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Tokyo.R #96 theory of probability

kilometer
January 29, 2022

Tokyo.R #96 theory of probability

第96回Tokyo.Rでトークした際の資料です。

kilometer

January 29, 2022
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Transcript

  1. Norm_p <- function(x, mu = 0, sigma = 1){ p

    <- (1 / sqrt(2 * pi * sigma^2)) * exp(- (x - mu)^2 / (2 * sigma^2)) return(p) } よく⾒る式を計算する関数を作る
  2. よく⾒る式を計算する library(package = "tidyverse") dat <- seq(from = -4, to

    = 4, by = 0.1) %>% data.frame(x = .) %>% mutate(p = Norm_p(x)) # ここで計算してる
  3. よく⾒る式を可視化する library(package = "tidyverse") dat <- seq(from = -4, to

    = 4, by = 0.1) %>% data.frame(x = .) %>% mutate(p = Norm_p(x)) # ここで計算してる ggplot(data = dat) + aes(x = x, y = p) + geom_path(color = "magenta")
  4. 集合𝑋 集合𝑌 要素𝑥 要素𝑦 写像 𝑓: 𝑋 → 𝑌もしくは𝑓: 𝑥

    ⟼ 𝑦 (始集合・定義域) (終集合・終域) 【写像】 ある集合の要素を他の集合のただ1つの要素に 対応づける規則
  5. 地図空間 ⽣物種名空間 名空間 ⾦銭価値空間 (円) ⾦銭価値空間 (ドル) コーヒー ¥290 $2.53

    [緯度, 経度] Homo sapiens 実存 写像 写像 写像 写像 写像 写像 情報 【写像】 ある集合の要素を他の集合のただ1つの要素に対応づける規則
  6. 𝑓: 𝑥 ↦ 𝑦 もしくは 𝑓 𝑥 = 𝑦 𝑥

    = 2 𝑦 = 8 𝑋 𝑌 【写像】 ある集合の要素を他の集合のただ1つの要素に対応づける規則 関数は写像
  7. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑃 【確率𝑝

    】 ある事象ωについて写像𝑃により対応づけられた 集合[𝟎, 𝟏]の中のただ1つの実数(0 ≤ 𝑝 ≤ 1) 確率は特殊な枠組みを持った写像
  8. ⾯ 1 : へ ⾯ 2 : の ⾯ 3

    : へ ⾯ 4 : の ⾯ 5 : も ⾯ 6 : へ 全事象 Ω へ の も 事象 ω 集合[1,0] 確率 𝑝 1 2 1 3 1 6 写 像 𝑃 も へ の へのへのもへサイコロ
  9. ⾯ 1 : へ ⾯ 2 : の ⾯ 3

    : へ ⾯ 4 : の ⾯ 5 : も ⾯ 6 : へ 全事象 Ω へ の も 事象族 𝓕 事象 ω 集合[1,0] 確率 𝑝 1 2 1 3 1 6 写 像 𝑃 も へ の へのへのもへサイコロ
  10. 地図空間 ⽣物種名空間 名空間 ⾦銭価値空間 (円) ⾦銭価値空間 (ドル) コーヒー ¥290 $2.53

    [緯度, 経度] Homo sapiens 実存 写像 写像 写像 写像 写像 写像 情報 【写像】 ある集合の要素を他の集合のただ1つの要素に対応づける規則
  11. ⾯ 1 : へ ⾯ 2 : の ⾯ 3

    : へ ⾯ 4 : の ⾯ 5 : も ⾯ 6 : へ 全事象 Ω へ の も 事象族 𝓕 事象 ω 集合[1,0] 確率 𝑝 1 2 1 3 1 6 写 像 𝑃 も へ の へのへのもへサイコロ
  12. 事象族𝓕が満たすべき譲れない5条件 1. 事象族ℱは全事象Ωの部分集合である ℱ ⊆ Ω 2. 空集合∅と全事象Ωは事象族ℱの要素である ∅, Ω

    ∈ ℱ 3. 事象族ℱは空集合∅であってはならない ℱ ≠ ∅ 4. 事象ωを要素に持つ時、その余事象) ωも要素である ω ∈ ℱ ⇒ ) ω ∈ ℱ 5. 要素同⼠の和集合も要素である ℱ = 𝜔!, . . . , 𝜔" ⇒ . #$! 𝜔# ∈ ℱ
  13. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑃: ℱ

