Теоремы о вероятностях событий

Содержание

Суть темы

Задание 5 проверяет умение работать со сложными событиями. В отличие от задания 4, где всё сводится к формуле P=mnP = \dfrac{m}{n} (одно действие), здесь события комбинируются: бросают несколько кубиков, работают несколько механизмов, стрелок делает серию выстрелов, деталь проходит проверку.

Чтобы решить такую задачу, нужно разбить сложное событие на простые и связать их с помощью логических союзов «И» (умножение вероятностей) и «ИЛИ» (сложение вероятностей). Вся теория сводится к четырём формулам: сложение, умножение, полная вероятность, противоположное событие.

Несовместные, совместные, независимые

Две пары понятий, которые путают на экзамене чаще всего. Запомни разницу - от неё зависит выбор формулы.

Основные формулы

Следующие пять формул закрывают 95 %95\,\% задач пятого номера ЕГЭ.

Диаграммы Венна: несовместные и совместные события

Условная вероятность редко встречается в задании 5 напрямую, но это «строительный блок», без которого не понять формулу полной вероятности. Выражается она так:

P(B∣A)=P(A⋅B)P(A),P(A)≠0P(B \mid A) = \dfrac{P(A \cdot B)}{P(A)}, \quad P(A) \neq 0
Дерево вероятностей для формулы полной вероятности

Для серии повторяющихся независимых испытаний (например, «стрелок делает nn выстрелов, попадает с вероятностью pp») работает отдельная формула.

Две схемы посложнее

Пять формул выше отвечают на вопрос «какова вероятность события». Иногда спрашивают обратное: событие уже произошло - какова вероятность, что сработала именно эта ветка? Ответ даёт формула Байеса, и никакой новой теории в ней нет: это определение условной вероятности, применённое к уже нарисованному дереву.

Вторая схема - выбор без возвращения. Из партии деталей, из группы людей, из коробки шаров берут несколько штук сразу или по одному, но обратно ничего не кладут. Испытания здесь зависимы: каждый вынутый предмет меняет состав того, что осталось, поэтому ни формула Бернулли, ни простое перемножение одинаковых вероятностей не работают.

Алгоритм решения

Примеры

Разберём восемь сюжетов задания 5: пять самых частых и три, которые встречаются реже, но регулярно.

Пример 1. Независимые события и «хотя бы один»

Помещение освещается тремя лампами. Вероятность перегорания каждой лампы в течение года равна 0,40{,}4. Лампы перегорают независимо друг от друга. Найди вероятность того, что в течение года хотя бы одна лампа не перегорит.

Решение:

Событие «хотя бы одна работает» наступит, если целы одна, две или все три лампы. Противоположное событие ровно одно: «перегорели все три» - его вероятность посчитать проще.

  1. Лампы независимы, значит вероятность того, что перегорят все три сразу, равна произведению:
    P(все 3 сгорят)=0,4⋅0,4⋅0,4=0,064P(\text{все 3 сгорят}) = 0{,}4 \cdot 0{,}4 \cdot 0{,}4 = 0{,}064
  2. Переходим к искомой вероятности через единицу:
    P(хотя бы 1 работает)=1−0,064=0,936P(\text{хотя бы 1 работает}) = 1 - 0{,}064 = 0{,}936

Ответ: 0,9360{,}936

Пример 2. Совместные события

В торговом центре два одинаковых банкомата. Вероятность того, что к концу дня в первом банкомате закончатся деньги, равна 0,250{,}25. Вероятность того, что деньги закончатся во втором банкомате, такая же. Вероятность того, что деньги закончатся в обоих банкоматах, равна 0,150{,}15. Найди вероятность того, что к концу дня деньги останутся в обоих банкоматах.

Пример 3. Формула полной вероятности (контроль качества)

Автоматическая линия производит смартфоны. Вероятность того, что готовый смартфон бракованный, равна 0,050{,}05. Перед упаковкой каждый смартфон проходит проверку. Вероятность того, что система контроля забракует бракованный смартфон, равна 0,960{,}96. Вероятность того, что система по ошибке забракует исправный смартфон, равна 0,020{,}02. Найди вероятность того, что случайно взятый смартфон будет забракован системой контроля.

Пример 4. Несовместные события на числовой оси

На метеостанции измеряют температуру воздуха. Известно, что вероятность того, что температура окажется ниже +22 ∘C+22\ ^\circ\text{C}, равна 0,90{,}9. Вероятность того, что температура окажется выше +15 ∘C+15\ ^\circ\text{C}, равна 0,850{,}85. Найди вероятность того, что температура окажется больше +15 ∘C+15\ ^\circ\text{C}, но меньше +22 ∘C+22\ ^\circ\text{C}.

Пример 5. Формула Бернулли

Биатлонист делает 55 независимых выстрелов по мишеням. Вероятность попадания при каждом выстреле равна 0,80{,}8. Найди вероятность того, что он попадёт ровно 44 раза.

Пример 6. Формула Байеса: тест дал положительный результат

Заболевание встречается у 4 %4\,\% посетителей поликлиники. Экспресс-тест даёт положительный результат у 90 %90\,\% больных и ошибочно срабатывает у 2,5 %2{,}5\,\% здоровых. У пациента тест оказался положительным. Найди вероятность того, что пациент действительно болен.

Пример 7. Выбор без возвращения

В ящике 1010 деталей, четыре из них бракованные. Контролёр наугад берёт 33 детали. Найди вероятность того, что ровно две из них окажутся бракованными.

Пример 8. Первый синий шар появится третьим

В коробке лежат 33 синих и 33 жёлтых шара. Шары вынимают по одному наугад и обратно не возвращают. Найди вероятность того, что первый синий шар будет вынут третьим по счёту.

Частые ошибки

Что запомнить

  • