Опыт, исход и событие
Теория вероятностей начинается со случайного опыта — действия, результат которого заранее неизвестен. Бросок кости, вытянутый билет, жребий перед матчем.
Каждый мыслимый результат опыта называют исходом. Список исходов выписывают до всякого счёта: пока его нет, считать нечего.
Событие — это набор исходов, которые нас устраивают. Событие «выпало чётное число очков» собрано из трёх исходов: 2, 4 и 6.
Вероятность как отношение
Когда исходов конечное число и все они равноправны, вероятность события считают отношением:
Здесь — число всех исходов опыта, — число тех из них, при которых событие наступает. Оба числа целые.
Отсюда видно, в каких границах живёт вероятность. У события без единого благоприятного исхода она равна нулю, у события, которому годится любой исход, — единице.
Это первая проверка ответа. Число вне отрезка от нуля до единицы означает ошибку в подсчёте исходов, а не редкое событие.
Меняй состав урны и число вынимаемых шаров. Два вопроса об одном опыте дают разные ответы: хотя бы один синий случается куда чаще, чем все синие сразу.
Задача линии 4 почти всегда решается прямо по определению: сосчитать все исходы, сосчитать благоприятные, поделить одно на другое.
Когда исходы равновозможны
У формулы отношения есть условие, и о нём забывают чаще всего: исходы опыта должны быть равновозможными.
Равновозможность берётся из устройства опыта, а не из формулировки. Её дают симметричная монета, правильная кость, честный жребий.
Ловушка суммы
Кость бросают дважды и спрашивают про сумму очков. Сумма принимает одиннадцать значений, от 2 до 12, и хочется поделить единицу на одиннадцать.
Так считать нельзя. Сумма 2 получается единственным способом, а сумма 7 — шестью, и значения суммы равновозможными не являются.
Равновозможны здесь пары «первый бросок, второй бросок». Их число даёт правило умножения:
Каждая такая пара выпадает с вероятностью , и любое событие об этом опыте складывается из пар, а не из сумм.
Выбирай событие и смотри, какие клетки поднимаются. Каждая клетка — один исход пары бросков, и все 36 клеток равновозможны; событие складывается из них, а не из значений суммы.
Отсюда рабочее правило. Пространство исходов берут самое подробное, где симметрия видна прямо; укрупнённое описание равновозможность теряет.
Противоположное событие
У любого события есть противоположное: оно наступает ровно тогда, когда исходное не наступило. Вместе они покрывают все исходы опыта и не пересекаются.
Записывают его чертой сверху, и сумма вероятностей пары всегда равна единице:
Запись читают «не A»: это событие собрано из всех оставшихся исходов. Отсюда рабочая форма:
Переход к противоположному выгоден, когда благоприятных исходов много, а неблагоприятных мало. Тогда короткий подсчёт идёт по второму списку.
Главный случай такого рода — событие «хотя бы один». Оно противоположно событию «ни одного», а «ни одного» описывается единственной цепочкой неудач.
хотя бы один — это единица минус ни одного
Сложение вероятностей
Два события называют несовместными, когда они не могут произойти в одном опыте вместе. На одном броске кости единица и двойка несовместны.
У несовместных событий списки благоприятных исходов не пересекаются, поэтому складываются и вероятности:
Запись означает «случилось хотя бы одно из двух». Считать её суммой можно только при несовместности.
Когда события пересекаются
Если события могут случиться вместе, простая сумма завышает ответ. Исходы, годные обоим событиям, входят в неё дважды, и лишний раз надо вычесть:
Вычитаемое — вероятность того, что в одном опыте произошли оба события. У несовместных пар она равна нулю, и формула превращается в простую сумму.
Сдвигай общую часть и сравнивай два верхних табло. Пока события несовместны, сумма и есть ответ; как только появляется общая часть, её приходится вычитать.
Умножение и независимость
Второй вопрос про пару событий — как часто они случаются вместе. Ответ даёт правило умножения:
Второй множитель — условная вероятность: вероятность события при условии, что уже произошло.
Что делает условие
Условие не меняет опыт, оно сужает список исходов. Остаётся только та часть, где случилось, и доли считаются уже внутри неё:
Так решалась задача про две кости без шестёрок. Условие оставило 25 пар из 36, и благоприятные пары считались внутри этих 25.
Независимость
События независимы, когда одно не меняет шансов другого. Тогда , и правило умножения принимает короткий вид:
Независимость берут из условия, а не из удобства. Повторные выстрелы, разные лампы, разные броски независимы; в задаче про кофейные автоматы независимости не было, и произведение давало неверный ответ.
Дерево исходов
Когда опыт идёт шагами, вместо формул удобнее рисунок. Дерево исходов показывает каждый шаг развилкой, а каждую полную цепочку — ветвью.