    → [0,1] 事象族 ℱ 事象族ℱが譲れない5条件を満たす → σ-加法族ℱと呼ぶ(σ-加法性を満たす)
  14. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑷: ℱ

    → [0,1] 写像 𝑷が満たすべき譲れない3条件 σ-加法族 ℱ
  15. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑷: ℱ

    → [0,1] 写像 𝑷が満たすべき譲れない3条件 1. 写像𝑃: ℱ → [0,1]もしくは𝑃: ω ⊆ Ω ↦ 𝑝 ∈ [0,1] σ-加法族 ℱ
  16. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑷: ℱ

    → [0,1] 写像 𝑷が満たすべき譲れない3条件 1. 写像𝑃: ℱ → [0,1]もしくは𝑃: ω ⊆ Ω ↦ 𝑝 ∈ [0,1] 2. 全事象の確率𝑃(Ω) = 1 σ-加法族 ℱ
  17. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑷: ℱ

    → [0,1] 写像 𝑷が満たすべき譲れない3条件 1. 写像𝑃: ℱ → [0,1]もしくは𝑃: ω ⊆ Ω ↦ 𝑝 ∈ [0,1] 2. 全事象の確率𝑃(Ω) = 1 3. 可算加法性を満たす σ-加法族 ℱ
  18. ∀ ω= ∩ ω> = ∅ (𝑖 ≠ 𝑗) ⇒

    𝑃 - =?@ ω= = . =?@ 𝑃(ω= ) 可算加法性を満たす
  19. ∀ ω= ∩ ω> = ∅ (𝑖 ≠ 𝑗) ⇒

    𝑃 - =?@ ω= = . =?@ 𝑃(ω= ) 互いに排反ならば、 可算加法性を満たす
  20. 可算加法性を満たす ∀ ω= ∩ ω> = ∅ (𝑖 ≠ 𝑗)

    ⇒ 𝑃 - =?@ ω= = . =?@ 𝑃(ω= ) 互いに排反ならば、 和事象の確率は、 事象の確率の和 (σ-加法性とか完全加法性ともいうけど同じもの)
  21. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑷: ℱ

    → [0,1] 写像 𝑷が満たすべき譲れない3条件 1. 写像𝑃: ℱ → [0,1]もしくは𝑃: ω ⊆ Ω ↦ 𝑝 ∈ [0,1] 2. 全事象の確率𝑃(Ω) = 1 3. 可算加法性を満たす σ-加法族 ℱ
  22. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 写像 𝑃: ℱ

    → [0,1] 写像 𝑃が満たすべき譲れない3条件 事象族ℱが満たすべき譲れない5条件 σ-加法族 ℱ
  23. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族 ℱ 写像 𝑃が譲れない3条件を満たす → 確率測度𝑃と呼ぶ 事象族ℱが譲れない5条件を満たす → σ-加法族ℱと呼ぶ(σ-加法性を満たす)
  24. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃 σ-加法族

    ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 全事象𝛀: 起こりうる全ての事象を網羅した集合 事象族𝓕: σ-加法性を満たし写像のchannelを規定する 確率測度𝑷: 事象ωに対し確率𝑝を対応づける写像
  25. ⾯ 1 : へ ⾯ 2 : の ⾯ 3

    : へ ⾯ 4 : の ⾯ 5 : も ⾯ 6 : へ 全事象 Ω へ の も 事象族 ℱ 事象 ω 集合[1,0] 確率 𝑝 1 2 1 3 1 6 確 率 測 度 𝑃 -1点 0点 -1点 0点 3点 -1点 実数空間 𝑅 実現値 𝑥 写 像 𝑋
  26. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族 ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 写像 𝑿: 𝜴 → 𝑹
  27. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族 ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 確率変数 𝑿: 𝜴 → 𝑹
  28. ⾯ 1 : へ ⾯ 2 : の ⾯ 3

