Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Some Basic Definitions"

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|Untermenü=Wahrscheinlichkeitsrechnung
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|Untermenü=Probability Calculation
 
|Nächste Seite=Mengentheoretische Grundlagen
 
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Dieses erste Kapitel bringt eine kurze Zusammenfassung der ''Wahrscheinlichkeitsrechnung'', die sicher viele von Ihnen bereits aus der Schulzeit kennen und die eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der nachfolgenden Kapitel darstellt. Wir beginnen mit einigen grundlegenden Definitionen.
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== # OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER # ==
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This first chapter brings a brief summary of&nbsp; &raquo;'''probability calculation'''&laquo;,&nbsp; which surely many of you already know from your school days and which is an important prerequisite for understanding the chapters that follow.
  
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This chapter includes
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# some&nbsp; &raquo;definitions&laquo;&nbsp; such as&nbsp; &raquo;random experiment&laquo;&nbsp;,&nbsp; &raquo;outcome&laquo;&nbsp;,&nbsp; &raquo; event&laquo;&nbsp;, and&nbsp; &raquo;probability&laquo;&nbsp;,
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# the&nbsp; &raquo;set-theoretical basics&laquo;&nbsp; relevant for probability theory,
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# the clarification of&nbsp; &raquo;statistical dependence&laquo;&nbsp; and&nbsp; &raquo;statistical independence&laquo;,
 +
# the mathematical treatment of statistical dependence by&nbsp; &raquo;Markov chains&laquo;.
  
==Experiment und Ergebnis==
 
Ausgangspunkt einer jeden statistischen Untersuchung ist ein '''Zufallsexperiment'''. Darunter versteht man
 
*einen unter stets gleichen Bedingungen beliebig oft wiederholbaren Versuch mit ungewissem '''Ergebnis''' $E$,
 
*bei dem jedoch die Menge  $ \{E_μ \}$ der möglichen Ergebnisse angebbar ist.
 
  
{{Definition}}
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==Experiment and outcome==
Die Anzahl der möglichen Ergebnisse bezeichnet man als den '''Ergebnisumfang''' $M$. Dann gilt:
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<br>
$$E_\mu \in G = \{E_\mu\}=  \{E_1, \hspace{0.1cm}... \hspace{0.1cm}, E_M \} .$$
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The starting point of any statistical investigation is a&nbsp; &raquo;'''random experiment'''&laquo;.&nbsp; By this,&nbsp; one understands
Die Laufvariable $μ$ kann alle ganzzahligen Werte zwischen $1$ und $M$ annehmen. $G$ nennt man den Ereignisraum oder die '''Grundmenge'''.
+
*an experiment that can be repeated as often as desired under the same conditions with an uncertain&nbsp; &raquo;'''outcome'''&laquo;&nbsp; &nbsp;$($German:&nbsp; "$\rm E\hspace{0.02cm}$rgebnis"$)$&nbsp; $E$,
{{end}}
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*in which,&nbsp; however,&nbsp; the quantity&nbsp; $ \{E_μ \}$&nbsp; of the possible outcomes is specifiable.
  
  
{{Beispiel}}
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{{BlaueBox|TEXT= 
Beim Experiment &bdquo;Münzwurf&rdquo; gibt es nur zwei mögliche Ergebnisse, nämlich &bdquo;Zahl&rdquo; und &bdquo;Bild&rdquo;  &nbsp; ⇒  &nbsp; $M = 2$. Dagegen sind beim Zufallsexperiment &bdquo;Werfen einer Roulettekugel&rdquo; insgesamt $M = 37$ verschiedene Ergebnisse möglich, und es gilt in diesem Fall für die Grundmenge:
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$\text{Definition:}$&nbsp; The number of possible outcomes is called the&nbsp; &raquo;'''outcome set size'''&laquo;&nbsp; $M$.&nbsp; Then holds:
$$G = \{E_\mu\} = \{0, 1, 2, ... , 36\}.$$
+
:$$E_\mu \in G = \{E_\mu\}= \{E_1, \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}, E_M \} .$$
{{end}}
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#The variable&nbsp; $μ$&nbsp; can take all integer values between&nbsp; $1$&nbsp; and&nbsp; $M$.&nbsp; 
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#$G = \{E_\mu\}$&nbsp; is called the event space or the&nbsp; &raquo;'''universal set'''&laquo;&nbsp; $($German:&nbsp; "Grundmenge" &nbsp; &rArr; &nbsp; letter:&nbsp; "G"$)$&nbsp; with&nbsp; $M$&nbsp; possible outcomes.}}
  
