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研究生核心课程自学与复习系统 · 2026 秋季学期重构完善版

三门课程学习总导航 & 本科数学遗忘急救工具箱

一站式统筹《算法设计与分析》《随机过程及应用(已更新至第 9、10 次课课件 20)》《随机过程与排队论》。针对本科高数、线代、概率论与离散数学遗忘痛点,提供零基础直觉搭桥、公式严谨适用条件与分步例题推导。

01 · 三门课程模块总控台(点击直达任意模块或目录)

每门课均采用统一的「本科遗忘急救 + 课件逐页精讲 + 课堂练习/作业全解 + 考前自测」结构,点击下方模块标签可直接进入对应笔记:

01 / ALGORITHMS · 深绿主题

算法设计与分析

涵盖算法复杂度、分治(主定理/快速排序/平面最近点对)、动态规划五步法、贪心交换论证、回溯与分支限界、NP 完全性归约、网络流与近似算法。

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02 / STOCHASTIC PROCESSES · 深蓝青主题(已更新第9、10次课)

随机过程及应用

完整覆盖课件 00–20:概率空间、R-S 积分、条件期望、特征函数、过程数字特征、宽/严平稳、独立增量性质 1.3.1/1.3.2、正态过程与维纳过程(第 9–10 次课新增)及第 1–2 章全套作业/课堂练习。

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03 / QUEUEING THEORY · 靛紫主题

随机过程与排队论

覆盖第 1–6 讲及排队论扩展:概率基础、泊松过程三大定义与到达时间分布、离散时间马氏链(C-K/状态分类/平稳分布)、连续时间马氏链(Q 矩阵/柯氏微分方程)与 M/M/1、M/M/c 排队模型速查。

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02 · 本科知识遗忘后的高效自学路线 & 两门随机课记号防混指南

路线 ① · 两门随机课如何协同自学?(省时 40%)

《随机过程及应用》与《随机过程与排队论》前半学期有 70% 的内容高度互补:

  1. 先看本页下方《数学基础工具箱》:花 30 分钟把分部积分、等比级数、矩阵乘法、欧拉公式和全期望公式捡回来;
  2. 概率与特征函数:先读《应用》模块 1–3,配合《排队论》模块 1 的例题练手;
  3. 过程概念、平稳性与正态/维纳/泊松过程:《应用》模块 4–6 讲透了宽/严平稳、独立增量性质 1.3.1/1.3.2、正态过程与维纳过程;《排队论》模块 2 则把泊松过程讲得最细,两相对照效果极佳;
  4. 马氏链与排队模型:《排队论》模块 3–4 已把离散/连续时间马氏链讲完,可直接作为《应用》第五章的先修!
路线 ② · 切勿混淆两门随机课的 3 处记号约定!

两门课选用不同教材,做哪门课的作业/考试就严格用哪门课的记号:

  • 分布函数左右连续性:《随机过程及应用》定义 \(F(x)=P\{X\le x\}\)(右连续);《随机过程与排队论》定义 \(F(x)=P\{X < x\}\)(左连续)。
  • 虚数单位:《应用》课特征函数用工程习惯 \(j=\sqrt{-1}\)(\(\varphi(t)=E[e^{jtX}]\));《排队论》课用数学习惯 \(i=\sqrt{-1}\)。
  • 平稳分布与公式成立前提:\(F'(x)=f(x)\) 仅对绝对连续分布成立;特征函数求导拿矩 \(\varphi^{(k)}(0)=j^k E[X^k]\) 需 \(E[|X|^k]<\infty\);\(\boldsymbol\pi P=\boldsymbol\pi\) 是平稳分布方程,遍历收敛还需不可约 + 非周期 + 正常返。

数学基础工具箱 · 按需查阅

怎么用这个工具箱 不需要从头读到尾。做题卡在哪一步,就翻对应小节:求导卡住→第 1 节;"这个积分不会算"→第 2 节;"级数求和"→第 3 节;马氏链的 P² 不会算→第 5 节;特征函数里的 e^{iut} 发怵→第 6 节。每个知识点都是"三分钟规则 + 一道例 + 一条易错"的粒度,目标不是变数学家,是让随机过程课的每一步推导都能跟上。
============ 一、求导 ============

一 · 求导:从零捡回来

导数是什么(10 秒版) 导数 = 瞬时变化率。几何上:函数图像在某点的斜率。记号全家福(全都一个意思):\(f'(x)\)、\(\dfrac{\mathrm df}{\mathrm dx}\)、\(\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx}f(x)\)。随机过程课里最常见的用法:知道分布函数 \(F(x)\),求密度 \(f(x)=F'(x)\);知道特征函数 \(\varphi\),求导代 0 拿期望。

1.1 基本求导表(背下来,像背乘法口诀)

