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概率統(tǒng)計中的案例與仿真——從直覺走向理性 讀者對象:本書可作為應用數(shù)學、應用統(tǒng)計學等專業(yè)的本科生的教學和科普參考書, 同時也適合數(shù)據(jù)科學的愛好者、從事數(shù)據(jù)處理的研究生和科技工作者閱讀參考 ![]() 本書通過典型案例、反例及仿真分析,深入解析概率統(tǒng)計理論與應用。書中以概率統(tǒng)計教學及軍事靶場試驗為背景,融合線性代數(shù)、數(shù)據(jù)分析等課程知識,在應用中闡述隨機事件與概率、隨機變量、數(shù)理統(tǒng)計方法等核心內容。 本書有三大特色:優(yōu)質,為軍服務經(jīng)典案例貼切實戰(zhàn);第二,反例與案例結合,正演反演雙向邏輯推理;第三,反例、案例與仿真首尾閉環(huán),論證嚴謹結論清晰。
概率統(tǒng)計中的案例與仿真
——從直覺走向理性 何章鳴唐揚斌編著清華大學出版社北京內 容 簡 介本書通過典型案例、反例及仿真分析,深入解析概率統(tǒng)計理論與應用。書中以概率統(tǒng)計教學及軍事靶場試驗為背景,融合線性代數(shù)、數(shù)據(jù)分析等課程知識,在應用中闡述隨機事件與概率、隨機變量、數(shù)理統(tǒng)計方法等核心內容。 本書特色鮮明:一是立足實踐,案例均源于真實場景,特別是軍事靶場試驗,突出理論在國防與工程領域的實際應用;二是注重實操,提供可復現(xiàn)代碼,便于讀者掌握數(shù)據(jù)處理與模型構建方法;三是強調邏輯與價值統(tǒng)一,兼顧直覺思維與嚴謹推理,實現(xiàn)知識傳授與價值引領結合。 本書適合作為應用數(shù)學、應用統(tǒng)計學等專業(yè)本科生教學與科普讀物,也可供數(shù)據(jù)科學愛好者、從事數(shù)據(jù)處理的研究生及科技工作者參考,助力提升理論水平與實踐能力。 本書封面貼有清華大學出版社防偽標簽,無標簽者不得銷售。 版權所有,侵權必究。舉報: 01062782989, beiqinquan@tup.tsinghua.edu.cn。圖書在版編目(CIP)數(shù)據(jù) 概率統(tǒng)計中的案例與仿真:從直覺走向理性/何章鳴,唐揚斌編著.\|\|北京:清華大學出版社, 2025.5.\|\| ISBN 978\|7\|302\|69156\|3 Ⅰ.O211 中國國家版本館CIP數(shù)據(jù)核字第2025NM2425號 責任編輯: 陳凱仁 封面設計: 劉艷芝 責任校對: 歐洋 責任印制: 劉菲 出版發(fā)行: 清華大學出版社 網(wǎng)址: https://www.tup.com.cn, https://www.wqxuetang.com 地址: 北京清華大學學研大廈A座郵編: 100084 社總機: 01083470000郵購: 01062786544 投稿與讀者服務: 01062776969, cservice@tup.tsinghua.edu.cn 質量反饋: 01062772015, zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn 印裝者: 三河市天利華印刷裝訂有限公司 經(jīng)銷: 新華書店 開本: 185mm×260mm印張: 16.75插頁: 3字數(shù): 414千字 版次: 2025年7月第1版印次: 2025年7月第1次印刷 定價: 68.00元 產品編號: 10615501在概率論與數(shù)理統(tǒng)計的領域中,直覺、推理與仿真,三者常常構成一種矛盾而又統(tǒng)一的奇妙關系。就好比在統(tǒng)計中,我們常用“均值”與“中位數(shù)”這兩個統(tǒng)計量來描繪身高水平。通過問卷調查發(fā)現(xiàn),許多人憑借直覺認定中位數(shù)的計算更為快捷,畢竟中位數(shù)的求解無需進行復雜的實數(shù)運算,只要掌握排序和計數(shù)的方法就行。然而,從推理的角度來看,均值的計算其實更為高效。這是因為均值的計算復雜度為O(n),而若用冒泡排序法來求中位數(shù),其計算復雜度卻高達O(n2)。推理得出的結論固然可靠,可推理過程有時卻過于抽象,讓人難以直觀把握。