==Klassische Definition der Wahrscheinlichkeit==
 
Wir setzen zunächst voraus, dass jeder Versuch genau ein einziges Ergebnis aus $G$ zur Folge hat und dass jedes dieser $M$ Ergebnisse in gleicher Weise (ohne Bevorzugung oder Benachteiligung) möglich ist.
 
  
{{Definition}}
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{{GraueBox|TEXT= 
Mit dieser Annahme gilt für die '''Wahrscheinlichkeit''' (englisch: ''Probability'') eines jeden Ergebnisses $E_μ$ gleichermaßen:
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
$$\Pr (E_\mu) = 1/{M}.$$
+
*In the experiment&nbsp; &raquo;coin toss&laquo;&nbsp; there are only two possible outcomes,&nbsp; namely&nbsp; &raquo;heads&laquo;&nbsp; and&nbsp; &raquo;tails&laquo;  &nbsp; ⇒  &nbsp; $M = 2$.&nbsp; 
{{end}}
 
  
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*In contrast,&nbsp; in the random experiment&nbsp; &raquo;throwing a roulette ball&laquo;&nbsp; a total of&nbsp; $M = 37$&nbsp; different outcomes are possible,&nbsp; and it holds for the universal set in this case:
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:$$G = \{E_\mu\} = \{0, 1, 2, \text{...} \hspace{0.1cm} , 36\}.$$}}
  
Dies ist die ''klassische Definition der Wahrscheinlichkeit''. ${\rm Pr}( ... )$ steht  für ''Probability'' und ist als eine mathematische Funktion zu verstehen.
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==Classical definition of probability==
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<br>
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We assume that each trial results in exactly one outcome from&nbsp; $G$&nbsp; and that each of these&nbsp; $M$&nbsp; outcomes is possible in the same way&nbsp; $($without preference or disadvantage$)$.
  
{{Beispiel}}
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Beim Zufallsexperiment &bdquo;Münzwurf&rdquo; gilt für die Wahrscheinlichkeiten der beiden möglichen Ergebnisse: ${\rm Pr}(Zahl)={\rm Pr}(Bild)=1/2$. Dies setzt voraus, dass jeder Versuch entweder mit &bdquo;Zahl&rdquo; oder mit &bdquo;Bild&rdquo; ausgeht und dass nicht bei einem Versuch die Münze auf ihrem Rand zu stehen kommen kann.
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$\text{Definition:}$&nbsp; With this assumption,&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''probability'''&laquo;&nbsp; of each outcome&nbsp; $E_μ$&nbsp; is equally:
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:$$\Pr (E_\mu) = 1/{M}.$$}}
  
Auch beim Versuch &bdquo;Werfen einer Roulettekugel&rdquo; sind die Wahrscheinlichkeiten $Pr( E_μ) = 1/37$ nur dann für alle Zahlen von $0$ bis $3$6 gleich, wenn der Roulettetisch nicht manipuliert wurde.
 
{{end}}
 
  
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This is the&nbsp; &raquo;classical definition of probability&laquo;.&nbsp; ${\rm Pr}(\text{...} )$&nbsp; stands also for&nbsp; &raquo;probability&laquo;&nbsp; and is to be understood as a mathematical function.
  