函数导数例子
\(x^n\)\(nx^{n-1}\)(幂函数:指数掉下来、减一)\((x^3)'=3x^2\);\((\sqrt x)'=(x^{1/2})'=\tfrac12x^{-1/2}=\dfrac{1}{2\sqrt x}\)
\(C\)(常数)\(0\)\((5)'=0\);\((\pi)'=0\)——常数没有"变化"
\(e^x\)\(e^x\)(自己求导还是自己,唯一的一个)\((3e^x)'=3e^x\)
\(a^x\)\(a^x\ln a\)\((2^x)'=2^x\ln2\)
\(\ln x\)\(\dfrac1x\)\((\ln 3x)'=\dfrac1x\)(\(\ln3x=\ln3+\ln x\),常数求导消失)
\(\sin x\)\(\cos x\)三角对随机相位正弦波求均值时用
\(\cos x\)\(-\sin x\)

1.2 四则法则

法则 \((u\pm v)'=u'\pm v'\);\((cu)'=cu'\);乘:\((uv)'=u'v+uv'\);除:\(\left(\dfrac uv\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2}\)。
例 1.1
\((x^2e^x)'=(x^2)'e^x+x^2(e^x)'=2xe^x+x^2e^x=(x^2+2x)e^x\)。
\(\left(\dfrac{x}{x+1}\right)'=\dfrac{1\cdot(x+1)-x\cdot1}{(x+1)^2}=\dfrac{1}{(x+1)^2}\)。
最容易错 \((uv)'\neq u'v'\)!乘法是"交叉求导再相加"。随机过程里 \(X_0+Vt\) 型表达式对 t 求导时,X₀ 和 V 是常数(它们不随 t 变),所以 \((X_0+Vt)'=V\)——把随机变量当变量求导是新手第一大坑。

1.3 链式法则(复合函数:最重要,没有之一)

链式法则 外层函数套内层函数:\(\big(f(g(x))\big)'=f'(g(x))\cdot g'(x)\)。口诀:"外层导 × 内层导",由外向内层层剥。
例 1.2(概率课高频三连)
① \(e^{-x^2/2}\):外层 \(e^{(\square)}\),内层 \(-x^2/2\),导数 \(-x\) ⟹ 导数 \(=e^{-x^2/2}\cdot(-x)\)。
② \(e^{-\lambda x}\):⟹ \(-\lambda e^{-\lambda x}\)。
③ \(\ln(x^2+1)\):外层 ln,内层 \(2x\) ⟹ \(\dfrac{2x}{x^2+1}\)。
④ 特征函数场景:\(\big(e^{\lambda(e^{iu}-1)}\big)'\):剥两层,先外层 \(e^{(\square)}\) 保留并乘内层导 \(\lambda i e^{iu}\),得 \(\lambda i e^{iu}e^{\lambda(e^{iu}-1)}\)(泊松特征函数求导,矩公式第一步)。
自测(答案反白选中可见 / 或动手算再看)
① \((x^5)'\) ② \((xe^{2x})'\) ③ \(\big(e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}\big)'\)
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 答案)

破题切入点:① \(5x^4\);② 链式+乘法:\(e^{2x}+2xe^{2x}=(1+2x)e^{2x}\);(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(答案)
① \(5x^4\);② 链式+乘法:\(e^{2x}+2xe^{2x}=(1+2x)e^{2x}\);③ 外层导 \(e^{(\square)}\) 乘内层导 \(-\dfrac{x-\mu}{\sigma^2}\),即 \(-\dfrac{x-\mu}{\sigma^2}e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}\)(正态密度求导,⚠ 全程是 0 号易错)。
============ 二、积分 ============

二 · 积分:与求导互为逆操作

积分是什么(10 秒版) 定积分 \(\int_a^b f(x)\,\mathrm dx\) = 曲线下从 a 到 b 的面积(更准确:连续版的"求和")。概率里它无处不在:密度积 1(归一化)、期望 \(E(X)=\int xf(x)\mathrm dx\)、区间概率 \(P\{a<X\le b\}=\int_a^b f\)。牛顿–莱布尼茨公式把"求面积"变成"找原函数代端点": \[\int_a^b f(x)\,\mathrm dx=F(b)-F(a),\qquad F'=f.\] 所以"会求导"是"会积分"的一半——另一个方向查表即可。

2.1 基本积分表(由求导表反推)

积分结果备注
\(\int x^n\,\mathrm dx\ (n\ne-1)\)\(\dfrac{x^{n+1}}{n+1}+C\)幂函数:指数加一、除以新指数;别丢 +C
\(\int \dfrac1x\mathrm dx\)\(\ln|x|+C\)唯一例外(n=−1)
\(\int e^{ax}\,\mathrm dx\)\(\dfrac1a e^{ax}+C\)"除以内部导数"
\(\int_a^b e^{-\lambda x}\mathrm dx\)\(\dfrac{e^{-\lambda a}-e^{-\lambda b}}{\lambda}\)定积分直接代端点相减

