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गणित · शब्दावली

स्वतंत्रता क्या है?

अन्य नाम: स्वतंत्र घटनाएँ · स्वातंत्र्य

परिभाषा 21.19 विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 2 · अध्याय 21 — गणनीय समष्टियों पर प्रायिकता

घटनाएँ AA तथा BB स्वतंत्र हैं यदि P(A∩B)=P(A)P(B)\P(A \cap B) = \P(A)\P(B) हो। घटनाओं का कोई कुल (Ai)i∈I(A_i)_{i \in I} (परस्पर) स्वतंत्र है यदि हर परिमित उपसमुच्चय J⊆IJ \subseteq I के लिए

P(⋂i∈JAi)=∏i∈JP(Ai).\P\Bigl(\bigcap_{i \in J} A_i\Bigr) = \prod_{i \in J} \P(A_i) .

उदाहरण

उदाहरण 21.21 (किसी गुणनफल संरचना से पढ़ी गई स्वतंत्रता)

दो निष्पक्ष पासे फेंकिए: एकसमान भारों के साथ Ω=[ ⁣[1, 6] ⁣]2\Omega = \intint16^2। मान लीजिए A=A = {} “पहला पासा सम” और B=B = {} “दूसरा पासा कम से कम 55” है। गिनने पर: ∣A∣=3⋅6=18\abs A = 3\cdot6 = 18, ∣B∣=6⋅2=12\abs B = 6\cdot2 = 12, ∣A∩B∣=3⋅2=6\abs{A\cap B} = 3\cdot2 = 6, अतः

P(A∩B)=636=1836⋅1236=P(A) P(B):\P(A\cap B) = \frac6{36} = \frac{18}{36}\cdot\frac{12}{36} = \P(A)\,\P(B) :

अर्थात् स्वतंत्र, और तंत्र दिख भी रहा है — AA केवल पहले निर्देशांक को बाँधता है, BB केवल दूसरे को, और किसी गुणनफल समुच्चय पर एकसमान माप निर्देशांक-गणनाओं को गुणित कर देता है। “असंयुक्त उछाल-समूहों पर निर्भर घटनाएँ स्वतंत्र हैं” प्रकार का हर दावा (जिसका सप्ताहांत समस्या में भारी उपयोग होता है) यही परिकलन है, बस अधिक सूचकांक पहने हुए।

उदाहरण 21.8 (संघ परिबंध: कच्चा, पर अटूट)

परिमित रूप से कई घटनाओं के साथ उप-योज्यता — अर्थात् संघ परिबंध — परिशुद्धता देकर सार्वभौमिकता ख़रीद लेती है। 2323 व्यक्तियों वाली जन्मदिन समस्या में टकराव की प्रायिकता को युग्मों पर योग से परिबद्ध करने पर सच्चे 0.5070.507 के सामने

P(टकराव)≤(232)⋅1365=253365≈0.693,\P(\text{टकराव}) \leq \binom{23}2\cdot\frac1{365} = \frac{253}{365} \approx 0.693 ,

मिलता है: काफ़ी दूर, क्योंकि टकराव आपस में अतिव्यापी होते हैं। फिर भी इस परिबंध को कोई स्वतंत्रता नहीं चाहिए, न कोई संयुक्त नियम, केवल युग्म-प्रायिकताएँ — और इसीलिए सप्ताहांत समस्या में तथा अध्याय 22 भर संघ परिबंध सबसे पहले निकाला जाने वाला औज़ार है: जब वह संयोग से छोटा निकल आए, तब बात बिना किसी और प्रतिरूपण के तय हो जाती है।

उदाहरण 21.15 (जन्मदिन का टकराव, शृंखला नियम से)

nn व्यक्तियों के जन्मदिन, जो स्वतंत्र हैं और 365365 दिनों पर एकसमान, लेकर मान लीजिए Dn=D_n = {} “nn जन्मदिन सब अलग-अलग हैं” है। व्यक्ति दर व्यक्ति प्रतिबंधन (शृंखला नियम):

P(Dn)=∏k=1n−1(1−k365),\P(D_n) = \prod_{k=1}^{n-1}\Bigl(1 - \frac{k}{365}\Bigr),

जहाँ हर नए व्यक्ति को पहले से लिए गए kk दिनों से बचना पड़ता है। n=23n = 23 के लिए: P(D23)≈0.493\P(D_{23}) \approx 0.493 — अर्थात् साझा जन्मदिन पहले ही न होने से अधिक संभावित है। 2323 के छोटेपन को समझाने वाला अंतर्ज्ञान: लघुगणक लेने पर −ln⁡P(Dn)≈∑k<nk365=(n2)365-\ln \P(D_n) \approx \sum_{k<n}\frac k{365} = \frac{\binom n2}{365}, और (232)=253\binom{23}2 = 253 253/365≈0.693≈ln⁡2253/365 \approx 0.693 \approx \ln 2 दे देता है। जो मायने रखता है वह युग्मों की संख्या है, जो वर्गिक रूप से बढ़ती है: टकराव की समस्याएँ मापक्रम n∼365n \sim \sqrt{365} पर जीती हैं, n∼365n \sim 365 पर नहीं — जन्मदिन का विरोधाभास भेस बदला हुआ वर्गमूल है।