''Anmerkung:'' Die Wahrscheinlichkeitsrechnung – und die darauf aufbauende Statistik – kann nur dann fundierte Aussagen liefern, wenn alle implizit vereinbarten Voraussetzungen tatsächlich erfüllt sind. Diese Bedingungen zu überprüfen ist nicht Aufgabe der Statistik, sondern von denjenigen, die diese nutzen. Da gegen diese Grundregel oft verstoßen wird, hat die Statistik in der Gesellschaft einen viel schlechteren Ruf, als es ihr eigentlich zustehen würde.
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 2:}$&nbsp;
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In the random experiment&nbsp; &raquo;coin toss&laquo;,&nbsp; the probabilities of the two possible outcomes are
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:$$\rm Pr(heads)=Pr(tails)=1/2.$$
  
==Ereignis und Ereignismenge==
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*This assumes that each attempt ends either with&nbsp; &raquo;heads&laquo;&nbsp; or with&nbsp; &raquo;tails&raquo;&nbsp; and that the coin cannot come to rest on its edge during an attempt.
Unter einem '''Ereignis''' $A_i$ verstehen wir eine Menge bzw. die Zusammenfassung von Ergebnissen.
 
*Die Menge aller Ereignisse bezeichnen wir als die '''Ereignismenge''' $\{A_i \}$.
 
*Da die Anzahl $I$ der möglichen Ereignisse $\{A_i \}$ im Allgemeinen nicht mit der Anzahl $M$ der möglichen Ergebnisse – also der Elemente von $G = \{ E_μ \}$ – übereinstimmt, werden hier unterschiedliche Indizes gewählt.
 
  
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*In the experiment&nbsp; &raquo;throwing a roulette ball&laquo;&nbsp; the probabilities&nbsp; ${\rm Pr}( E_μ) = 1/37$&nbsp; are equal for all numbers from&nbsp; $0$&nbsp; to&nbsp; $36$&nbsp; <br>only if the roulette table has not been manipulated.}}
  
{{Definition}}
 
Setzt sich ein Ereignis $A_i$ aus $K$ (elementaren) Ergebnissen zusammen, so wird die '''Ereigniswahrscheinlichkeit''' wie folgt definiert:
 
$${\rm Pr} (A_i) = \frac{K}{M} = \frac{\rm Anzahl\hspace{0.1cm}der\hspace{0.1cm}g\ddot{u}nstigen\hspace{0.1cm}Ergebnisse}{\rm Anzahl\hspace{0.1cm}der\hspace{0.1cm}m\ddot{o}glichen\hspace{0.1cm}Ergebnisse}.$$
 
{{end}}
 
  
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Note: &nbsp; '''Probability theory – and the statistics based on it – can only provide well-founded statements if all implicitly agreed conditions are actually fulfilled'''.&nbsp;
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*Checking these conditions is not the task of statistics,&nbsp; but of those who use them.&nbsp;
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*Since this basic rule is often violated,&nbsp; statistics has a much worse reputation in society than it actually deserves.
  
Diese Gleichung nennt man die Wahrscheinlichkeitsdefinition nach [https://de.wikipedia.org/wiki/Pierre-Simon_Laplace Laplace]. 
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==Event and event probability==
*Als &bdquo;günstige Ergebnisse&rdquo; werden dabei solche Ergebnisse bezeichnet, die zum zusammengesetzten Ereignis $A_i$ gehören.
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<br>
*Aus dieser Definition geht bereits hervor, dass eine Wahrscheinlichkeit stets zwischen $0$ und $1$ liegen muss (einschließlich dieser beiden Grenzen).
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{{BlaueBox|TEXT=  
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$\text{Definitions:}$&nbsp;
  
 +
'''(1)''' &nbsp; By an&nbsp; &raquo;'''event'''&laquo;&nbsp; we mean a set or summary of outcomes.&nbsp; We refer to the set of all events as the &nbsp; &raquo;'''event set'''&laquo;&nbsp; $\{A_i \}$.
  
