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必修第二册 · 第 10 章 概率

10.1 随机事件与概率

掷一颗骰子,结果说不准;可“哪件事更容易发生”能算出来。办法是:先把所有可能的结果列全,再数一数。

掷一颗普通的骰子,\(1\) 到 \(6\) 点朝上的机会一样。先独立判断,选择后再高亮对应的点数进行比较。

“点数是偶数”和“点数大于 \(4\)”,哪件事更容易发生?

1. 先认识几个词

要用到:集合、子集、交集、并集、补集(回看 1.1、1.2、1.3)。这一节的事件就是集合,运算也是集合运算。

伴读直觉微图解:样本空间、事件关系与古典概型

随机试验:条件相同、可以重复做,所有可能的结果事先知道,但每次出哪个说不准。

例:抛一枚硬币,结果只有“正面”“反面”两种,抛之前不知道是哪个。

样本点、样本空间:试验的每一个可能结果叫一个样本点;全部样本点组成的集合叫样本空间,记作 \(\Omega\)。

例:先后抛两枚硬币,\(\Omega=\{\text{正正},\text{正反},\text{反正},\text{反反}\}\),有 \(4\) 个样本点。“正反”和“反正”是两个不同的结果:第一枚正、第二枚反,和反过来,不是一回事。

随机事件:样本空间的一个子集,简称事件,用 \(A\)、\(B\) 等表示。试验的结果落在 \(A\) 里,就说“\(A\) 发生了”。

例:还是抛两枚硬币,“至少一枚正面”\(=\{\text{正正},\text{正反},\text{反正}\}\)。抛出“正反”,这件事就发生了。

两个特别的事件:\(\Omega\) 本身每次都发生,叫必然事件;空集 \(\varnothing\) 从不发生,叫不可能事件。只含一个样本点的事件叫基本事件。

等可能:每个样本点出现的机会一样大。

例:质地均匀的骰子,\(6\) 个点数机会一样,每个是 \(\dfrac16\)。如果骰子被做了手脚,\(6\) 点更容易出现,就不再等可能了。

核心辨析 互斥事件 vs 对立事件

互斥事件:\(A \cap B = \varnothing\),两件事不可能同时发生。但可能同时都不发生(例如掷骰子“点数为 1”与“点数为 2”)。

对立事件:\(A \cap B = \varnothing\) 且 \(A \cup B = \Omega\),两件事必有且仅有一件发生(例如掷骰子“偶数”与“奇数”)。

口诀:对立必互斥,互斥未必对立。对立是全集划分,恒有 \(P(\overline{A}) = 1 - P(A)\)。

思维陷阱 基本事件 vs 类别合并

基本事件:构成样本空间的单元素子集,古典概型要求等可能性(每个点权重均为 \(\frac{1}{n}\))。

类别合并:将结果按某种特征粗暴归类(如七张编号卡按“1、2、大于2”分组)。各类别含样本点数不同,不再等可能!

警惕:均匀抽取这七张编号卡时,“大于 2”这一类包含多个样本点,“编号为 1”只含一个样本点。类别的机会大小不同,不能把三类平分!

古典概型公式:\(P(A) = \dfrac{\color{#2563eb}{m}}{\color{#059669}{n}} = \dfrac{\color{#2563eb}{A \text{ 包含的基本事件数}}}{\color{#059669}{\Omega \text{ 中基本事件总数}}}\)
互斥加法定理:\(A \cap B = \varnothing \implies P(A \cup B) = \color{#2563eb}{P(A)} + \color{#059669}{P(B)}\)
对立求逆定理:\(P(\overline{A}) = 1 - \color{#2563eb}{P(A)}\)  (“至少/至多”正难则反)

2. 先写对样本空间

算概率之前,先说清楚做的是什么试验、结果怎么记,再把样本点一个不漏、一个不重地列出来。列表或画树状图最不容易漏。

例 1(看一遍怎么写)

一颗红骰子、一颗蓝骰子一起掷。写出样本空间,并写出事件 \(A\)“点数和为 \(5\)”。

记结果为 \((i,j)\):\(i\) 是红骰子点数,\(j\) 是蓝骰子点数。\(i\)、\(j\) 各有 \(6\) 种,所以 \(\Omega\) 有 \(6\times6=36\) 个样本点,排成 \(6\times6\) 的表(“动手”① 就是这张表)。

和为 \(5\):\(A=\{(1,4),(2,3),(3,2),(4,1)\}\),有 \(4\) 个样本点。\((1,4)\) 和 \((4,1)\) 是红蓝颠倒的两个结果,都要算。

自己试试:先后抛三枚硬币,样本空间有几个样本点?

