在概率论中,“事件”一词的一般含义是:
第一,有一个明确界定的试验。
第二,这个试验的全部可能结果,是在试验前就明确的。在不少情况下,不能确切知道其试验的全部可能结果,但是可以知道它不超过某个范围,这时,也可以用这个范围作为该试验的全部可能结果。
第三,有一个明确的陈述,这个陈述界定了试验的全部可能结果中确定的部分。这个陈述,或者说确定的部分,就叫作一个事件。
事件是与试验结果有关的一个命题,其正确与否取决于试验结果如何。在概率论中,有时把单一的试验结果称为一个“基本事件”,这样,一个或一些基本事件并在一起,就构成一个事件,而基本事件本身也是事件。
车辆耐久性工程中的重要“事件”是什么呢?某一车辆累积行驶达到某一里程,这一车辆可以是在车辆设计生产、试验试制、试验考核阶段的参研车辆,更可以是日常生产生活中,行驶在万千道路上的万千车辆之一。在车辆的研制过程中,自然要开展各种试验,但是从更广义上来说,在生产和生活中实际服役和使用着的每一台车辆,也都是某种形式的“参研”车辆(起码对于车辆耐久性工程来说),也已经不知不觉地参与到一种广义的耐久性试验中。
这个广义的试验结果,后面将会谈到,往往用一种叫“伪损伤”的量值来表征,它的取值不能被确切地确定,但是可以泛泛地将其确定为一个范围——正实数。可以用这个非常泛泛的范围作为基础开展相关的研究,而不产生什么牵碍和影响。
有一个明确的陈述,这个陈述对于参与车辆耐久性研发的工程师是非常重要、有实际意义且“耳熟能详”的,就是:车辆的累积行驶里程达到某设计里程,比如说30万km(对于乘用车而言),或者说150万km(对于商用车而言)。这个陈述界定了试验的全部可能结果中一确定的部分,并且构成了一个事件。
本书的主旨之一就是围绕发生这一事件(车辆的累积行驶里程达到某设计里程)时,从耐久性工程的角度出发涉及的一些重要量值——(伪)损伤,其数值处理方法(包括统计方法)展开讨论。
下面将介绍一些重要的基本概念,以方便在这些概念、定义和原理的基础上进一步展开讨论。
定义1-1 :在同一试验下的两事件 A 和 B ,如果当 A 发生时 B 必发生,则称 A 蕴含 B ,记作 A ⊂ B 。
定义1-2 :若 A 、 B 互相蕴含,即 A ⊂ B 且 A ⊃ B ,则称 A 、 B 两事件相等,记为 A = B 。
定义1-3 :若两事件 A 、 B 不能在同一次试验中都发生,则称它们是互斥的。如果一些事件中任意两个都互斥,则称这些事件是两两互斥的。
互斥事件的一个重要情况是“对立事件”。
定义1-4 :若 A 为一事件,则事件
称为 A 的对立事件,记为 。
设有两事件 A 、 B ,定义一个新事件 C 如下:
定义1-5 :事件 C 称为事件 A 与事件 B 的和,记为 C = A + B 。
事件的和很自然地可以推广到多个事件的情形:设有若干个事件 A 1 , A 2 ,…, A n ,它们的和 A 定义为事件
记为 。
定理1-1 :若干个两两互斥事件之和的概率,等于各个事件的概率之和。
定理1-1称为概率的加法定理,且式(1-4)中事件的个数可以是有限的或无限的。
定义1-6 :设有两个事件 A 、 B ,则如下定义的事件 C
称 C 为两个事件 A 和 B 之积,并记作 AB 。
多个事件 A 1 , A 2 ,…(有限或无限个都可以)积的定义类似: A ={ A 1 , A 2 ,…都发生},记作 。
条件概率就是在附加一定的条件之下所计算的概率,其形式可以归结为“已知某事件发生了”。
定义1-7 :设有两个事件 A 、 B ,而 P ( B )≠0,则在给定 B 发生的条件下 A 的条件概率记作 P ( A|B ),定义为
设有两个事件 A 、 B , A 的无条件概率 P ( A )与其在给定 B 发生之下的条件概率 P ( A|B ),一般是有差异的,这反映了两个事件之间存在着一些关联。
反之,如果 P ( A )= P ( A|B ),则 B 的发生与否对 A 的发生毫无影响,这时在概率上就称 A 、 B 两个事件独立,进而由式(1-6)得出
定义1-8 :两个事件 A 、 B 若满足式(1-7),则称 A 、 B 独立。
定理1-2 :如式(1-7)所示,两个独立事件 A 、 B 之积 AB 的概率 P ( AB ),等于其各自概率之积 P ( A ) P ( B ),称为概率的乘法定理。
在实际问题中,并不常用式(1-7)去判断两个事件 A 、 B 是否独立,而是相反,从事件的实际角度去分析和判断其不应有关联,因而独立,然后使用式(1-7)。
式(1-7)可以拓展到多个事件。若干个独立事件 A 1 , A 2 ,…, A n 之积的概率,等于各个事件概率的乘积:
P ( A 1 , A 2 ,…, A n )= P ( A 1 ) P ( A 2 )… P ( A n )
定义1-9 :假设 B 1 、 B 2 、…为有限或无限个事件,它们两两互斥,且在每次试验中至少发生一个,即
把具有式(1-8)所示的这些性质的一组事件称为一个“完备事件群”。
现考虑任意事件 A ,因Ω为必然事件,有
依据加法定理,有
再考虑到条件概率的定义式(1-6),有 P ( AB i )= P ( B i ) P ( A|B i ), 将其代入上式得
式(1-9)就称为“全概率公式”,从其推导的过程可以理解其名称的由来:“全部”概率 P ( A )被分解成许多部分之和。其理论和实际意义在于:在较复杂的情况下直接计算 P ( A )是不容易的,但是 A 总是随某个 B i 伴出,则可以适当构造这一组 B i ,往往可以简化计算。
全概率公式所蕴含和表明的这一思路,对于车辆耐久性道路载荷数据统计分析意义重大。车辆耐久性工程中,一般来说用“伪损伤”或与之等效的一些量(后面会讲到)来衡量和表征载荷的强度。车辆耐久性载荷谱编制方面的一个顶层输入之一,就是当车辆行驶到某一设计里程时(事件发生时),“伪损伤”或与之等效的这些量能达到什么程度?或者说这些量达到某一程度的概率 P ( A )是多少。限于现实可行的数据获取条件,直接计算 P ( A )是不容易的,但是可以适当地构建一组完备事件群 B i ,并且获得各个 B i 的概率,在此基础上使得获得随某个 B i 伴出的 P ( A|B i )变得可能,最终运用全概率公式完成对于 P ( A )的估算。后面将会看到,对于一组完备事件群 B i 的构建正是道路载荷大数据分析工作中对于“工况空间”的构建、识别、划分和统计。
对于全概率公式还可以用如下一个很好的角度加以理解,并可以据此更好地对其加以应用:把 B i 看作导致事件 A 发生的一种可能途径。对于不同的途径, A 发生的概率[即条件概率 P ( A|B i )]各不相同,而采取哪个途径却是随机的。在这种情况下,从直观上不难猜测, A 的综合概率 P ( A )应该在最小的 P ( A|B i )和最大的 P ( A|B i )之间,它不一定是所有 P ( A|B i )的算数平均,因为各种途径被使用的机会 P ( B i )并不均等,一个更合理的做法是将诸 P ( A|B i )以 P ( B i )为权,做加权平均,而这正是全概率公式表明的道理和实际采用的做法。这样一种认知角度和思路在后面还会多次使用。