{{Beispiel}}
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::Since the number&nbsp; $I$&nbsp; of possible events&nbsp; $\{A_i \}$&nbsp; is generally not the same as the number&nbsp; $M$&nbsp; of possible outcomes  &nbsp; &rArr; &nbsp;  the elements of&nbsp; $G = \{ E_μ \}$,&nbsp; <br>different indices are chosen here.
Wir betrachten wieder das Experiment &bdquo;Werfen eines Würfels&rdquo;. Die möglichen Ergebnisse sind $E_μ ∈ G =$ {1, 2, 3, 4, 5, 6}. Definieren wir nun zwei Ereignisse $(I = 2)$, nämlich
 
* $A_1 =$ [die Augenzahl ist geradzahlig] = {2, 4, 6}, und 
 
* $A_2 =$ [die Augenzahl ist ungeradzahlig] = {1, 3, 5},  
 
  
so ist die Ereignismenge  $\{A_1, A_2\}$ gleich der Grundmenge $G$. Die Ereignisse $A_1$ und $A_2$ stellen für dieses Beispiel ein so genanntes [[Stochastische_Signaltheorie/Mengentheoretische_Grundlagen#Vollst.C3.A4ndiges_System|vollständiges System]]  dar.  
+
'''(2)''' &nbsp;If an event&nbsp; $A_i$&nbsp; is composed of&nbsp; $K$&nbsp; $($elementary$)$&nbsp; outcomes,&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''event probability'''&laquo;&nbsp; is defined as follows:
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:$${\rm Pr} (A_i) = \frac{K}{M} = \frac{\rm Number\hspace{0.1cm}of\hspace{0.1cm}favorable\hspace{0.1cm}outcomes}{\rm Number\hspace{0.1cm}of\hspace{0.1cm}possible\hspace{0.1cm}outcomes}.$$}}
  
Dagegen ist die weitere Ereignismenge  $\{A_3, A_4\}$ ungleich der Grundmenge $G$, wenn man die beiden Einzelereignisse wie folgt definiert:
 
* $A_3 =$ [die Augenzahl ist kleiner als 3] = {1, 2},
 
* $A_4 =$ [die Augenzahl ist größer als 3] = {4, 5, 6}.
 
  
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This equation is called the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Pierre-Simon_Laplace &raquo;'''Laplace probability definition'''&laquo;]. 
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*Here,&nbsp; &raquo;favorable outcomes&laquo;&nbsp; are those outcomes that belong to the composite event&nbsp; $A_i$.
  
Hier beinhaltet die Ereignismenge $\{A_3, A_4\} nicht das Element „3”. Die Wahrscheinlichkeiten der obigen Ereignisse sind
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*From this definition it is already clear that a probability must always lie between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $1$&nbsp;&nbsp; $($including these two limits$)$.  
${\rm Pr}( A_1) ={\rm Pr}(A_2) = {\rm Pr}(A_4) = 1/2$ und ${\rm Pr}( A_3) = 1/3$.
 
{{end}}
 
  
Die Thematik dieses ersten Kapitels  wird in dem Lernvideo [[Klassische Definition der Wahrscheinlichkeit]] anhand einfacher Beispiele behandelt:
 