    : へ ⾯ 4 : の ⾯ 5 : も ⾯ 6 : へ 全事象 Ω へ の も 事象族 ℱ 事象 ω 集合[1,0] 確率 𝑝 1 2 1 3 1 6 確 率 測 度 𝑃 -1点 0点 -1点 0点 3点 -1点 実数空間 𝑅 実現値 𝑥 確 率 変 数 𝑋
  29. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族 ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 確率変数 𝑿: 𝜴 → 𝑹
  30. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族 ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 確率変数 𝑿: 𝜴 → 𝑹 対応づけられる?
  31. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族 ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 確率変数 𝑿: 𝜴 → 𝑹 対応づけられる?
  32. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 確率変数(写像) 𝑿: 𝜴 → 𝑹 逆写像 𝑿"𝟏: 𝒙 ∈ 𝑹 ↦ ω ∈ 𝓕 σ-加法族 ℱ
  33. 全事象 Ω 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ → [0,1]

    確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 確率変数(写像) 𝑋: 𝛺 → 𝑅 σ-加法族 ℱ 写像 𝒇: 𝒙 ↦ 𝒑 集合 [0,1] 𝑋!"
  34. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 実現値𝑥 確率変数(写像) 𝑋: 𝛺 → 𝑅 𝑋!" 確率分布(写像) 𝒇: 𝒙 ↦ 𝒑 σ-加法族 ℱ
  35. 確率分布 は 写像 実数集合 R 集合 [1,0] 確率𝑝 確率分布 𝑓:

    𝑥 ↦ 𝑝 実現値𝑥 族 ℬ 族ℬが満たすべき譲れない5条件 → ボレルσ-加法族ℬと呼ぶ 実数集合上で定義されるσ-加法族をボレルσ-加法族と呼んで差し⽀えないが、 測度論的に厳密な定義にはもう少し⽤語の導⼊が必要になる。ボレル集合族ともいう。
  36. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] 事象族 ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数空間 𝑅 実現値𝑥 確率変数(写像) 𝑋: 𝛺 → 𝑅 𝑋!" 確率分布(写像) 𝒇: 𝓑 → [𝟎, 𝟏] ボレルσ-加法族ℬ
  37. ⾯ 1 : へ ⾯ 2 : の ⾯ 3

    : へ ⾯ 4 : の ⾯ 5 : も ⾯ 6 : へ 全事象 Ω 集合[1,0] 確率 𝑝 1 2 1 3 1 6 確 率 分 布 𝑓 -1点 0点 -1点 0点 3点 -1点 実数空間 𝑅 実現値 𝑥 確 率 変 数 𝑋 -1点 0点 3点 事象族 ℬ
  38. 1. 写像という概念を導⼊しました 2. 確率測度と定義しました 3. 確率空間を定義しました 4. 実数空間(実現値)を導⼊しました 5. 実数空間と確率空間を写像で結びました

    確率変数:事象から実現値への写像 確率分布:実現値から確率への写像 現在位置の確認 これにより「実現値に対する確率」を 考えることが出来るようになりました。 (ヨシッ!)
  39. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 確率変数𝑋 𝑋!" 確率分布 𝑓: ℬ → [0,1] 実現値𝑥 ボレルσ-加法族ℬ
  40. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] σ-加法族ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 確率変数𝑋 𝑋!" 確率分布 𝑓: ℬ → [0,1] 実現値𝑥 ボレルσ-加法族ℬ
  41. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃 σ-加法族

    ℱ 確率空間𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数集合 𝑅 集合 [0,1] 実現値 𝑥 確率𝑝 確率分布 𝑓 ボレルσ-加法族 ℬ
  42. 実数集合 R 集合 [0,1] 実現値𝑥 確率𝑝 確率分布 𝑓 σ-加法族 ℬ

    確率空間 𝒳[𝑅, ℬ, 𝑓] 全事象𝐑: 起こりうる全ての事象を網羅した集合 事象族𝓑: σ-加法性を満たし写像のchannelを規定する 確率分布𝒇: 実現値𝑥に対し確率𝑝を対応づける写像
  43. 全事象 Ω 集合 [0,1] 事象 ω 確率𝑝 確率測度 𝑃: ℱ

    → [0,1] 事象族 ℱ 確率空間 𝒫[Ω, ℱ, 𝑃] 実数空間 𝑅 確率変数𝑋 𝑋!" 確率分布 𝑓: ℬ → [0,1] 確率空間 𝒳[𝑅, ℬ, 𝑃] 実現値𝑥 族ℬ
  44. ⾯ 1 : へ ⾯ 2 : の ⾯ 3

