必修第二册 · 第 10 章 概率
两件事“互不影响”,在数学里用一个等式来说:\(P(AB)=P(A)P(B)\)。它和“互斥”是两回事,判断它要靠算或靠试验本身,不能凭感觉。先从一枚硬币和一颗骰子开始。
先抛一枚硬币,再掷一颗骰子。硬币有正、反 \(2\) 种结果,骰子有 \(1\sim6\) 共 \(6\) 种,合起来 \(2\times6=12\) 种等可能结果。先独立计算,选择后再用 \(2\times6\) 棋盘核对。
“硬币正面朝上,并且骰子掷出 \(6\)”的概率是多少?
A。\(12\) 种结果里,只有“正,\(6\)”这一种符合,概率 \(\dfrac1{12}\)。
再看:硬币正面的概率是 \(\dfrac12\),骰子掷出 \(6\) 的概率是 \(\dfrac16\),而 \(\dfrac12\times\dfrac16=\dfrac1{12}\),正好是两个概率相乘。
硬币怎么落,不影响骰子怎么落,所以能乘。这一节就讲:什么样的两个事件能这样相乘(叫“相互独立”),怎么判断,以及它和“互斥”有什么不同。
要用到:10.1 的样本空间、古典概型、事件的关系和运算(回看 10.1)。
积事件 \(AB\):\(A\) 和 \(B\) 同时发生,也写成 \(A\cap B\)。
例:掷一颗骰子,\(A=\)“点数是偶数”\(=\{2,4,6\}\),\(B=\)“点数 \(\ge4\)”\(=\{4,5,6\}\)。那么 \(AB=\{4,6\}\),\(P(AB)=\dfrac26=\dfrac13\)。
互斥:\(A\)、\(B\) 不可能同时发生,\(AB\) 是空的,\(P(AB)=0\)。
例:掷一颗骰子,\(A=\{2,4,6\}\),\(C=\)“点数是 \(1\) 或 \(3\)”\(=\{1,3\}\)。没有公共的点数,\(A\)、\(C\) 互斥。
对立事件 \(\overline A\):\(A\) 不发生。\(P(\overline A)=1-P(A)\)。
例:\(A=\)“点数是偶数”,\(\overline A=\)“点数是奇数”\(=\{1,3,5\}\),\(P(\overline A)=1-\dfrac12=\dfrac12\)。
两步试验的样本空间:掷两颗骰子,结果记成 \((i,j)\),\(i\) 是第一颗、\(j\) 是第二颗的点数。一共 \(6\times 6=36\) 种,可能性一样,可以排成一张 \(6\times 6\) 的格子。
例:“点数和为 \(3\)”\(=\{(1,2),(2,1)\}\),占 \(2\) 格,概率 \(\dfrac2{36}=\dfrac1{18}\)。
相互独立:用 \(P(AB) = P(A)P(B)\) 定义。在有限等可能的样本空间中,分别数出 \(A,B,AB\) 的样本点,再比较概率是否满足这个等式。独立不要求两个概率都为正,也不保证交集非空。
互斥事件:两事件不可能同时发生,\(AB = \varnothing \implies P(AB) = 0\)。这描述集合关系,独立描述概率的乘积关系。
若 \(P(A)>0, P(B)>0\),互斥必不独立,独立必不互斥。边界例子:\(A=\varnothing\) 时,它与任意 \(B\) 既互斥又独立,因为 \(0=0\cdot P(B)\)。
有放回抽样:每次放回后充分混匀,并独立地随机抽取,才可用各次抽取独立的模型,各步概率相乘。
不放回抽样:后次抽样的总体组成通常因前次结果而变,不能直接假设独立。先列出等可能的有序样本点,分别计算 \(P(A),P(B),P(AB)\),再用乘积等式判断。
例:袋中有可区分的两红一白三个球,充分混匀后依次随机摸两球且不放回,共有 \(3\times2=6\) 个等可能的有序结果。设 \(A,B\) 分别为第一、第二球是红球,则两事件各占 \(4\) 个结果,同时发生占 \(2\) 个结果。\(P(A)=P(B)=\dfrac46\),\(P(AB)=\dfrac26\ne\dfrac46\times\dfrac46\),所以不独立。
提醒:大样本抽样(如数万件中抽数件)虽不放回,但因基数极大,可近似看作相互独立处理。
入门题里,“硬币正面”和“骰子是 \(6\)”同时发生的概率,正好等于两个概率相乘。我们就用这个等式来定义“互不影响”:
为什么是相乘:两步各自进行时,样本点是“第一步的结果 \(\times \) 第二步的结果”。\(A\) 只看第一步、\(B\) 只看第二步,那么 \(AB\) 的个数 \(=\) \(A\) 的个数 \(\times \) \(B\) 的个数,除以总数,就是概率相乘。
例 1(看一遍怎么写)
掷两颗骰子,\(A=\)“第一颗是偶数”,\(B=\)“点数和为 \(7\)”。\(A\) 与 \(B\) 独立吗?