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परिभाषा 22.4 विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 3 · अध्याय 22 — प्रायिकता: आधार और बृहत् संख्याओं का नियम

उप-σ\sigma-बीजगणित A1,…,An⊆A\mathcal A_1, \dots, \mathcal A_n \subseteq \mathcal A स्वतंत्र कहलाते हैं यदि सभी Ai∈AiA_i \in \mathcal A_i के लिए P(A1∩⋯∩An)=∏P(Ai)\P(A_1\cap\dots\cap A_n) = \prod\P(A_i) हो; घटनाएँ स्वतंत्र कहलाती हैं यदि σ\sigma-बीजगणित {∅,Ai,Aic,Ω}\{\varnothing, A_i, A_i^c, \Omega\} स्वतंत्र हों; और यादृच्छिक चर X1,…,XnX_1, \dots, X_n स्वतंत्र कहलाते हैं यदि σ\sigma-बीजगणित σ(Xi)=Xi−1(B(R))\sigma(X_i) = X_i^{-1}(\mathcal B(\R)) स्वतंत्र हों। कोई अनंत कुल स्वतंत्र कहलाता है यदि उसका प्रत्येक परिमित उपकुल स्वतंत्र हो।

उदाहरण

उदाहरण 22.7 (जन्मदिन समस्या, ईमानदारी से)

N=365N = 365 दिनों पर स्वतंत्र, एकसमान जन्मदिनों वाले nn व्यक्तियों में सभी जन्मदिनों के भिन्न होने की प्रायिकता पुनरावृत्त सप्रतिबंधन से

pn=∏k=1n−1(1−kN),p_n = \prod_{k=1}^{n-1}\Bigl(1 - \frac kN\Bigr),

है (अथवा सीधे: कुल NnN^n में से अनुकूल N(N−1)⋯(N−n+1)N(N-1)\cdots(N - n + 1), और स्वातंत्र्य का गुणनफल सूत्र इस गणना-तर्क को कठोर बना देता है)। लघुगणक लेकर और −ln⁡(1−x)=x+O(x2)-\ln(1 - x) = x + O(x^2) का उपयोग करके:

ln⁡pn=−n(n−1)2N+O(n3N2),अतःpn≈e−n2/2N.\ln p_n = -\frac{n(n-1)}{2N} + O\Bigl(\frac{n^3}{N^2}\Bigr), \qquad\text{अतः}\qquad p_n \approx \eu^{-n^2/2N} .

पलटाव बिंदु pn=12p_n = \frac12 n≈2Nln⁡2≈1.18Nn \approx \sqrt{2N\ln2} \approx 1.18\sqrt N पर बैठता है: N=365N = 365 के लिए n=23n = 23 (p23=0.4927p_{23} = 0.4927)। दो शिक्षाएँ। पहली, NN पेटियों में nn वस्तुओं के बीच टकराव n∼Nn \sim \sqrt N के मापक्रम पर प्रकट होते हैं, न कि n∼Nn \sim N पर — यही वह जन्मदिन मापन है जो हैश टकरावों को और कूटलेखन में जन्मदिन आक्रमणों की N\sqrt N लागत को नियंत्रित करता है। दूसरी, यह परिकलन एक प्रतिमान है: (n2)\binom n2 युग्म-टकराव घटनाएँ स्वतंत्र नहीं हैं, फिर भी उत्तर ऐसे व्यवहार करता है मानो वे स्वतंत्र हों (e−(n2)/N\eu^{-\binom n2/N} ठीक-ठीक स्वतंत्र-युग्मों वाली अनुमान-विधि है) — यह प्वासों आसन्नन का पहला उदाहरण है, जिसे अध्याय 23 की सप्ताहांत समस्या में कठोर बनाया गया है (ले काम असमिका)।

उदाहरण 22.14 (प्रबल नियम से क्या मिलता है)

(क) आवृत्तियाँ: स्वतंत्र सम-बंटित सिक्का-उछालों के लिए चित की प्रेक्षित आवृत्ति लगभग निश्चित रूप से pp की ओर अभिसरित होती है — अर्थात् स्वयं प्रायिकता का आनुभविक औचित्य। (ख) मोंते कार्लो: g∈L1([0, 1])g \in L^1(\intcc01) और स्वतंत्र सम-बंटित एकसमान (Un)(U_n) (प्रमेय 22.6) के लिए लगभग निश्चित रूप से 1n∑k≤ng(Uk)→∫01g\frac1n\sum_{k\leq n}g(U_k) \to \int_0^1g: अर्थात् प्रतिचयन से समाकल, किसी भी विमा में, अध्याय 23 में परिशुद्ध की गई विमा-निरपेक्ष दर ∼n−1/2\sim n^{-1/2} पर। (ग) सामान्य संख्याएँ: लगभग प्रत्येक वास्तविक संख्या के द्विआधारी प्रसार में एकों की अनंतस्पर्शी आवृत्ति 12\frac12 होती है (प्रमेय 22.6 के अंक चरों पर प्रबल नियम लगाइए) — यह बोरेल की प्रमेय है, जो रोज़मर्रा की संख्याओं के बारे में एक कथन है और माप से सिद्ध होता है: समस्या 22.1 उसे सभी आधारों में पूरा कर देता है।

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