在這種情況下,仿真就成為了驗證推理與直覺結論的得力助手。仿真結果清晰地顯示:均值的計算速度要遠遠快于中位數(shù)。尤其當n達到1010之巨時,中位數(shù)那龐大的運算量甚至會使普通個人計算機陷入死機狀態(tài)。這個案例充分說明,直覺帶來的結論并非總是可靠,我們需要借助推理來彌補直覺的缺陷,同時利用仿真驗證來化解推理的抽象性。 直覺與推理之所以會出現(xiàn)不一致,根源或許在于我們長期習慣了“確定性”與“線性”的思維模式,而真實的客觀世界卻充滿了“不確定性”與“非線性”,這也正是概率統(tǒng)計這門學科獨特的魅力所在。在概率論與數(shù)理統(tǒng)計的學習、講授以及講課比賽籌備過程中,我們不斷發(fā)現(xiàn),在生活、生產和各類試驗場景里,存在著大量直覺與推理相互矛盾的疑惑、案例和反例。這些意外的不一致性,給我們帶來了諸多驚喜。帶著這份驚喜,我們按照教科書的結構框架,以“直覺—推理—仿真”的邏輯思路,精心梳理并組織了這些有趣的內容,這便是本書誕生的初衷。 本書有意避開抽象晦澀的證明方式,而是采用答疑解惑、趣味游戲、生動故事、典型研究案例、奇妙悖論反例以及直觀仿真曲線等豐富多樣的形式,來闡釋概率與統(tǒng)計的相關理論。這個闡釋過程或許比傳統(tǒng)的符號證明更加耗費時間和精力,卻也更需要我們發(fā)揮發(fā)散性與創(chuàng)造性思維。我們衷心希望,通過我們的努力,能讓讀者在閱讀時感到輕松愉悅,進而理解并領略概率統(tǒng)計的獨特魅力與趣味。本書尤其適合以下三類讀者: 優(yōu)質,概率統(tǒng)計學習者。當你在面對抽象理論感到疲憊不堪,對某個專業(yè)術語困惑不解,甚至在心底漸漸滋生“讀書無用論”的念頭時,不妨翻開這本書。在這里,你可能會驚喜地發(fā)現(xiàn),驗證過程遠比枯燥的證明更有趣味,生動的案例故事有時也比抽象的符號推理更加引人入勝。學習就像一場充滿挑戰(zhàn)的艱苦旅行,我們往往太過急切地渴望抵達終點,卻忘記了沿途還有許多美好的故事與風景,甚至忽略了那些沿途的景色或許遠比終點更加美麗動人。 第二,概率統(tǒng)計教育工作者。相較于學生,老師們最大的自由在于無需承受考試的壓力與恐懼,能夠擁有更多時間去慢慢思考。但與此同時,工作和生活的新壓力也接踵而至,讓大家未必有閑暇去重拾曾經(jīng)被遺漏的那些教學故事與知識風景。當您在整理相關案例、反例、仿真應用場景時,不妨隨手翻翻這本書,說不定它能為您理解相關問題提供一個全新的視角。 第三,講課比賽籌備科研工作者。本書中的眾多科研案例都是不可多得的講課比賽素材,其中一些大型案例更是源自教學能力比賽、湖南省研究生案例、院校數(shù)學中青年教員教學比賽、國防科技大學教學能手比賽等賽事作品。這些案例從最初起草到最終定稿,歷經(jīng)漫長時間,經(jīng)過多次修改完善,實屬來之不易。 我們推薦讀者結合國防科技大學吳翊等主編的《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》進行閱讀,因為本書的章節(jié)編排與上述教材恰好相互對應。為了方便讀者能夠順利復現(xiàn)書中的試驗結果,我們盡可能提供了詳盡的MATLAB 2023a仿真代碼。由于作者自身理論水平與研究經(jīng)驗有限,書中難免存在不足之處與疏漏錯誤,懇請廣大讀者不吝批評指正。 本書由何章鳴負責起草與統(tǒng)稿工作,唐揚斌為本書提供了大量素材,并提出諸多寶貴修改建議,還一同攻克了許多頗具難度的思考題,為本書的順利完成貢獻了重要力量。在此,我們衷心感謝楊文強、胡慶軍、周海銀、王炯琦、侯臣平、段曉君、劉吉英、謝華英、晏良等老師參與的有益討論;感謝國防科技大學概率論與數(shù)理統(tǒng)計課程組的王澤龍、趙振宇、陶紅、周萱影、余奇、黃彭奇子、鄧娟、劉琰、肖意可、趙城利、海昕、文軍、劉春林、徐佳等老師,以及課程組外的戴新宇、羅永等老師,部分精彩案例得益于與大家的熱烈討論和深度交流。 同時,我們誠摯感謝國防科技大學概率論與數(shù)理統(tǒng)計課程建設經(jīng)費,以及“支撐一流工科的統(tǒng)計類數(shù)學公共課教學實踐研究——以《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》為例(項目編號:U2023201)”項目的資助。