布爾不等式

布爾不等式（英語：Boole's inequality），由喬治·布爾提出，指對於全部事件的概率不大於單個事件的概率總和。

對於事件A₁、A₂、A₃、......：

$P(\bigcup _{i}A_{i})\leq \sum _{i}P(A_{i})$

在測度論上，布爾不等式滿足σ次可加性。

證明

布爾不等式可以用數學歸納法證明。

對於1個事件：

$P(A_{1})\leq P(A_{1})$

對於n個事件：

$P(\bigcup _{i=_{1}}^{n}A_{i})\leq \sum _{i=_{1}}^{n}P(A_{i})$

$P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)$

$P(\bigcup _{i=_{1}}^{n+1}A_{i})=P(\bigcup _{i=_{1}}^{n}A_{i})+P(A_{n+1})-P(\bigcup _{i=_{1}}^{n}A_{i}\cap A_{n+1})$

$P(\bigcup _{i=_{1}}^{n}A_{i}\cap A_{n+1})\geq 0,$

$P(\bigcup _{i=_{1}}^{n+1}A_{i})\leq P(\bigcup _{i=_{1}}^{n}A_{i})+P(A_{n+1})$

$P(\bigcup _{i=_{1}}^{n+1}A_{i})\leq \sum _{i=_{1}}^{n}P(A_{i})+P(A_{n+1})=\sum _{i=_{1}}^{n+1}P(A_{i})$.

使用馬可夫不等式的證明

令$A_{1},A_{2},\cdots ,A_{n}$是任意概率事件。$X$是各種事件$A_{i}$的發生次數的隨機變量。顯然有：

$E(X)=P(A_{1})+P(A_{2})+\cdots +P(A_{n})=\sum _{i=1}^{n}P(A_{i})$

因為$X$是非負隨機變量，應用馬爾可夫不等式，取$a=1$，有：

$P(X\geqslant 1)\leqslant E(X)=\sum _{i=1}^{n}P(A_{i})$

注意到$P(X\geqslant 1)=P(\bigcup _{i=_{1}}^{n}A_{i})$

Bonferroni不等式

布爾不等式可以推導出事件併集的上界和下界，其關係稱為Bonferroni不等式 。

定義：

$S_{1}=\sum _{i=1}^{n}P(A_{i}),$

$S_{2}=\sum _{1\leq i<j\leq n}P(A_{i}\cap A_{j}),$

$S_{k}=\sum _{1\leq i_{1}<\cdots <i_{k}\leq n}P(A_{i_{1}}\cap \cdots \cap A_{i_{k}})$

對於奇數k：

$P(\bigcup _{i=1}^{n}A_{i})\leq \sum _{j=1}^{k}(-1)^{j-1}S_{j}$

對於偶數k：

$P(\bigcup _{i=1}^{n}A_{i})\geq \sum _{j=1}^{k}(-1)^{j-1}S_{j}$

參見

• 容斥原理

參考資料

• Bonferroni, Carlo E., Teoria statistica delle classi e calcolo delle probabilità, Pubbl. d. R. Ist. Super. di Sci. Econom. e Commerciali di Firenze, 1936, 8: 1–62, Zbl 0016.41103 （意大利語） 
• Dohmen, Klaus, Improved Bonferroni Inequalities via Abstract Tubes. Inequalities and Identities of Inclusion–Exclusion Type, Lecture Notes in Mathematics 1826, Berlin: Springer-Verlag: viii+113, 2003, ISBN 3-540-20025-8, MR 2019293, Zbl 1026.05009 
• Galambos, János; Simonelli, Italo, Bonferroni-Type Inequalities with Applications, Probability and Its Applications, New York: Springer-Verlag: x+269, 1996, ISBN 0-387-94776-0, MR 1402242, Zbl 0869.60014 
• Galambos, János, Bonferroni inequalities, Annals of Probability, 1977, 5 (4): 577–581 [2014-01-12], JSTOR 2243081, MR 0448478, Zbl 0369.60018, doi:10.1214/aop/1176995765, （原始內容存檔於2020-07-25）