说明:译稿为序言部分。该书将由清华大学龚光鲁教授继续翻译新版。
本教材旨在介绍初等概率论与随机过程。对于想要了解如何使用概率论来研究各个学科中(比如工程学、计算机科学、管理科学、自然科学与社会科学、运筹学)种种现象的人士,本教材是特别合适的。
人们普遍认为,学习概率论有两种途径:一种途径是启发式的、不严格的,试图提高学生对概率这一学科的直观感受,使其“以概率的思维进行思考”;而另一种途径试图使用测度论的工具来严格研究概率。本教材使用第一种途径。然而,为了能够“以概率的思维进行思考”,对概率论的理解与应用这两者都是极为重要的,所以对于主要对第二种途径感兴趣的学生而言,本教材也会是有用的。
——本版的更新之处
第十一版包括了新的课文材料、例题与习题。某些重要的新添例题如下:
例3.6,推导了t随机变量的密度函数。
例3.32,分析了一场发球拉力赛,一轮的胜者在下一轮发球。
例5.19,考虑一条不允许超车的道路。
例6.22,使用可逆链分析了顺序排队系统。
例7.20,分析了乘客与公交车随机同时到达公交车站这一系统。
新添的小节包括:
4.4节,关于马尔可夫链的长期均衡与极限概率。
5.5节,关于随机密度函数与Hawkes过程。
6.7节,关于连续时间马尔可夫链的可逆链。
10.5节,分析了有漂移过程时布朗运动的最大变量。
本书同时尽可能简化与明晰了已有的材料。例题中包括了对发生在泊松分布区间上的非齐次泊松过程的结果的证明,同时介绍了Wald方程(定理7.2)并利用这一方程在后文中证明了基本更新定理。
——课程
理想情况下,本教材可以用于为时一年的概率模型课程。其他可行的课程是:为时一个学期的概率论入门课程(包括第1—3章与其他一部分章节),或者初等随机过程的课程。本教材的设计足够灵活,可以用于各种不同的课程。举例来说,我曾用第5章与第8章,以及第4章与第6章的少量内容,作为一门排队论入门课程的基本内容。
——例题与习题
全书演算了许多例题,还有要由学生来求解的大量习题。其中有100余道习题是加星号的,教材的末尾提供了这些加星习题的解答。这些加星的习题可以用于自主学习与准备考试。《教师手册》包含了所有习题的解答,采用本书上课的教师可以免费获得《教师手册》。
——组织结构
第1章给出了概率论的公理化框架,而第2章介绍了随机变量这一重要概念。2.6.1节简单推导了正态数据样本的样本均值与样本方差的联合分布。
第3章关注条件概率与条件期望这一主题。“取条件”是概率论的一个重要概念,全书都会强调这一概念。恰当地运用“取条件”,通常能够容易地求解出乍看起来非常难解的问题。本章的最后一节介绍了以下应用实例:(1)计算机列表问题,(2)随机图,以及(3) 波利亚坛子模型及其与玻色—爱因斯坦分布的关系。3.6.5节给出了k记录值与令人惊讶的Ignatov定理。
在第4章会接触到第一种随机过程——马尔可夫链。马尔可夫链广泛应用于对许多实际现象的研究。本章会给出马尔可夫链在遗传学与生育过程中的应用,并阐明了时间可逆的概念及其实用价值。4.5.3节以随机游走理论为基础,分析了可满足性问题的概率算法。4.6节处理了马尔可夫链在其暂态上的平均停留时间。4.9节介绍了马尔可夫链蒙特卡罗方法。最后一节考虑了最优决策模型,即马尔可夫决策过程。
第5章关注一类称为计数过程的随机过程。具体而言,本章研究了一种称为泊松过程的计数过程,讨论了泊松过程与指数分布之间的紧密联系,同时讨论了泊松过程的新的推广以及非时齐泊松过程。本章包括了与以下领域相关的例题:贪婪算法分析,公路相遇次数最小化,奖券收集,艾滋病病毒追踪;本章也包括了关于复合泊松过程的内容。5.2.4节简单推导了指数随机变量的卷积。
第6章考虑连续时间马尔可夫链,其中强调了生灭过程。时间可逆是一个有用的概念,这一点与研究离散时间马尔可夫链时相同。6.7节从计算的角度给出了均匀化这一重要方法。
第7章是关于更新理论的一章,关注一类比泊松过程更为一般的计数过程。利用更新报酬理论,会得到极限情形的结果,并将极限结果应用于各个领域。7.9节介绍了当观察一系列独立同分布的随机变量时,直至某种模式出现的时间所服从的分布。7.9.1节展示了,如何将更新理论应用于推导直至一个特定模式出现的时间长度的均值和方差,以及出现有限个数的特定模型的平均时间。7.9.2节假定随机变量有相同的机会取m个可能值中的任意一个,并计算了直至m个不同值都出现时平均时间的表达式。7.9.3节假定随机变量是连续的,并推导了出现m个连续递增值时平均时间的表达式。
第8章处理排队论,即等待线理论。本章先处理基本价格等式与各类极限概率,之后考虑了指数排队模型,并展示了如何分析这一模型。本章研究了包括在这种模型中的一类重要模型——排队网络,然后研究了允许某些分布函数为任意函数的模型。这种模型包括了8.6.3节,处理关于单条服务线的一般服务时间队列的最优化;也包括了8.8节,关注单条服务线一般服务时间的队列,其达到源是有限个潜在使用者。
第9章关注可靠性理论。工程学与运筹学的相关人士可能会对本章最感兴趣。9.6.1节阐明了部件可以不独立时平行系统期望寿命上界的确定方法;9.7.1节分析了串联结构的可靠性模型,在这种模型中,只要有一个部件失效,其他部件就会进入暂缓行为的状态。
第10章关注布朗运动及其应用。本章讨论了期权定价理论,同时给出了套利定理,并指出了套利定理与线性规划中对偶定理的关系。本章证明了如何通过套利定理得出布莱克—舒尔斯期权定价公式。
第11章处理统计模拟。统计模拟是一种强有力的工具,可以分析解析方法所难以解决的随机模型。本章讨论了生成任意分布随机变量值的方法,这就是方差缩减方法,可以增加统计模型的效率。11.6.4节介绍了重要抽样这一极富价值的统计模拟方法,并指明了将重要抽样这一方法应用于倾斜分布时的实用价值。