  
==Aufgaben zum Kapitel==
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{{GraueBox|TEXT=
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$\text{Example 3:}$&nbsp;
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We now consider the experiment&nbsp; &raquo;throwing a die&laquo;.&nbsp; The possible outcomes&nbsp; $($number of points$)$&nbsp; are thus&nbsp;  $E_μ ∈ G = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$.
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Let us now define two events&nbsp; $(I = 2)$, viz.
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* $A_1 = \big[$the outcome is even$\big] = \{2, 4, 6\}$,&nbsp; and
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* $A_2 = \big[$the outcome is odd$\big] = \{1, 3, 5\}$,
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then the event set&nbsp;  $\{A_1, A_2\}$&nbsp; is equal to the universe&nbsp; $G$.&nbsp; For this example,&nbsp; the events&nbsp; $A_1$&nbsp; and&nbsp; $A_2$&nbsp; represent a so-called&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Set_Theory_Basics#Complete_system|&raquo;complete system&laquo;]].
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On the other hand,&nbsp; the further event set&nbsp;  $\{A_3, A_4\}$&nbsp; is not equal to the universe&nbsp; $G$,&nbsp; if we define the single events as follows:
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* $A_3 = \big[$the outcome is smaller than&nbsp; 3$\big] = \{1, 2\}$,
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* $A_4 =\big[$the outcome is bigger than&nbsp; 3$\big] = \{4, 5, 6\}$.
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Here,&nbsp; the event set&nbsp; $\{A_3, A_4\}$&nbsp; does not include the element&nbsp; $3$.&nbsp; The probabilities of the events defined here are&nbsp;
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:$${\rm Pr}( A_3) = 1/3,\ {\rm Pr}( A_1) ={\rm Pr}(A_2) = {\rm Pr}(A_4) = 1/2.$$}}
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&rArr; &nbsp; The topic of this chapter is illustrated with examples in the&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video&nbsp;<br> &nbsp; &nbsp;  &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; [[Klassische_Definition_der_Wahrscheinlickeit_(Lernvideo)|&raquo;Klassische Definition der Wahrscheinlickeit&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;Classical definition of probability&laquo;.
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 +
 
 +
==Exercises for the chapter==
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<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_1.1:_A_Special_Dice_Game|Exercise 1.1: A Special Dice Game]]
 +
 
 +
[[Aufgaben:Exercise_1.1Z:_Sum_of_Two_Ternary_Signals|Exercise 1.1Z: Sum of Two Ternary Signals]]
 +
 
  
 
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Latest revision as of 17:47, 30 November 2023

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# OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER #


This first chapter brings a brief summary of  »probability calculation«,  which surely many of you already know from your school days and which is an important prerequisite for understanding the chapters that follow.

This chapter includes

  1. some  »definitions«  such as  »random experiment« ,  »outcome« ,  » event« , and  »probability« ,
  2. the  »set-theoretical basics«  relevant for probability theory,
  3. the clarification of  »statistical dependence«  and  »statistical independence«,
  4. the mathematical treatment of statistical dependence by  »Markov chains«.


Experiment and outcome


The starting point of any statistical investigation is a  »random experiment«.  By this,  one understands

  • an experiment that can be repeated as often as desired under the same conditions with an uncertain  »outcome«   $($German:  "$\rm E\hspace{0.02cm}$rgebnis"$)$  $E$,
  • in which,  however,  the quantity  $ \{E_μ \}$  of the possible outcomes is specifiable.


$\text{Definition:}$  The number of possible outcomes is called the  »outcome set size«  $M$.  Then holds:

$$E_\mu \in G = \{E_\mu\}= \{E_1, \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}, E_M \} .$$
  1. The variable  $μ$  can take all integer values between  $1$  and  $M$. 
  2. $G = \{E_\mu\}$  is called the event space or the  »universal set«  $($German:  "Grundmenge"   ⇒   letter:  "G"$)$  with  $M$  possible outcomes.


$\text{Example 1:}$ 

  • In the experiment  »coin toss«  there are only two possible outcomes,  namely  »heads«  and  »tails«   ⇒   $M = 2$. 
  • In contrast,  in the random experiment  »throwing a roulette ball«  a total of  $M = 37$  different outcomes are possible,  and it holds for the universal set in this case:
$$G = \{E_\mu\} = \{0, 1, 2, \text{...} \hspace{0.1cm} , 36\}.$$

Classical definition of probability


We assume that each trial results in exactly one outcome from  $G$  and that each of these  $M$  outcomes is possible in the same way  $($without preference or disadvantage$)$.