2.2 分段函数积分(概率密度 90% 长这样)

例 2.1 · 完整走一遍(本课程排队论约定 \(F(x)=P\{X<x\}\))
密度 \(f(x)=\begin{cases}2x,&0<x<1\\0,&\text{其它}\end{cases}\)。先验证归一化:\(\displaystyle\int_0^1 2x\,\mathrm dx=x^2\Big|_0^1=1\) ✓。求分布函数:对 x 分段讨论—— \[F(x)=\int_{-\infty}^x f(t)\,\mathrm dt=\begin{cases}0,&x\le0\\ \displaystyle\int_0^x 2t\,\mathrm dt=x^2,&0<x<1\\ 1,&x\ge1\end{cases}\] 要点:x 落在哪段,就把那一段及左边的密度全积上;x 超过非零区域后 F 恒为 1。
最容易错 ① 常数密度积出来是一次函数不是常数:均匀分布 \(f=\frac1{b-a}\) 的 F 是斜线 \(\frac{x-a}{b-a}\),不是平的;② 忘记验证归一化(题目给带参数的密度,第一步永远是 \(\int f=1\) 求参数);③ 积分限抄错——先画区域图再定限。

2.3 分部积分("乘积求导法则"的逆用;期望计算的王牌)

公式 \[\int_a^b u\,\mathrm dv=uv\Big|_a^b-\int_a^b v\,\mathrm du.\] 选 u 的口诀「反、对、幂、三、指」:哪类在前哪类当 u(反三角>对数>幂>三角>指数),另一部分连同 \(\mathrm dx\) 当 \(\mathrm dv\)。
例 2.2 · 指数分布的期望,一步都不跳
\(X\sim E(\lambda)\),密度 \(f(x)=\lambda e^{-\lambda x}\ (x\ge0)\)。求 \(E(X)=\displaystyle\int_0^\infty x\lambda e^{-\lambda x}\mathrm dx\)。
💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 完整解答)

破题切入点:取 \(u=x\)(幂),\(\mathrm dv=\lambda e^{-\lambda x}\mathrm dx\) ⟹ \(\mathrm du=\mathrm dx\),\(v=-e \cdots\)(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(完整解答)

取 \(u=x\)(幂),\(\mathrm dv=\lambda e^{-\lambda x}\mathrm dx\) ⟹ \(\mathrm du=\mathrm dx\),\(v=-e^{-\lambda x}\):

\[E(X)=\Big[-xe^{-\lambda x}\Big]_0^{\infty}+\int_0^{\infty}e^{-\lambda x}\,\mathrm dx=0+\Big[-\frac1\lambda e^{-\lambda x}\Big]_0^{\infty}=\frac1\lambda.\]

两个边界值:x→∞ 时 \(e^{-\lambda x}\to0\) 压倒 x;x=0 时 \(x=0\)。再求 \(E(X^2)\) 同样分部两次:\(\int_0^\infty x^2\lambda e^{-\lambda x}\mathrm dx=\dfrac2{\lambda^2}\),故 \(D(X)=\dfrac2{\lambda^2}-\dfrac1{\lambda^2}=\dfrac1{\lambda^2}\)。这两行结果是排队论的家底(平均服务时长 1/μ),建议亲手推一遍。

2.4 广义积分(积分上限是 ∞)

要点 \(\displaystyle\int_0^{\infty}f=\lim_{b\to\infty}\int_0^{b}f\):先正常积出含 b 的式子,再取极限。判断收敛的直觉:衰减的 e 指数压倒一切多项式——\(x^ke^{-\lambda x}\) 型必然收敛(分部积分 k 次后剩下 \(\int e^{-\lambda x}\))。概率里所有"到无穷"的积分都靠这一点收尾。
============ 三、级数与极限 ============

三 · 级数与极限:两件高频武器

3.1 等比级数求和(离散分布归一化的钥匙)

公式 \(\displaystyle\sum_{k=0}^{\infty}x^k=\frac{1}{1-x}\)(|x|<1);\(\displaystyle\sum_{k=0}^{\infty}kx^k=\frac{x}{(1-x)^2}\)。
有限和:\(\displaystyle\sum_{k=0}^{n}x^k=\frac{1-x^{n+1}}{1-x}\)。
例 3.1 · 几何分布归一化(本课自编补充例的原型)
\(P\{X=k\}=c\,(2/3)^k,\ k=0,1,2,\dots\)。由 \(\sum p_k=1\):\(c\cdot\dfrac1{1-2/3}=3c=1\Rightarrow c=\dfrac13\)。而 \(E(X)=\sum k\cdot\frac13(\frac23)^k=\frac13\cdot\frac{2/3}{(1/3)^2}=2\)——三行结束,全靠等比公式。