C。每枚 \(2\) 种,\(2\times2\times2=8\):正正正、正正反、正反正、反正正、正反反、反正反、反反正、反反反。选 B 的同学数的是“正面有 \(0,1,2,3\) 枚”四种情况,那是把结果合成了类别,不是样本点。

3. 事件的关系和运算

事件是集合,所以集合的关系和运算都能用,只是要读成“事情”:

对立一定互斥;互斥不一定对立。对立比互斥多一个条件:两件事合起来是整个样本空间。

例 2

掷一颗骰子,\(\Omega=\{1,2,3,4,5,6\}\)。\(A\)“偶数”\(=\{2,4,6\}\),\(B\)“大于 \(3\)”\(=\{4,5,6\}\),\(C\)“点数为 \(1\)”\(=\{1\}\),\(D\)“奇数”\(=\{1,3,5\}\)。

  • \(A\cup B=\{2,4,5,6\}\),\(A\cap B=\{4,6\}\):交集不空,\(A\)、\(B\) 不互斥(掷出 \(4\) 时两件都发生)。
  • \(C\subseteq D\):掷出 \(1\),一定是奇数。
  • \(A\cap C=\varnothing\),互斥;但 \(A\cup C=\{1,2,4,6\}\ne\Omega\),不对立(掷出 \(3\) 时两件都没发生)。
  • \(A\cap D=\varnothing\),\(A\cup D=\Omega\):对立,\(D=\overline{A}\)。

自己试试:掷一颗骰子,\(E\)“点数是 \(1\) 或 \(2\)”,\(F\)“点数是 \(5\) 或 \(6\)”。\(E\) 和 \(F\):

B。\(E\cap F=\varnothing\),互斥;\(E\cup F=\{1,2,5,6\}\),少了 \(3,4\),掷出 \(3\) 时两件都没发生,所以不对立。选 A 的同学看“一小一大”像是相反,没检查并集是不是 \(\Omega\)。

4. 古典概型:数个数,做除法

一个试验如果满足两条:

  1. 有限:样本点只有有限个;
  2. 等可能:每个样本点出现的机会一样大,

就叫古典概型。这时 \(\Omega\) 有 \(n\) 个样本点、事件 \(A\) 含 \(k\) 个,那么

\(P(A)=\dfrac{k}{n}=\dfrac{A\text{ 含的样本点个数}}{\Omega\text{ 的样本点个数}}\)

为什么:\(n\) 个结果机会一样,每个分到 \(\dfrac1n\),\(A\) 占了 \(k\) 个,就是 \(\dfrac kn\)。

例 3

掷红、蓝两颗骰子,求“点数和为 \(7\)”的概率。

样本点 \(36\) 个,有限;骰子均匀,等可能。和为 \(7\):\((1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1)\),共 \(6\) 个。

\(P=\dfrac{6}{36}=\dfrac16\)。

自己试试:掷红、蓝两颗骰子,“点数和为 \(4\)”的概率是?

A。和为 \(4\):\((1,3),(2,2),(3,1)\),\(3\) 个,\(\dfrac3{36}=\dfrac1{12}\)。选 B 的同学把 \((1,3)\)、\((3,1)\) 当成一个,只数了 \(2\) 个;选 C 的同学以为和有 \(2\) 到 \(12\) 共 \(11\) 种、各占一份,可这 \(11\) 种和并不等可能。

“有限”这一条:在 \(0\) 到 \(1\) 之间随便取一个实数,可能的结果有无穷多个,没法“数个数”,古典概型的公式用不了。这类问题以后另有办法。

5. 概率的基本性质

从“数个数”马上能看出这几条:

只有互斥时才能直接相加;不确定互斥,就用 \(P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)\)。

