Inom sannolikhetsteorin är Kolmogorovs axiom de tre axiom som entydigt bestämmer begreppet sannolikhetsfunktion. Sannolikhetsteorin axiomatiserades 1933 av den ryske matematikern A. Kolmogorov i det numera klassiska verket Foundations of the Theory of Probability.
Kolmogorovs tre axiom
redigeraEn reell funktion på händelser i utfallsrummet är en sannolikhetsfunktion om den uppfyller de tre nedanstående axiomen. En funktion som inte uppfyller dessa axiom är inte en sannolikhetsfunktion.
Första axiomet
redigeraIcke-negativitet
För en godtycklig händelse gäller .
Andra axiomet
redigeraNormalisering
För utfallsrummet gäller .
Tredje axiomet
redigeraÄndlig additivitet
Om utfallsrummet är ändligt och om så är
- .
Uppräknelig additivitet
Om utfallsrummet är oändligt så gäller för en oändlig följd av händelser om för alla , att
- .
Följdsatser
redigeraMonotonitet
redigeraOm gäller att .
Bevis
redigerakan skrivas som (A eller (B men inte A)). Det är enkelt att se att dessa två mängder är disjunkta och enligt Kolmogorovs tredje axiom får vi
Högerledet består, enligt Kolmogorovs första axiom, av två positiva sannolikheter. Det är då tydligt att .
Det numeriska intervallet
redigeraFör en händelse gäller
Bevis
redigeraMed monotonitetsegenskapen ovan får vi direkt och tillsammans med Kolmogorovs första axiom följer påståendet.
Komplementsannolikheten
redigeraSannolikheten för komplementhändelsen till är
Bevis
redigeraAntag att , då gäller att komplementhändelsen . Ett godtyckligt element ur tillhör antingen eller , det vill säga
- .
Detta medför att
Vi behöver nu bara konstatera att om ett element tillhör tillhör det inte , vilket är innebörden av komplementhändelse. Mer formellt har vi
som leder till den logiska slutsatsen att
- .
Kolmogorovs tredje axiom ger då
Sannolikhetsteorins additionslag
redigeraP(A) + P(B) och i additionslagen kompenseras detta med termen
-P(A ∩ B)
För två händelser och gäller
Bevis
redigeraNotera att mängden kan skrivas som . Detta inses enklast genom att tillämpa välkända mängdteoretiska räkneregler:
Då och är disjunkta händelser gäller att och är disjunkta händelser. Vi har alltså, från Kolmogorovs tredje axiom, att
Genom att på liknande sätt skriva
och använda Kolmogorovs tredje axiom igen har vi
Om uttrycket från (2) sätts in i (1) erhålls
Sannolikheten för den tomma mängden
redigera
Bevis
redigera.
Enligt Kolmogorovs tredje axiom har vi
För ett slumpexperiment med ändligt utfallsrum och likformig sannolikhetsfördelning gäller för en händelse att
Bevis
redigeraAntag att består av händelser .
Enligt Kolmogorovs andra och tredje axiom gäller
Enligt antagandet om likformig sannolikhetsfördelning är alla händelser där lika sannolika, vilket ger
Därmed kan beräknas:
Exempel
redigeraProblem om komplementsannolikhet
redigeraSannolikheten att ett äpple faller på Isaac Newtons huvud uppskattas av honom själv till 0.0003. Vad är sannolikheten att äpplet inte faller?
För att lösa uppgiften genom att använda Kolmogorovs axiomsystem måste vi införa lämpliga beteckningar. Beteckna händelsen att äpplet faller på Isaac Newtons huvud med A. P(A) betyder då sannolikheten att äpplet faller på Newtons huvud. Enligt uppgiften är P(A) = 0.0003. Händelsen att äpplet inte faller kan betecknas . Med hjälp av Kolmogorovs axiomsystem får vi sannolikheten att äpplet inte faller till
- .
Vad som inte är tydligt i lösningen av problemet är utfallsrummet . I typuppgifter som denna brukar man helt enkelt betrakta som .
Problem om sannolikhetsteorins additionslag
redigeraSannolikheten för att antingen den ena eller den andra händelsen inträffar är 0.5, sannolikheten att den ena inträffar är 0.1 och sannolikheten att den andra inträffar är 0.2. Vad är sannolikheten att båda inträffar?
Beteckna den ena händelsen som och den andra som . Från uppgiften har vi
Enligt Kolmogorovs axiomsystem (sannolikhetsteorins additionslag) gäller alltid att
Vi sätter in de kända talen för att lösa ut det okända:
Men enligt Kolmogorovs första axiom måste sannolikheten för en händelse vara större än noll. Alltså kan inte problemet lösas.
Problem om klassisk sannolikhetsdefinition
redigeraÅtta torn placeras slumpmässigt på ett schackbräde. Vad är sannolikheten att inget torn kan slå ett annat?
Låt beteckna händelsen att inget av de åtta tornen kan slå ett annat. Lösningen erhålls genom att beräkna och och sedan tillämpa den klassiska sannolikhetsdefinitionen.
Utfallsrummet är de sätt som åtta torn kan placeras på ett schackbräde. Det första tornet kan placeras på 8⋅8 = 64 sätt, det andra på 64 - 1, det tredje på 64 - 2 sätt och så vidare till det åttonde tornet vilket kan placeras på 64 - 7 = 57 sätt. Enligt multiplikationsprincipen är därmed
För att beräkna noterar vi att första tornet kan placeras på 8⋅8 platser. När det andra tornet skall placeras är den rad och kolumn där det första tornet är placerat upptagna. De möjliga rutorna att placera det andra tornet på kan bilda ett bräde med 7 rader och 7 kolumner vilket ger 7⋅7 möjligheter. Nästa torn kan placeras på 6⋅6 sätt och så vidare till det åttonde tornet vilket kan placeras på 1⋅1 sätt. Enligt multiplikationsprincipen är då
Den klassiska sannolikhetsdefinitionen kan nu användas för att beräkna den sökta sannolikheten:
Således är sannolikheten att inget av de åtta tornen kan slå ett annat ungefär 9 på miljonen.
Se även
redigeraKällor
redigera- Stokastik av Sven Erick Alm, Tom Britton, 20011, sida 10.
Externa länkar
redigera- Kolmogorov's Axioms, Wolfram MathWorld.
- Kolmogorov`s probability calculus, Stanford Encyclopedia of Philosophy.