3.2 两个高频极限与 o(h) 记号

要记的三件事 ① \(\lim_{n\to\infty}(1+\dfrac xn)^n=e^x\)(泊松分布的出处:二项 n→∞、p→0、np→λ 时 \(C_nkp^kq^{n-k}\to\frac{\lambda^k}{k!}e^{-\lambda}\));② \(\lim_{t\to0^+}\frac{e^{-\lambda t}-1}{t}=-\lambda\)(等价于 \((e^{-\lambda t})'\big|_0\));③ o(h) 记号:"比 h 更高阶的无穷小",性质:\(o(h)+o(h)=o(h)\),\(h\cdot o(h)=o(h)\),\(\dfrac{o(h)}{h}\to0\)。泊松定义 2 与柯氏方程推导里全是它——看到 o(h) 就想"h→0 时扔掉"。

3.3 泰勒展开(特征函数展开、小 o 的来源)

三件套 \(e^x=1+x+\dfrac{x^2}{2!}+\cdots\);\(\cos x=1-\dfrac{x^2}{2!}+\cdots\);\(\sin x=x-\dfrac{x^3}{3!}+\cdots\)。
用法示例:正态特征函数 \(\varphi(u)=e^{iu\mu-\frac12\sigma^2u^2}\) 展开,\(\varphi(u)=1+iu\mu-\frac12\mu^2u^2-\frac12\sigma^2u^2+\cdots\),对照通用式 \(\varphi(u)=1+iuE(X)-\frac12E(X^2)u^2+\cdots\) 直接读出 \(E(X)=\mu,\ E(X^2)=\mu^2+\sigma^2\)——矩公式的"免求导版"。
============ 四、Σ与计数 ============

四 · 求和符号 Σ 与排列组合

4.1 Σ 记号三分钟

读法与运算 \(\sum_{k=1}^{n}a_k=a_1+a_2+\cdots+a_n\)。三条基本律:常数提出 \(\sum ca_k=c\sum a_k\);可拆 \(\sum(a_k+b_k)=\sum a_k+\sum b_k\);换指标字母不变(\(\sum_i\) 与 \(\sum_k\) 同义)。二重 Σ:先里后外,\(\sum_i\sum_jp_{ij}\) 是"j 先跑一圈,i 再跑一圈"。

4.2 计数两原理与 C、P

规则 乘法原理:分 m 步完成、各步分别 \(n_1,\dots,n_m\) 种 ⟹ 共 \(n_1\cdots n_m\) 种。加法原理:分类完成、各类互斥 ⟹ 相加。
排列 \(P_n^k=\frac{n!}{(n-k)!}\)(挑 k 个还要排顺序);组合 \(\binom nk=\frac{n!}{k!(n-k)!}\)(只挑不排)。
二项式定理:\((p+q)^n=\sum_{k=0}^{n}\binom nk p^kq^{n-k}\)——它就是二项分布归一化的证明(p+q=1)。
例 4.1 · 文具盒题里的计数复盘
"5 支笔取 2 支放入乙盒":\(\binom52=10\) 种(只挑不排)。其中"2 蓝":\(\binom22=1\);"2 黑":\(\binom32=3\);"1 蓝 1 黑":\(\binom21\binom31=6\)——分步相乘、分类相加,\(1+3+6=10\) 对上了。古典概率 \(P=\dfrac{\text{有利数}}{\text{总数}}\) 的分母分子全靠这两个数。
============ 五、线代 ============

五 · 线性代数最小集(马氏链专用)

5.1 矩阵乘矩阵:行乘列

规则与例子 \(C=AB\):C 的第 i 行第 j 列 = A 的第 i 行 · B 的第 j 列(对应相乘相加)。2×2 全展开: \[\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\begin{pmatrix}e&f\\g&h\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}ae+bg&af+bh\\ce+dg&cf+dh\end{pmatrix}\] 例:\(P=\begin{pmatrix}1/3&2/3\\1/2&1/2\end{pmatrix}\),\(P^2\) 的 (1,1) 元 \(=\frac13\cdot\frac13+\frac23\cdot\frac12=\frac19+\frac13=\frac49\)。
最容易错 ① 矩阵乘法没有交换律(AB≠BA,马氏链里"先走哪段"顺序不能反);② 行向量 \(\boldsymbol v P\)(1×s 乘 s×s)结果第 j 个分量 \(=\sum_i v_ip_{ij}\)——v 的分量配 P 的第 j 列;写成 \(\boldsymbol v\) 的分量配第 j 行是最常见错误。自查:\((1/2,1/2)\begin{pmatrix}1/3&2/3\\1/2&1/2\end{pmatrix}=(\tfrac{1}{6}+\tfrac14,\ \tfrac26+\tfrac14)=(\tfrac5{12},\tfrac7{12})\),两个分量和为 1 ✓。