На рёбрах пишут вероятности шагов, на концах ветвей — их произведения:
Множитель — вероятность -го шага при уже сделанных предыдущих, а — число шагов. Это правило умножения, записанное вдоль ветви.
Разные ветви несовместны: опыт идёт по одной из них. Поэтому вероятность события — сумма по тем ветвям, которые его дают.
Сумма вероятностей всех ветвей яруса равна единице, и это готовая проверка рисунка:
Строй ветвь кнопками и меняй вероятность шага. Вероятность ветви — произведение чисел на её рёбрах, и сумма по всем ветвям яруса всегда даёт единицу.
Задачи линии 5 почти все решаются деревом. Его видно и там, где про шаги в условии нет ни слова: достаточно, чтобы опыт распадался на этапы.
Формула полной вероятности
Часто опыт начинается с выбора, о котором в вопросе ни слова: из какой партии взята деталь, исправна ли батарейка, какой стрелок стрелял. Такой выбор называют гипотезой.
Гипотезы делят все исходы на непересекающиеся части и покрывают их целиком. Событие может случиться внутри каждой части, и вклады складываются:
Здесь и — гипотезы, а — вероятность события при каждой из них. Это формула полной вероятности.
На дереве она читается прямо: перемножить вдоль каждой подходящей ветви и сложить по ветвям. Гипотез бывает и больше двух — слагаемых тогда столько же.
Проверка формулы простая: вероятности гипотез обязаны давать в сумме единицу.
Сначала гипотезы, потом событие внутри каждой.
Порядок разбора всегда один. Выписать гипотезы и убедиться, что они покрывают опыт целиком; найти вероятность события при каждой; перемножить по ветвям и сложить.
Хотя бы один, подряд, в любом порядке
Три оборота в условиях линии 5 стоят больше всего потерянных баллов. Выглядят они похоже, а считаются по-разному.
«Хотя бы один»
Оборот означает «один или больше» и никогда не означает «ровно один». Прямой подсчёт требует суммы по всем числам успехов, а противоположное событие — одного произведения:
Буквой обозначена вероятность неудачи в одной попытке, буквой — число попыток. Запись верна, пока попытки независимы.
Увеличивай число попыток при малой вероятности успеха. «Хотя бы один» растёт куда быстрее, чем «ровно один», а считается всегда через «ни одного».
«Подряд» и «в любом порядке»
Когда условие называет порядок — «первые два попал, последние два промахнулся», — подходящая цепочка одна, и ответ равен произведению вероятностей шагов.
Когда порядок не назван — «ровно два попадания из четырёх», — цепочек несколько, и произведение умножается на их число:
Множитель — число способов выбрать номера удачных попыток, — их количество. Для двух попаданий из четырёх таких способов шесть.
назван порядок — одна цепочка; не назван — считаем цепочки
Формулы и типичные ошибки
Формул в теме восемь, и все они выведены выше. Трудность не в них, а в выборе: какая из формул отвечает на поставленный вопрос.
классическая вероятность; исходы равновозможны
противоположное событие
сложение несовместных событий
сложение в общем случае
умножение; у независимых P(A)·P(B)
формула полной вероятности
n независимых попыток, q — неудача
ровно k успехов из n, порядок не задан
Где теряют баллы
У суммы двух костей одиннадцать значений, значит у каждого вероятность 1/11.
Равновозможны 36 пар, а не 11 сумм: семёрку дают шесть пар, двойку — одна.
Вероятности двух событий всегда складываются.
Складываются только у несовместных; иначе вычитается вероятность совместного наступления.
Вероятности двух событий всегда перемножаются.
Произведение верно при независимости; иначе второй множитель — условная вероятность.
«Хотя бы один» — это то же самое, что «ровно один».
«Хотя бы один» значит «один или больше» и считается как 1 − qⁿ.
Порядок событий в условии на ответ не влияет.
Названный порядок даёт одну цепочку; без него число цепочек надо сосчитать.
В формуле полной вероятности достаточно главной гипотезы.
Складывают вклады всех гипотез: ошибочно забракованная деталь — тоже ветвь.
Получилось 1,2 — значит, событие очень вероятное.
Вероятность не выходит за отрезок от 0 до 1; такой ответ означает ошибку в подсчёте.
Проверь себя
Посчитай, впиши ответ и нажми «Проверить». Разбор открывается кнопкой под задачей. Все задачи взяты из реальных вариантов ЕГЭ, и всё нужное для них собрано в трёх формулах.
Вероятность — это доля исходов, и считать её начинают со списка исходов.
В Компендиуме разбираем темы ЕГЭ по математике так, чтобы за формулой был виден её вывод.
залетай в Академию→