特別要感謝清華大學出版社陳凱仁編輯在本書出版全過程中給予作者的支持。 作者2024年10月于長沙概率統(tǒng)計中的案例與仿真——從直覺走向理性前言第1章隨機事件與概率1 1.1隨機現(xiàn)象與數(shù)據(jù)1 1.1.1一論飛行器差分求速——奇妙的無窮小1 1.1.2抽球悖論——奇妙的無窮大2 1.1.3從折紙看直覺、實踐與推理的差異3 1.1.4從硬幣試驗看直覺思維與理性思維5 1.1.5從硬幣試驗看概率論與數(shù)理統(tǒng)計5 1.1.6樣本均值和中位 何章鳴,博士,碩導,副教授。長期從事信息融合理論與應用、戰(zhàn)場信息感知等領域的研究與系統(tǒng)開發(fā)工作。主持參與國家自然科學、軍民融合、裝備預研等項目二十余項。發(fā)表科研論文50余篇,合作出版著作4部,授權國家發(fā)明專利20余項,登記軟件著作權2項.獲學院學校新星教師獎1項,獲湖南省研究生教學案例獎1項,獲專業(yè)技術人才三類崗位津貼1次,獲職業(yè)院校教學能力比賽一等獎1項,獲技術發(fā)明獎二等獎1項,獲科技進步獎三等獎1項。
目錄
第1章隨機事件與概率1 1.1隨機現(xiàn)象與數(shù)據(jù)1 1.1.1一論飛行器差分求速——奇妙的無窮小1 1.1.2抽球悖論——奇妙的無窮大2 1.1.3從折紙看直覺、實踐與推理的差異3 1.1.4從硬幣試驗看直覺思維與理性思維5 1.1.5從硬幣試驗看概率論與數(shù)理統(tǒng)計5 1.1.6樣本均值和中位數(shù)的計算復雜度6 1.1.7平均數(shù)和中位數(shù)的穩(wěn)健度7 1.1.8考分是數(shù)字還是隨機變量8 1.2隨機事件9 1.2.1樣本空間與事件域不是優(yōu)質的9 1.2.2事件的常見假命題9 1.2.3清晰事件和模糊事件10 1.3概率的定義與性質10 1.3.1一論硬幣實驗——頻率與概率10 1.3.2有限可加與可列可加11 1.3.3貝特朗悖論12 1.4等可能概型12 1.4.1協(xié)同轟炸問題——古典概型13 1.4.2協(xié)同過橋問題——幾何概型14 1.4.3蒙提霍爾悖論——信息泄露16 1.4.4田忌賽馬獲勝的概率實質18 1.4.5巴拿赫火柴盒問題18 1.4.6生日同天問題19 1.4.7抽簽原理的擔憂20 1.4.8停戰(zhàn)談判的概率實質20 1.4.9戀愛年數(shù)21 1.5條件概率與獨立性23 1.5.1條件概率和無條件概率23 1.5.2事件互斥和事件相互獨立24 1.5.3彭尼游戲的概率實質25 1.5.4觀棋不語的概率實質29 1.5.5星期二男孩的概率實質29 1.5.6兩兩獨立與相互獨立30 1.6全概率公式與貝葉斯公式31 1.6.1從寓言故事到繞島軍演31 1.6.2少數(shù)派獲勝的概率實質33 1.6.3再論蒙提霍爾悖論34 1.6.4薩達姆被捕的概率推斷36 1.6.5從陽性與患病看貝葉斯思想37 1.6.6從犬吠與賊偷看貝葉斯思想38 1.6.7一次答疑引起的思考38 1.6.8舉證困難的追責問題42 1.6.9輸光原理與全概率公式42 1.6.10輸光原理的仿真驗證44 第2章隨機變量47 2.1隨機變量的基本概念47 2.1.1隨機變量具有隨機性嗎47 2.1.2隨機變量一定是單射嗎47 2.1.3隨機變量的抽象意義48 2.2離散型隨機變量及其分布律48 2.2.1輸光分布律和馬爾可夫鏈48 2.2.2雨傘問題52 2.2.3二項分布的分布律最大值53 2.2.4泊松分布的分布律最大值54 2.2.5五局三勝還是七局四勝54 2.2.6協(xié)同作戰(zhàn)與獨狼行動55 2.2.7泊松分布與二項分布的優(yōu)勢56 2.3連續(xù)型隨機變量及其密度函數(shù)57 2.3.1連續(xù)型隨機變量的密度未必連續(xù)57 2.3.2分布函數(shù)連續(xù)未必對應連續(xù)型58 2.3.3密度與隨機變量的對應關系59 2.3.4關于電子產品壽命的思考59 2.3.5零概率事件未必不可能發(fā)生61 2.3.6正態(tài)分布的仿真62 2.4分布函數(shù)63 2.4.1隨機變量的分類63 2.4.2幾個易混淆的關聯(lián)概念64 