\(A\):第一颗是 \(2,4,6\),第二颗随便,\(3\times 6=18\) 格,\(P(A)=\dfrac{18}{36}=\dfrac12\)。
\(B\):\((1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1)\),\(6\) 格,\(P(B)=\dfrac6{36}=\dfrac16\)。
\(AB\):上面第一颗是偶数的 \((2,5),(4,3),(6,1)\),\(3\) 格,\(P(AB)=\dfrac3{36}=\dfrac1{12}\)。
\(P(A)P(B)=\dfrac12\times \dfrac16=\dfrac1{12}=P(AB)\),所以 \(A\) 与 \(B\) 独立。
“和”明明跟第一颗有关,算出来却是独立的。所以判断独立要算,不能看着像就下结论。
自己试试:掷两颗骰子,\(A=\)“第一颗是偶数”,\(B=\)“点数和为 \(8\)”。\(A\) 与 \(B\) 独立吗?
B。\(B=\{(2,6),(3,5),(4,4),(5,3),(6,2)\}\),只有 \(5\) 格,\(P(B)=\dfrac5{36}\);\(AB=\{(2,6),(4,4),(6,2)\}\),\(P(AB)=\dfrac3{36}=\dfrac1{12}\)。而 \(P(A)P(B)=\dfrac12\times \dfrac5{36}=\dfrac5{72}\),\(\dfrac1{12}=\dfrac6{72}\ne\dfrac5{72}\),不独立。和为 \(7\) 独立,不等于和为 \(8\) 也独立;常见的错是照例 1 类推,或者把和为 \(8\) 也数成 \(6\) 格。
实际问题里,独立通常来自试验本身:两个人各自射击、两台机器各自运转、摸球后放回再摸……一次的结果碰不到另一次。题目说“相互独立”也算。这时直接用 \(P(AB)=P(A)P(B)\)。
还有一条常用:\(A\) 与 \(B\) 独立,那么 \(A\) 与 \(\overline B\)、\(\overline A\) 与 \(B\)、\(\overline A\) 与 \(\overline B\) 也都独立(“甲没中”和“乙没中”照样互不影响),“都不发生”也能用乘法。
例 2
甲、乙两人各自射击一次,甲命中的概率是 \(0.8\),乙是 \(0.6\),互不影响。求:(1) 两人都中;(2) 都不中;(3) 至少一人中。
(1) 两人都中:\(P=0.8\times 0.6=0.48\)。
(2) 都不中:甲不中是 \(1-0.8=0.2\),乙不中是 \(1-0.6=0.4\)。因为独立,都不中也是相乘:\(P=0.2\times 0.4=0.08\)。
(3) 至少一人中:对立事件是“都不中”,所以 \(P=1-0.08=0.92\)。
第 (3) 问也可以把“甲中乙不中”“甲不中乙中”“两个都中”加起来:\(0.8\times 0.4+0.2\times 0.6+0.8\times 0.6=0.32+0.12+0.48=0.92\)。但用对立事件算一次乘法就够了。“至少一个”优先想对立。
自己试试:两个开关各自工作,正常的概率分别是 \(0.9\) 和 \(0.7\),互不影响。至少一个正常的概率是?
B。对立事件是“两个都不正常”,概率 \((1-0.9)\times (1-0.7)=0.1\times 0.3=0.03\),所以至少一个正常是 \(1-0.03=0.97\)。选 A 的同学算的是“两个都正常”;选 C 的同学以为是 \(0.9\) 加上剩下的部分,没走乘法。
① 求全发生:直接相乘 \(P(AB) = P(A)P(B)\);
② 求“至少一人/台发生”:正难则反,套用逆向对立公式 \(P = 1 - P(\overline{A}\,\overline{B}) = 1 - (1-P(A))(1-P(B))\);
③ 求“恰好一人发生”:按互斥分类写成 \(A\overline{B} + \overline{A}B\),分别相乘后求和。
核查独立性前提(不放回抽样不能把两次原概率原样相乘,先按剩余组成重算后次概率);核查加法对象是否互斥(独立事件不可盲目直接相加);最终算出的概率值必须落在 \([0,1]\) 闭区间内。
已知 \(A,B\) 独立,为什么把一个或两个事件换成对立事件后仍独立?试把 \(A\) 分成两个互斥部分来计算。
为什么换成对立事件还独立:\(AB\) 和 \(A\overline B\) 互斥,合起来是 \(A\),所以 \(P(A\overline B)=P(A)-P(AB)=P(A)-P(A)P(B)=P(A)\big(1-P(B)\big)=P(A)P(\overline B)\)。另外两种同理。
独立抛两枚均匀硬币,设 \(A\) 为“第一枚正面”、\(B\) 为“第二枚正面”、\(C\) 为“两枚相同”。先算 \(P(AB),P(AC),P(BC)\),再算 \(P(ABC)\)。两两独立足以保证三个事件相互独立吗?