例 4

(1) 掷一颗骰子,\(A\)“偶数”,\(B\)“大于 \(3\)”,求 \(P(A\cup B)\)。

\(P(A)=\dfrac36\),\(P(B)=\dfrac36\),\(A\cap B=\{4,6\}\),\(P(A\cap B)=\dfrac26\)。所以 \(P(A\cup B)=\dfrac36+\dfrac36-\dfrac26=\dfrac46=\dfrac23\)。直接数:\(A\cup B=\{2,4,5,6\}\),也是 \(\dfrac46\)。

(2) 掷红、蓝两颗骰子,求“至少一颗是 \(6\)”的概率。

对立事件是“两颗都不是 \(6\)”:每颗 \(5\) 种,共 \(25\) 个样本点。所以 \(P=1-\dfrac{25}{36}=\dfrac{11}{36}\)。

自己试试:掷红、蓝两颗骰子,“两颗点数不同”的概率是?

A。对立事件“两颗相同”有 \((1,1)\) 到 \((6,6)\) 共 \(6\) 个,概率 \(\dfrac6{36}=\dfrac16\),所以“不同”是 \(1-\dfrac16=\dfrac56\)。选 B 的同学算出了对立事件,忘了用 \(1\) 减。

6. 三步破题思维链:古典概型解题标准动作

1
👀 看到什么 → 想什么
  • 试验结果有限且等可能 → 先写样本空间,再用目标事件样本点数除以总数。
  • 题目出现“至少、至多、不同” → 先判断用对立事件是否更省,再检查样本点不重不漏。
2
🔧 第二步套公式/方法

确定目标事件 \(A\) 包含的样本点数 \(m\):出现“至少/至多/不同”时,优先考察对立事件 \(\overline{A}\);若满足互斥,利用拆分加法 \(P(A\cup B)=P(A)+P(B)\);一般情况套用公式 \(P(A)=\dfrac{m}{n}\)。

3
🛡️ 第三步必查防坑结论

检查样本点是否不重不漏;分子分母约分为最简分数;互斥相加前必须确认交集为空,否则须扣除 \(P(A \cap B)\);概率值必须严格满足 \(0\le P(A)\le 1\)。

7. 三大翻车现场与反例辨析

翻车现场 1:粗暴合并类别,丢掉等可能
❌从标有 1 到 7 的七张同样卡片中随机抽一张,把结果合并成“抽到 1、抽到 2、抽到大于 2 的数”三类,认为每类概率都是 \(\frac13\)。
✔先展开等可能样本点:\(\Omega=\{1,2,3,4,5,6,7\}\)。事件“抽到大于 2 的数”含 5 个样本点,概率为 \(\frac57\),合并后的三类并不等可能。
翻车现场 2:非互斥事件盲目直接相加
❌ 掷骰子“点数是偶数”或“点数大于 3”,直接 \(\frac36+\frac36=1\),误以为必然发生
✔ 两事件不互斥(交集为 \(\{4,6\}\)),必须扣除重复交集:\(P = \frac36+\frac36-\frac26=\frac46=\frac23\)
翻车现场 3:误把“互斥”当“对立”套用 1 - P
❌ 掷骰子“点数为 1”与“点数为 2”互斥,误认为 \(P(\text{点数为 2})=1-P(\text{点数为 1})\)
✔ 互斥只保证两事件不同时发生,并集不为全集(出 3,4,5,6 均不发生),绝不可盲套 \(1-P\)
反例微图解:七张编号卡的样本点与类别(为什么不能三类平分)
七张同样的编号卡是七个等可能样本点;“大于 2”这一类占五个点,不能把三个类别当成等可能。
再深一点(可以先跳过)

三个事件有重叠时,先把 \(P(A),P(B),P(C)\) 相加,每个区域被算了几次?减去三个两两交事件后,三重交部分还剩几次,应怎样修正?