5.2 特征值与特征向量(2×2 直接公式)

定义与求法 \(Av=\lambda v\)(A 乘 v 不改变方向只缩放)。2×2 矩阵 \(A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\):解 \(\lambda^2-(a+d)\lambda+(ad-bc)=0\)(特征方程,\(\lambda\) 之和=迹 a+d、之积=行列式)。对应特征向量解 \((A-\lambda I)v=0\)。
例 5.1 · 传输链的 P(模块 3 例 3 的幕后线代)
\(P=\begin{pmatrix}p&q\\q&p\end{pmatrix}\):迹 \(2p\)、行列式 \(p^2-q^2\),特征方程 \(\lambda^2-2p\lambda+(p-q)(p+q)=0\),两根 \(\lambda_1=1,\ \lambda_2=p-q\)。特征向量取 \((1,1)^T\) 与 \((1,-1)^T\)——正交!所以 \(P^n=Q\,\mathrm{diag}(1,(p-q)^n)\,Q^T\),而 \((p-q)^n\to0\)(|p−q|<1)⟹ \(P^n\) 每行趋于 \((\tfrac12,\tfrac12)\)。马氏链"殊途同归"的代数本质就在这里。
============ 六、复数 ============

六 · 复数速成(特征函数的世界)

最小必备 ① 虚数单位:\(i^2=-1\)(排队论课记 i,《随机过程及应用》课记 j,同一个东西);复数 \(z=a+bi\),实部 a、虚部 b、共轭 \(\bar z=a-bi\)、模 \(|z|=\sqrt{a^2+b^2}\)。
② 欧拉公式:\(e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta\)(复平面上单位圆上的一点,角度 θ)。
③ 指数好性质:\(e^{i\theta}\cdot e^{i\phi}=e^{i(\theta+\phi)}\);\(|e^{i\theta}|=1\);\(\overline{e^{i\theta}}=e^{-i\theta}\)。
例 6.1 · 特征函数的三行日常
① \(|e^{iut}|=1\) ⟹ 特征函数永远有界(|φ|≤1);
② \(\overline{\varphi(u)}=\varphi(-u)\)(共轭对称,教材性质);
③ \(e^{iux}\) 对 x 求导 = \(iux\) 那套链式:\((e^{iux})'=iue^{iux}\)——矩公式求导的每一步都是它。
最容易错 \(j^2=-1\) 别写成 +1;\(e^{iut}\) 求导"内部导数"是 \(iu\)(多一个 j/i);两门课符号不同,抄一页纸时先抬头看是哪门课的笔记。
============ 七、概率速查 ============

七 · 概率结论速查(推导时随手查)

结论内容哪里用
期望线性\(E(aX+bY)=aE(X)+bE(Y)\)(无需独立)所有 m(t) 计算
独立⟹可乘/方差可加\(E(XY)=E(X)E(Y)\);\(D(X+Y)=D(X)+D(Y)\)协方差推导
D 的恒等式\(D(X)=E(X^2)-E^2(X)\)求方差第二行
归一化离散 \(\sum p_k=1\);连续 \(\int f=1\)求参数第一招
正态线性组合独立正态的线性组合仍正态,均值方差各自叠加维纳/高斯过程
条件概率\(P(B\mid A)=P(AB)/P(A)\);乘法公式;全概率;贝叶斯第一章大题
函数分布分布函数法四步(万能);单调公式 \(f_Y=f(h(y))|h'|\)求 Y=g(X)
全期望\(E(X)=E[E(X\mid Y)]\):"随机个数×个体均值"复合型期望
============ 八、急救包 ============

八 · 考前十分钟急救包

最容易卡壳的十件事 · 一句话解法
  1. 幂函数求导 → 指数掉下来减一;
  2. \(e^{(\square)}\) 求导 → 保留原样乘"内部导数";
  3. \(\int x^n\) → 指数加一除以新指数(n=−1 时是 ln);
  4. 分段密度求 F → x 在哪段就把左边全积上,区域外封顶 0/1;
  5. \(\int x e^{-\lambda x}\) → 分部积分,答案 \(\frac1{\lambda^2}\)(期望计算原型);
  6. 等比级数 → \(\sum x^k=\frac1{1-x}\);
  7. \(\binom nk\) → 计数,分母分子一套;二项归一化 = 二项式定理;
  8. \(\boldsymbol vP\) → v 配 P 的第 j 列,行和必为 1;
  9. \(e^{i\theta}\) → \(\cos\theta+i\sin\theta\),模恒 1,共轭=负角度;
  10. 两门课记号 → 排队论 \(P\{X<x\}\) 左连续;应用课 \(P\{X\le x\}\) 右连续、虚数写 j。