两两独立,不等于三个一起独立:抛两枚硬币,\(A=\)“第一枚正”,\(B=\)“第二枚正”,\(C=\)“两枚一样”。三个概率都是 \(\dfrac12\),\(AB\)、\(AC\)、\(BC\) 都只有“正正”一种,概率 \(\dfrac14=\dfrac12\times \dfrac12\),两两独立。可 \(ABC\) 也只有“正正”,\(P(ABC)=\dfrac14\ne\dfrac18\)。三个事件“相互独立”要求两两独立,并且 \(P(ABC)=P(A)P(B)P(C)\)。实际应用仍须根据试验条件确认“互不影响”,不能只看到参与者不同就默认独立。
\(6\times6\) 的格子是掷两颗骰子的 \(36\) 种结果(行是第一颗,列是第二颗)。选好 \(A\)、\(B\),格子标出 \(A\)、\(B\)、\(AB\),下面算 \(P(AB)\) 和 \(P(A)P(B)\)。试试“点数和为 \(7\)”和“点数和为 \(8\)”,再试试一对互斥的。
点格子(或选中图后用方向键移动、空格切换),把它放进或拿出 \(B\)。试着画一个和 \(A\) 互斥、又和 \(A\) 独立的 \(B\),\(B\) 不能是空的——看看为什么做不到。
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。
1. 掷两颗骰子,\(A=\)“第一颗点数 \(\le2\)”,\(B=\)“第二颗是 \(6\)”。\(P(AB)=\)?
A。两颗骰子各掷各的,\(A\) 只看第一颗、\(B\) 只看第二颗,独立。\(P(A)=\dfrac26=\dfrac13\),\(P(B)=\dfrac16\),\(P(AB)=\dfrac13\times\dfrac16=\dfrac1{18}\)。数格子也一样:\((1,6),(2,6)\) 两格,\(\dfrac2{36}=\dfrac1{18}\)。B 是把两个概率加起来了;D 是只数了一格。
2. 甲、乙两人各自参加一次考试,及格的概率分别是 \(0.7\) 和 \(0.5\),互不影响。恰有一人及格的概率是?
B。“甲过乙不过”\(0.7\times0.5=0.35\),“甲不过乙过”\(0.3\times0.5=0.15\),两种互斥,相加得 \(0.5\)。A 只算了一种(也是“都及格”的概率);C 是“至少一人及格”\(1-0.3\times0.5=0.85\);D 直接相加,超过了 \(1\)。
3. 掷一颗骰子,\(A=\)“点数是 \(1\) 或 \(2\)”,\(B=\)“点数是 \(5\) 或 \(6\)”。下面哪句对?
B。没有公共点数,互斥,\(P(AB)=0\);但 \(P(A)P(B)=\dfrac13\times\dfrac13=\dfrac19\ne0\),不独立。选 A 是把“互斥”当成了“互不影响”:其实 \(A\) 一发生,\(B\) 就一定不发生,影响最大。两个概率都正的事件,互斥就一定不独立。
4. 掷一颗骰子,\(A=\)“点数是偶数”,\(B=\)“点数 \(\le4\)”。\(A\) 与 \(B\):
A。\(P(A)=\dfrac12\),\(P(B)=\dfrac46=\dfrac23\),\(AB=\{2,4\}\),\(P(AB)=\dfrac26=\dfrac13\),而 \(\dfrac12\times\dfrac23=\dfrac13\),相等,独立。同一次试验里的两个事件也能谈独立,标准只有 \(P(AB)=P(A)P(B)\)。凭感觉选 B 的同学可以对比:把 \(B\) 换成“点数 \(\le3\)”,\(P(AB)=\dfrac16\ne\dfrac14\),才不独立。
5. \(10\) 张奖券里有 \(2\) 张有奖。甲先抽一张,乙再从剩下的里抽一张(不放回)。甲、乙都中奖的概率是?
B。按顺序数:甲有 \(10\) 种抽法,乙有 \(9\) 种,共 \(90\) 种。两人都中奖:甲 \(2\) 种、乙只剩 \(1\) 种,\(2\) 种,概率 \(\dfrac2{90}=\dfrac1{45}\)。
A 是 \(\dfrac15\times\dfrac15\):甲、乙各自中奖的概率确实都是 \(\dfrac15\)(乙中奖有 \(2\times1+8\times2=18\) 种,\(\dfrac{18}{90}=\dfrac15\)),可不放回时两件事不独立,不能相乘。放回再抽,答案才是 \(\dfrac1{25}\)。
6. 甲、乙、丙三人各自破译同一个密码,能破译的概率分别是 \(\dfrac12\)、\(\dfrac13\)、\(\dfrac14\),互不影响。密码被破译(至少一人破译)的概率是?
B。三人各自破译,相互独立。都破译不了:\(\dfrac12\times\dfrac23\times\dfrac34=\dfrac14\),所以至少一人破译:\(1-\dfrac14=\dfrac34\)。A 是三人都破译;C 是三个概率相加,超过了 \(1\);D 是“都破译不了”,忘了用 \(1\) 去减。
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