포함배제의 원리 증명

Matt Lee·2020년 7월 20일
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기초 확률론

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이번 포스팅에서는 포함배제의 원리에 대해서 증명 해 보겠습니다.

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포함배제의 원리의 정의는 다음과 같습니다.

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

포함배제의 원리는 수학적 귀납법을 통해서 증명 할 수 있는데요. 이번 포스팅 에서는 n=2 인 base case 에 대해서 증명 해 보겠습니다.

Lemma 11

Claim: A(BA)=ABA \cup(B \setminus A) = A \cup B

A(BA)=A(BA)=(AB)(AA)=(AB)(AA)=(AB)()=(AB)U=AB        \begin{aligned} A \cup(B \setminus A) &= A \cup(B \cap A') \\ &= (A \cup B) \cap (A \cup A') \\ &= (A \cup B) \cap (A' \cap A)' \\ &= (A \cup B) \cap (\varnothing)' \\ &= (A \cup B) \cap \mathbb U \\ &= A \cup B \;\;\;\; \blacksquare \end{aligned}

Lemma 22

Claim: A(BA)=A \cap(B \setminus A) = \varnothing

A(BA)=A(BA)=(AB)(AA)=(AB)=        \begin{aligned} A \cap(B \setminus A) &= A \cap(B \cap A') \\ &= (A \cap B) \cap (A \cap A') \\ &= (A \cap B) \cap \varnothing \\ &= \varnothing \;\;\;\; \blacksquare \end{aligned}

Lemma 33

Claim: (AB)(BA)=B(A \cap B) \cup (B \setminus A) = B

(AB)(BA)=(AB)(BA)=B(AA)=B(AA)=B()=BU=B\begin{aligned} (A \cap B) \cup (B \setminus A) &= (A \cap B) \cup (B \cap A') \\ &= B \cap (A \cup A') \\ &= B \cap (A' \cap A)' \\ &= B \cap (\varnothing)' \\ &= B \cap \mathbb U \\ &= B \end{aligned}

Lemma 44

Claim: (AB)(BA)=(A \cap B) \cap (B \setminus A) = \varnothing

(AB)(BA)=(AB)(BA)=B(AA)=B=\begin{aligned} (A \cap B) \cap (B \setminus A) &= (A \cap B) \cap (B \cap A') \\ &= B \cap (A \cap A') \\ &= B \cap \varnothing \\ &= \varnothing \end{aligned}

Fact from Lemma 33 and Lemma 44

P(B)=P(AB)+P(BA)P(B)=P(A \cap B) + P(B-A)

P(BA)=P(B)P(AB)P(B-A)=P(B)-P(A \cap B)

증명

P(AB)=A(BA)=P(A)+P(BA)=P(A)+P(B)P(AB)        \begin{aligned} P(A \cup B) &= A \cup(B \setminus A) \\ &= P(A) + P(B \setminus A) \\ &= P(A) + P(B) - P(A \cap B) \;\;\;\; \blacksquare \end{aligned}

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미국에 서식 중인 응용 수학과 대학원생, 아직은 잉여지만 그래도 행복 :)

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