九 · 从大学数学重新上手:三种最常考的计算

9.1 分布函数变密度函数

密度 \(f\) 不等于概率;连续型随机变量的区间概率是曲线下的面积。若 \(X\sim\operatorname{Exp}(\lambda)\),则对 \(x\ge0\),\(F(x)=1-e^{-\lambda x}\),求导得 \(f(x)=\lambda e^{-\lambda x}\);在 \(x<0\) 区间二者分别为 0。需要验证 \(\int_0^\infty\lambda e^{-\lambda x}\,\mathrm dx=1\)。

9.2 条件概率和贝叶斯(不要只背字母)

设某事件的先验概率为 \(P(H)=0.02\),检测灵敏度 \(P(+\mid H)=0.95\),误报率 \(P(+\mid H^c)=0.05\)。阳性后的概率为 \(P(H\mid+)=\frac{0.95\times0.02}{0.95\times0.02+0.05\times0.98}=\frac{0.019}{0.068}\approx0.2794\)。分母必须包含两类产生阳性的途径。

9.3 独立指数变量之和的卷积

若 \(X,Y\) 独立且均服从 \(\operatorname{Exp}(\lambda)\),则 \(Z=X+Y\) 的密度 \(f_Z(z)=\int_0^z \lambda e^{-\lambda x}\cdot\lambda e^{-\lambda(z-x)}\,\mathrm dx=\lambda^2 z e^{-\lambda z}\)(\(z\ge0\)),即 Erlang(2,\(\lambda\))。算卷积时先画出积分区间,别把 \(x\in[0,z]\) 忘掉。

💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 基础自测:条件概率和卷积各有什么必要条件?)

破题切入点:初等式 \(P(A\mid B)=P(A\cap B)/P(B)\) 要求 \(P(B)>0\);(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(基础自测:条件概率和卷积各有什么必要条件?)

初等式 \(P(A\mid B)=P(A\cap B)/P(B)\) 要求 \(P(B)>0\);上述乘积型卷积公式直接使用了 \(X,Y\) 相互独立且存在密度的条件。

十 · 矩阵方程是怎么落到马尔可夫链上的

10.1 行随机矩阵与稳态方程

把 \(P=\begin{pmatrix}0.8&0.2\\0.1&0.9\end{pmatrix}\) 看成行随机矩阵,每一行加起来是 1。若行向量 \(\pi=(p,1-p)\) 是平稳分布,\(\pi P=\pi\) 给出 \(0.2p=0.1(1-p)\),故 \(p=1/3\)、\(\pi=(1/3,2/3)\)。不要把行向量当列向量而写成 \(P\pi=\pi\)。

10.2 三种常见“特征值/特征向量”困惑

\(Pv=v\) 用的是右特征向量;\(\pi P=\pi\) 用的是左特征向量,二者没有理由逐项相同。平稳分布还要求非负与和为 1;仅找到特征值 1 并不自动证明遍历收敛。

💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 自测:为什么还需要检查周期?)

破题切入点:\(\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}\) 也有平稳分布 \((1/2,1/2)\),但从确定状态出发的链在两个状态间交替,分布不会逐步收敛。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(自测:为什么还需要检查周期?)

\(\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}\) 也有平稳分布 \((1/2,1/2)\),但从确定状态出发的链在两个状态间交替,分布不会逐步收敛。稳态存在和极限收敛是两回事。

严谨条件与算法数学补充

以下内容合并自原《前置数学补充》,与工具箱的求导、积分、矩阵章节互为补充;这里着重公式使用边界和算法离散数学。

1. 算法课的三件数学工具

渐近记号:$f(n)=O(g(n))$ 表示存在 $C,n_0$,当 $n\ge n_0$ 时 $|f(n)|\le C|g(n)|$。$f(n)=\Theta(g(n))$ 表示同时有上界与下界;$f(n)=o(g(n))$ 指极限比为 0(若分母最终非零)。大 O 本身不是函数数值,别写 $O(n^2)<O(2^n)$。

数列与对数:$\sum_{k=0}^{n-1} 2^k=2^n-1$;$\sum_{k=1}^n k=n(n+1)/2$;$\log_a n=\log_b n/\log_b a$。

递归式:$T(n)=2T(n/2)+n=\Theta(n\log n)$;$T(n)=T(n/2)+1=\Theta(\log n)$。Master 定理常见三种形式并非适用于所有 $f(n)$;含有 $n^{\log_b a}\log^k n$ 需要更一般形式或递归树分析。

2. 概率密度、期望与方差的适用条件

密度 $f$ 存在时 $P(a<X\le b)=\int_a^b f(x)\\,dx$;离散/混合分布存在原子跳跃,不可直接只用密度积分。$E[X^2]<\infty$ 时 $\mathrm{Var}(X)=E[X^2]-E[X]^2$。条件期望 $E[X\mid Y]$ 不是简单把条件写成 $Y=y$ 的概率比,尤其 $P(Y=y)=0$ 时须使用条件密度或正则条件分布。