    : へ ⾯ 4 : の ⾯ 5 : も ⾯ 6 : へ 全事象 Ω 集合[1,0] 確率 𝑝 1 2 1 3 1 6 確 率 分 布 𝑓 -1点 0点 -1点 0点 3点 -1点 実数空間 𝑅 実現値 𝑥 確 率 変 数 𝑋 -1点 0点 3点 事象族 ℬ
  45. ・必ず1つの⾯が出る ・⾯は均等に出る ・各⾯には数値(実現値𝑥)が1つ書かれている ・ 𝑥 ∈ seq(form = 0, to

    = 1, length = N) ・ 確率分布𝑓: 𝑥 ⟼ 𝑝すなわち𝑓 𝑥 = 𝑝とする 理想的なN⾯体サイコロ
  46. 理想的なN⾯体サイコロ 𝑝$ = 𝑓 𝑥$ = 1 ∞ = 0

    𝑖 ∈ {1, 2, … , ∞} 𝑥$ ∈ [0,1] この区間に含まれる 実数全体
  47. 確率𝑝# は実現値𝑥# の⽣じやすさを表す数値 𝑥 ∈ [𝑎, 𝑏]だと全ての𝑥# について𝑝# = 0

    従って「どの⾯も出ない」 「必ず1つの⾯が出る」(定義) ⽭盾
  48. 実数集合 𝑅 集合 [0,1] 実現値 𝑥 確率𝑝 確率分布 𝒇: ℬ

    → [0,1] 確率分布 𝒇が満たすべき譲れない3条件 1. 写像𝑓: ℬ → [0,1] 2.全事象の確率𝑓(𝑅) = 1 3. 可算加法性を満たす σ-加法族 ℬ
  49. 実数集合 𝑅 集合 [0,1] 実現値 𝑥 確率𝑝 確率分布 𝒇: ℬ

    → [0,1] 確率分布 𝒇が満たすべき譲れない3条件より σ-加法族 ℬ 𝑓 𝑅 = 0 !" " 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 = 1
  50. 理想的なN⾯体サイコロ 𝑝$ = 𝑓 𝑥$ = 1 ∞ = 0

    コレの積分が1 𝑓 𝑅 = O "% % 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 = 1
  51. 𝐹 𝑥 = 2 !" # 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 𝐹

    𝑥 = 4 ##$# 𝑓(𝑥% ) 累積確率𝐹 連続確率分布𝑓について 離散確率分布𝑓について
  52. 𝐹 𝑥 = 5 PQ R 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 連続確率分布𝑓について

    𝑓 𝑥 = 1 ∞ 無限に⼩さい数を⾜し上げている 累積確率𝑭は𝒙の定義域内で微分可能 確率分布 累積確率
  53. 𝐹 𝑥 = 5 PQ R 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 𝑓

    𝑥 = 1 ∞ 確率分布 累積確率 f 𝑥 = 𝑑 𝑑𝑥 𝐹 𝑥 確率密度 連続確率分布𝑓について
  54. 確率分布 𝑓 𝑥 累積確率 𝐹 𝑥 確率密度 f 𝑥 𝑝

    𝑎 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏 = ? ! " 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 = ? ! " f 𝑥 𝑑𝑥 a b a b
  55. 𝐹 𝑥 = 5 PQ R 𝑓 𝑥 𝑑𝑥 𝑓

    𝑥 = 1 ∞ 確率分布 累積確率 f 𝑥 = 𝑑 𝑑𝑥 𝐹 𝑥 確率密度 例外なく定式化できない 𝑓 𝑥 こっちで定式化する 連続確率分布𝑓について
  56. 確率分布関数 𝑓 𝑥 𝐹 𝑥 f 𝑥 確率分布関数 確率分布関数 確率質量関数

    (実現値が離散量なのを強調したい?) 累積確率分布関数 累積確率分布関数 累積確率分布関数 累積確率分布関数 確率密度分布関数 確率密度分布関数 呼び⽅いろいろ問題 累積確率分布関数 (他にもあるかも) 確率密度分布関数