

请回答:事件H_1H_2是否独立?在D条件下,事件H_1H_2是否条件独立?

解 .抛掷两枚公平硬币的样本空间S,以及本题关心的事件为:

S=\{(\text{H},\text{H}),(\text{H},\text{T}),(\text{T},\text{H}),(\text{T},\text{T})\}

H_1=\text{“第}\ 1\ \text{枚硬币正面朝上”}=\{(\text{H},\text{H}),(\text{H},\text{T})\}

H_2=\text{“第}\ 2\ \text{枚硬币正面朝上”}=\{(\text{H},\text{H}),(\text{T},\text{H})\}

D=\text{“两枚硬币朝向不同”}=\{(\text{H},\text{T}),(\text{T},\text{H})\}

运用古典概率的计算方法,通过下面的计算可知事件H_1H_2相互独立

\operatorname{P}(H_1)=\frac{1}{2},\quad \operatorname{P}(H_2)=\frac{1}{2},\quad \operatorname{P}(H_1\cap H_2)=\frac{1}{4}=\operatorname{P}(H_1)\operatorname{P}(H_2)

结合上条件概率以及条件独立(定义 1 ),通过下面的计算可知在D条件下,事件H_1H_2不条件独立:

\operatorname{P}(H_1|D)=\frac{1}{2},\quad \operatorname{P}(H_2|D)=\frac{1}{2},\quad \operatorname{P}(H_1\cap H_2|D)=0\ne \operatorname{P}(H_1|D)\operatorname{P}(H_2|D)

解读下上述结果。在D条件下(两枚硬币朝向不同),若第1枚硬币正面朝上(H_1发生),则第2枚硬币必然反面朝上(H_2不发生),反之亦然。这种确定的关系意味着在D条件下,事件H_1H_2不条件独立。

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