3. 马尔可夫链与平稳

$\pi P=\pi$ 表示若初始分布为 $\pi$,以后一直不变;与“对任何初始分布都收敛到 $\pi$”不同。有限不可约非周期离散链才保证后者;有限不可约连续时间链在通常非爆炸假设下有相应收敛结论。

4. 复数特征函数与矩

$\varphi_X(t)=E[e^{itX}]$ 总存在,因为被积函数模为 1;由导数求矩要有可积性等条件,不能只看形式上的导数就断言矩存在。独立时 $\varphi_{X+Y}=\varphi_X\varphi_Y$,不独立一般不成立。

5. 可控学习顺序

集合/计数 → 求导/积分 → 概率分布 → 条件期望 → 级数/ODE → 线代特征向量 → 随机过程;算法另补归纳法、图、递归式与复杂度分析。学完每节尝试写出一项使用条件和一个反例,比机械背公式更可靠。

算法课专用:最容易忘的离散数学

对数:\(2^k=n\) 两边取对数得 \(k=\log_2 n\),所以每轮折半的循环迭代次数与 \(\log n\) 同阶。

求和:循环执行 \(1+2+\cdots+n=n(n+1)/2=\Theta(n^2)\) 次;等比求和 \(1+2+\cdots+2^{k-1}=2^k-1\)。比较增长阶时要先写 \(n\to\infty\),不要忽略常数。

递推:对 \(T(n)=2T(n/2)+n\) 可画递归树得到 \(\Theta(n\log n)\);对 \(T(n)=T(n-1)+n\) 逐项展开得 \(\Theta(n^2)\)。主定理的标准形式是 \(T(n)=aT(n/b)+f(n)\),不是所有递推式都能直接套。

排列与组合:有序排列候选解通常是 \(n!\),取或不取的子集树有 \(2^n\) 片叶子;回溯复杂度分析时区分树节点数、合法解数与输出成本。

💡 破题关键与第一步提示(遮答案自测用 · 练习:\(T(n)=T(n/2)+1\)(\(n=2^k\))求确切递推次数)

破题切入点:从 \(n\) 到 1 共折半 \(k=\log_2n\) 次,若 \(T(1)=1\),则 \(T(n)=1+\log_2n=\Theta(\log n)\)。(👉 先合上下方完整推导,自己动手算完关键步再核对踩分点!)

📝 完整规范推导与评分踩分点(练习:\(T(n)=T(n/2)+1\)(\(n=2^k\))求确切递推次数)

从 \(n\) 到 1 共折半 \(k=\log_2n\) 次,若 \(T(1)=1\),则 \(T(n)=1+\log_2n=\Theta(\log n)\)。

旧先修笔记保留的独有部分:ODE 与多元微积分

一阶常微分方程(泊松过程与生灭过程常用)

可分离变量的方程 \(x'=\lambda x\) 化为 \(\mathrm dx/x=\lambda\,\mathrm dt\),积分得 \(x(t)=Ce^{\lambda t}\)。线性方程 \(y'+ay=b(t)\) 两侧同乘积分因子 \(e^{at}\),得到 \((ye^{at})'=e^{at}b(t)\),再积分并代初值。

例如 \(p_0'(t)=-\lambda p_0(t),\ p_0(0)=1\),所以 \(p_0(t)=e^{-\lambda t}\);递推方程 \(p_k'=-\lambda p_k+\lambda p_{k-1}\) 逐级乘积分因子,可以得到齐次泊松过程 \(p_k(t)=e^{-\lambda t}(\lambda t)^k/k!\)。这些是补课示例,不代替教师后续讲次。

二重积分、换序与二维雅可比

求联合分布、边缘密度时先画积分区域。三角形 \(D=\{0\le x\le 1,0\le y\le 1-x\}\) 的积分写为 \(\int_0^1\int_0^{1-x} f(x,y)\,\mathrm dy\,\mathrm dx\)。边缘密度 \(f_X(x)=\int f_{X,Y}(x,y)\,\mathrm dy\),但积分范围必须遵守原联合密度的支持集。

若变量反变换为 \(x=x(u,v),y=y(u,v)\),则 \(f_{U,V}(u,v)=f_{X,Y}(x(u,v),y(u,v))|\partial(x,y)/\partial(u,v)|\),其中绝对值表示面积缩放。例:\(U=X+Y,V=X-Y\),反解 \(x=(u+v)/2,y=(u-v)/2\),雅可比行列式为 \(-1/2\),故取绝对值 \(1/2\)。还应同时变换区域,不能只代入行列式。

适用条件自检

普通密度关系 \(F'=f\) 通常要求分布绝对连续(几乎处处成立);从特征函数求矩须核查矩存在;平稳分布 \(\pi P=\pi\) 不直接推出从任意初始分布收敛;概率定义 \(P(A\mid B)=P(A\cap B)/P(B)\) 要求 \(P(B)>0\)。

十一 · 多元正态、二次型与实对称矩阵正交对角化(随机过程第 2 章专用)

为什么第 9、10 次课(正态过程与维纳过程)突然用到大量矩阵?