$\text{Definition:}$  With this assumption,  the  »probability«  of each outcome  $E_μ$  is equally:

$$\Pr (E_\mu) = 1/{M}.$$


This is the  »classical definition of probability«.  ${\rm Pr}(\text{...} )$  stands also for  »probability«  and is to be understood as a mathematical function.

$\text{Example 2:}$  In the random experiment  »coin toss«,  the probabilities of the two possible outcomes are

$$\rm Pr(heads)=Pr(tails)=1/2.$$
  • This assumes that each attempt ends either with  »heads«  or with  »tails»  and that the coin cannot come to rest on its edge during an attempt.
  • In the experiment  »throwing a roulette ball«  the probabilities  ${\rm Pr}( E_μ) = 1/37$  are equal for all numbers from  $0$  to  $36$ 
    only if the roulette table has not been manipulated.


Note:   Probability theory – and the statistics based on it – can only provide well-founded statements if all implicitly agreed conditions are actually fulfilled

  • Checking these conditions is not the task of statistics,  but of those who use them. 
  • Since this basic rule is often violated,  statistics has a much worse reputation in society than it actually deserves.

Event and event probability


$\text{Definitions:}$ 

(1)   By an  »event«  we mean a set or summary of outcomes.  We refer to the set of all events as the   »event set«  $\{A_i \}$.

Since the number  $I$  of possible events  $\{A_i \}$  is generally not the same as the number  $M$  of possible outcomes   ⇒   the elements of  $G = \{ E_μ \}$, 
different indices are chosen here.

(2)  If an event  $A_i$  is composed of  $K$  $($elementary$)$  outcomes,  the  »event probability«  is defined as follows:

$${\rm Pr} (A_i) = \frac{K}{M} = \frac{\rm Number\hspace{0.1cm}of\hspace{0.1cm}favorable\hspace{0.1cm}outcomes}{\rm Number\hspace{0.1cm}of\hspace{0.1cm}possible\hspace{0.1cm}outcomes}.$$


This equation is called the  »Laplace probability definition«.

  • Here,  »favorable outcomes«  are those outcomes that belong to the composite event  $A_i$.
  • From this definition it is already clear that a probability must always lie between  $0$  and  $1$   $($including these two limits$)$.


$\text{Example 3:}$  We now consider the experiment  »throwing a die«.  The possible outcomes  $($number of points$)$  are thus  $E_μ ∈ G = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$.

Let us now define two events  $(I = 2)$, viz.

  • $A_1 = \big[$the outcome is even$\big] = \{2, 4, 6\}$,  and
  • $A_2 = \big[$the outcome is odd$\big] = \{1, 3, 5\}$,


then the event set  $\{A_1, A_2\}$  is equal to the universe  $G$.  For this example,  the events  $A_1$  and  $A_2$  represent a so-called  »complete system«.

On the other hand,  the further event set  $\{A_3, A_4\}$  is not equal to the universe  $G$,  if we define the single events as follows:

  • $A_3 = \big[$the outcome is smaller than  3$\big] = \{1, 2\}$,
  • $A_4 =\big[$the outcome is bigger than  3$\big] = \{4, 5, 6\}$.


Here,  the event set  $\{A_3, A_4\}$  does not include the element  $3$.  The probabilities of the events defined here are 

$${\rm Pr}( A_3) = 1/3,\ {\rm Pr}( A_1) ={\rm Pr}(A_2) = {\rm Pr}(A_4) = 1/2.$$


⇒   The topic of this chapter is illustrated with examples in the  $($German language$)$  learning video 
            »Klassische Definition der Wahrscheinlickeit«   ⇒   »Classical definition of probability«.


Exercises for the chapter


Exercise 1.1: A Special Dice Game

Exercise 1.1Z: Sum of Two Ternary Signals