2.4.3作訓后勤線路選擇問題65 2.4.4協(xié)同作戰(zhàn)等待時長的分布類型66 2.4.5混合高斯分布屬于混合分布嗎67 2.4.6混合分布是連續(xù)分布與離散分布的加權平均嗎68 2.5隨機變量函數(shù)的分布70 2.5.1連續(xù)型隨機變量的函數(shù)未必是連續(xù)型70 2.5.2不同隨機變量的函數(shù)可能服從相同分布71 第3章多維隨機變量72 3.1二維離散型隨機變量72 3.1.1二維離散型隨機變量的典型案例72 3.1.2二維離散型隨機變量的典型分析思路73 3.2二維連續(xù)型隨機變量73 3.2.1二維連續(xù)型隨機變量的典型案例73 3.2.2二維連續(xù)型隨機變量的典型分析思路74 3.2.3蒲豐投針及其仿真試驗75 3.2.4一論圓概率誤差76 3.3聯(lián)合分布函數(shù)77 3.3.1離散型聯(lián)合分布的典型形態(tài)77 3.3.2邊緣密度無法決定聯(lián)合密度77 3.3.3協(xié)同作戰(zhàn)中的聯(lián)合分布80 3.4邊緣分布81 3.4.1非零密度區(qū)域的邊界表達式81 3.4.2聯(lián)合正態(tài)分布的邊緣分布和條件分布83 3.4.3均勻分布的邊緣分布未必是均勻分布84 3.4.4非均勻分布的條件分布可能是均勻分布86 3.5條件分布與獨立性86 3.5.1隨機變量獨立的條件86 3.5.2隨機變量兩兩獨立未必獨立87 3.5.3正態(tài)分布之和未必服從正態(tài)分布88 3.5.4木棒截斷悖論88 3.6二維隨機變量的變換及函數(shù)的分布90 3.6.1獨立隨機向量的變換可能不獨立90 3.6.2不獨立隨機向量的變換可能獨立91 3.6.3變換可改變分布的類型91 3.6.4正態(tài)分布之和未必是正態(tài)分布92 3.6.5后勤聯(lián)運的可靠性——極小值的分布92 3.6.6卷積公式和z\|x圖93 3.6.7函數(shù)與變換的區(qū)別95 3.6.8分布的可加不變性96 第4章隨機變量的數(shù)字特征97 4.1數(shù)學期望97 4.1.1再論協(xié)同轟炸問題97 4.1.2如何區(qū)分均值和期望98 4.1.3哪個射手的水平更高98 4.1.4期望的非常收斂約束99 4.1.5協(xié)同穿越問題102 4.1.6單拱架橋問題103 4.1.7可加性的簡易證明方法105 4.1.8不存在期望的離散型隨機變量105 4.1.9不存在期望的連續(xù)型隨機變量106 4.1.10電梯問題106 4.1.11停戰(zhàn)談判問題再討論108 4.1.12秩序的重要性111 4.1.13獨立隨機變量的期望112 4.1.14函數(shù)的期望未必等于期望函數(shù)112 4.1.15協(xié)同作戰(zhàn)等待時長112 4.1.16一論凱利公式——投注策略113 4.1.17圣彼得堡悖論——期望不存在116 4.2方差117 4.2.1一定要選拔高水平選手嗎117 4.2.2百發(fā)百中與一發(fā)一中119 4.2.3信息融合和“位高權重”的關系120 4.2.4切比雪夫不等式的意義120 4.2.5密度平均和樣本平均的方差121 4.2.6差的方差不等于方差之差122 4.2.7再論凱利公式——方差特性122 4.2.8常用分布的期望和方差125 4.3協(xié)方差、相關系數(shù)、矩與協(xié)方差陣125 4.3.1似是而非的相關125 4.3.2獨立性與不相關性126 4.3.3不相關的兩個正態(tài)隨機變量未必獨立126 4.3.4不相關的兩個隨機變量未必獨立127 4.3.5低階距存在未必高階矩存在128 4.3.6啤酒和尿布的故事是真的嗎128 4.3.7獨立隨機變量的正交變換未必獨立129 第5章大數(shù)定律與中心極限定理130 5.1大數(shù)定律130 5.1.1定律與定理130 5.1.2服從大數(shù)定律的內涵131 5.1.3依概率收斂的內涵131 5.1.4數(shù)列收斂與依概率收斂131 5.1.5依概率收斂未必幾乎處處收斂132 5.1.6依概率收斂必然依分布收斂133 5.1.7幾個大數(shù)定律的關聯(lián)134 