展开思路与核对

三个事件的并:\(P(A\cup B\cup C)=P(A)+P(B)+P(C)-P(A\cap B)-P(A\cap C)-P(B\cap C)+P(A\cap B\cap C)\)。道理一样:多算的减掉,减多了的再加回来。

恰在一个事件中的样本点先算一次;恰在两个中的先算两次、减去一次;三者共有的先算三次、又减去三次,所以还须把三重交加回一次。

① 两颗骰子:点出事件,数出概率

每个格子是一个样本点 \((i,j)\):行是红骰子 \(i\),列是蓝骰子 \(j\)。先选“编辑 A”或“编辑 B”,再点格子把它加进或移出这个事件;也可以点下面的现成事件。键盘:选中图后用方向键移动方框,空格或回车切换。

② 进阶:合成类别后,还等可能吗

抛 \(n\) 枚硬币,样本点有 \(2^n\) 个,按“正面有几枚”合成 \(n+1\) 类。柱子高度是每类含的样本点个数。选一类,比较真实概率和“每类一样”的错误算法。

从易到难排好了。前两道直接用,中间三道是最常见的错,最后一道是挑战。

直接用

1. 袋子里有 \(3\) 个红球、\(2\) 个白球,除颜色外都一样。随手摸出 \(1\) 个,是红球的概率是?

A。给 \(5\) 个球编号,摸到每个球机会一样,\(\Omega\) 有 \(5\) 个样本点,红球占 \(3\) 个,\(P=\dfrac35\)。选 B 是把“红、白”两种颜色当成了等可能;选 C 是拿红球数比白球数。

2. 掷红、蓝两颗骰子,点数和不小于 \(10\) 的概率是?

A。和为 \(10\):\((4,6),(5,5),(6,4)\);和为 \(11\):\((5,6),(6,5)\);和为 \(12\):\((6,6)\)。共 \(6\) 个,\(\dfrac6{36}=\dfrac16\)。选 B 的同学把 \((4,6)\)、\((6,4)\) 这样的当成一个,只数了 \(4\) 个。可以在“动手”① 点“和 ≥ 10”核对。

易错

3. 先后抛两枚均匀硬币,“一正一反”的概率是?

B。样本点是正正、正反、反正、反反,等可能;“一正一反”含正反、反正两个,\(\dfrac24=\dfrac12\)。选 A 的同学把结果合成了“两正、一正一反、两反”三类,又当成等可能——合成类别后没有重查等可能(“动手”② 取 \(n=2\) 可以看到中间那根柱子是两边的两倍)。

4. 掷一颗骰子,\(A\)“点数是 \(3\) 的倍数”,\(B\)“点数是偶数”。\(P(A\cup B)=\)?

B。\(A=\{3,6\}\),\(B=\{2,4,6\}\),有公共的 \(6\),不互斥。\(P(A\cup B)=\dfrac26+\dfrac36-\dfrac16=\dfrac46=\dfrac23\);直接数 \(A\cup B=\{2,3,4,6\}\) 也是 \(4\) 个。选 A 是直接相加,把 \(6\) 算了两次。

5. 甲、乙、丙三人抽签选一位组长。\(A\)“甲当选”,\(B\)“乙当选”。\(A\) 和 \(B\):

B。只选一位,甲、乙不会同时当选,互斥;可丙当选时两件都没发生,\(A\cup B\ne\Omega\),不对立。\(P(A)=P(B)=\dfrac13\),\(1-P(A)=\dfrac23\ne P(B)\)。\(A\) 的对立事件是“甲没当选”,即“乙或丙当选”。

挑战

6. 从 \(1,2,3,4,5\) 中一次取出两个不同的数,两数之和是偶数的概率是?

B。一次取两个,结果按无序记:\(\{1,2\},\{1,3\},\{1,4\},\{1,5\},\{2,3\},\{2,4\},\{2,5\},\{3,4\},\{3,5\},\{4,5\}\),共 \(10\) 个,每一对机会一样。

和为偶数要两数同奇或同偶:两奇 \(\{1,3\},\{1,5\},\{3,5\}\),两偶 \(\{2,4\}\),共 \(4\) 个,\(P=\dfrac4{10}=\dfrac25\)。

选 A 的同学想的是“和不是奇就是偶,各一半”,没数;选 C 是算成了“和为奇数”的 \(\dfrac6{10}\)。这里两数是一起取的,按无序记、每对一次,就是等可能的;改成有序记 \(20\) 个,答案也一样。

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