一维正态分布只需要均值 \(\mu\) 和方差 \(\sigma^2\);但随机过程在 \(n\) 个时刻 \(t_1,\dots,t_n\) 的状态构成 \(n\) 维向量 \(\mathbf{X}=(X(t_1),\dots,X(t_n))^T\),任意两个时刻之间都有协方差 \(b_{jk}=\operatorname{Cov}(X(t_j),X(t_k))\)。把这 \(n^2\) 个协方差排成方阵,就是协方差矩阵 \(B=(b_{jk})_{n\times n}\)。

11.1 二次型与正定/半正定矩阵的 30 秒判别法

核心公式

设 \(B\) 是 \(n\times n\) 实对称矩阵(\(B^T=B\)),列向量 \(\mathbf{t}=(t_1,\dots,t_n)^T\),则标量多项式 \(Q(\mathbf{t}) = \mathbf{t}^T B \mathbf{t} = \sum_{j=1}^n \sum_{k=1}^n b_{jk} t_j t_k\) 称为二次型。在概率论中,线性组合 \(\mathbf{t}^T\mathbf{X}\) 的方差恰好等于这个二次型:\(D\bigl(\mathbf{t}^T\mathbf{X}\bigr) = \mathbf{t}^T B \mathbf{t} \ge 0\)。

  • 半正定(非负定):对任意 \(\mathbf{t}\in\mathbb{R}^n\) 有 \(\mathbf{t}^T B \mathbf{t} \ge 0 \iff B\) 的特征值 \(\lambda_k \ge 0\)。任何协方差矩阵都必然半正定!
  • 正定(非退化):对任意 \(\mathbf{t}\neq\mathbf{0}\) 有 \(\mathbf{t}^T B \mathbf{t} > 0 \iff |B|>0\)(顺序主子式全大于 0)。此时 \(B^{-1}\) 存在,可写出 \(n\) 维正态密度函数。
  • 奇异(退化,\(|B|=0\)):存在非零向量 \(\mathbf{t}\) 使 \(D(\mathbf{t}^T\mathbf{X})=0\),各分量间存在严格线性依赖,此时无普通密度函数,只能用特征函数 \(\varphi(\mathbf{t})=\exp(j\boldsymbol\mu^T\mathbf{t}-\frac{1}{2}\mathbf{t}^T B\mathbf{t})\) 描述。

11.2 线性变换 \(\mathbf{Y}=C\mathbf{X}\) 与正交对角化 \(U^T B U = \Lambda\)

线性变换口诀:均值左乘 C,协方差左乘 C 右乘 Cᵀ \[\mathbf{X} \sim N(\boldsymbol\mu, B),\quad \mathbf{Y} = C\mathbf{X} + \mathbf{d} \implies \mathbf{Y} \sim N\bigl(C\boldsymbol\mu + \mathbf{d},\; C B C^T\bigr).\]

正交去相关原理:存在正交矩阵 \(U\)(\(U^{-1}=U^T\))使 \(U B U^T = \operatorname{diag}(\lambda_1,\dots,\lambda_n)\)。在 \(\mathbf X\) 联合正态的前提下,令 \(\mathbf{Y}=U\mathbf{X}\),则 \(\mathbf{Y}\) 仍是联合正态且协方差阵为对角阵,故各分量相互独立。一般非正态随机向量经正交去相关后只能保证零协方差,不能直接推出独立。

十二 · 柯西函数方程与阿贝尔裂项求和(独立增量过程专用)

两大推导基本功(对应随机过程模块 5 性质 1.3.1 与 1.3.2)
  1. 连续柯西方程:若连续函数 \(y(t)\) 在 \(t\ge 0\) 上满足 \(y(t+s) = y(t) + y(s)\),则必有 \(y(t) = y(1) t\)。
  2. 小区间拆大区间(\(\min(s,t)\) 的来源):假设 \(X(0)=0\) 几乎处处、增量独立、具有有限二阶矩,且 \(\operatorname{Var}(X(t))=\sigma^2t\)。当 \(s
  3. 阿贝尔分部求和(状态转增量):\(\sum_{k=1}^n \theta_k X(t_k) = (\sum_{j=1}^n \theta_j)X(t_1) + \sum_{k=2}^n (\sum_{j=k}^n \theta_j)[X(t_k)-X(t_{k-1})]\)。

十三 · V3 笔记系统功能速查、快捷键与仓库结构指南

V3 顶栏交互与快捷键速查
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