5.1.8再論硬幣試驗135 5.1.9三論硬幣試驗136 5.1.10用數(shù)值試驗和直方圖驗證大數(shù)定律137 5.2中心極限定理141 5.2.1中心極限定理的里程碑141 5.2.2標準化的過程142 5.2.3典型分布的標準化143 5.2.4指數(shù)分布的標準化144 5.2.5均勻分布的標準化146 5.2.6圖書館配套座位數(shù)150 5.2.7發(fā)射井的數(shù)量152 5.2.8再論發(fā)射井的數(shù)量153 5.2.9生日問題再討論154 5.2.10不服從中心極限定理的反例154 5.2.11切比雪夫不等式與中心極限定理155 5.2.12三論凱利公式——大數(shù)據(jù)特性155 第6章數(shù)理統(tǒng)計的基本概念158 6.1統(tǒng)計推斷概述158 6.1.1幸存者偏差——逝者不說話158 6.1.2朋友悖論——我的朋友真的少嗎159 6.1.3二論飛行器差分求速——降曲技術160 6.2抽樣分布164 6.2.1測速雷達消噪方法164 6.2.2從正態(tài)分布走來167 6.2.3樣本均值與方差的獨立性172 6.2.4多維正態(tài)分布的若干結論174 6.2.5極限定理與抽樣分布定理的關系174 6.2.6常用分布關聯(lián)圖譜175 6.2.7樣本方差的系數(shù)175 6.2.8變異系數(shù)不能消除偏置系數(shù)的影響176 6.2.9若干分布的可加性176 6.2.10統(tǒng)計量的計算復雜度176 6.2.11卡方分布期望與自由度177 6.2.12t分布與標準正態(tài)分布177 6.2.13分位點的性質177 第7章參數(shù)估計179 7.1點估計179 7.1.1矩估計的局限性179 7.1.2常用分布的參數(shù)估計180 7.1.3泊松分布參數(shù)的估計182 7.1.4漸進無偏估計未必是相合估計182 7.1.5無偏估計的函數(shù)未必是無偏的183 7.1.6魔盒游戲引發(fā)的思考183 7.1.7極大似然的思想184 7.1.8未戰(zhàn)而廟算勝——估算槍支的數(shù)量184 7.1.9以算求勝,深算制勝——新兵老兵問題186 7.1.10知彼知己,百戰(zhàn)不殆——虎式坦克的數(shù)量188 7.1.11知彼知己,百戰(zhàn)不殆——估計量的評價準則190 7.1.12總群數(shù)量的估算193 7.1.13再論圓概率誤差194 7.1.14費希爾信息量、香農信息熵與方差的關系195 7.1.15如何理解克拉默拉奧下界199 7.2區(qū)間估計199 7.2.1球場找針的故事199 7.2.2良種粒數(shù)的范圍200 7.2.3測控雷達的可靠度鑒定200 7.2.4軍工器件的測量精度202 7.2.5飛行器速度的置信區(qū)間203 7.2.6炮彈方差的置信區(qū)間203 7.2.7火箭燃燒率的置信區(qū)間204 7.3貝葉斯估計204 7.3.1再論新兵老兵問題204 7.3.2再論百發(fā)百中與一發(fā)一中206 7.3.3再論命中率問題207 第8章假設檢驗209 8.1引言209 8.1.1導彈脫靶量鑒定中的假設檢驗問題209 8.1.2雜質檢驗中的原假設與風險210 8.2正態(tài)總體參數(shù)的假設檢驗211 8.2.1小概率原則悖論211 8.2.2再論導彈脫靶量鑒定212 8.2.3雜質檢驗對應的假設檢驗過程216 8.2.4羅曼諾夫斯基硬幣試驗的再審視217 第9章回歸分析219 9.1一元線性回歸模型219 9.1.1父子身高關系的回歸問題219 9.1.2銅棒膨脹系數(shù)的回歸問題220 9.2多元線性回歸模型221 9.2.1三論飛行器差分求速——降噪技術221 9.2.2再論銅棒膨脹系數(shù)223 9.2.3測速雷達求速原理225 9.2.4導航中的主元估計225 9.2.5基于狀態(tài)轉移矩陣求先驗概率228 9.2.6導航方程的求解229 9.2.7食譜方程的求解238 參考文獻245 附錄246 索引250 后記253
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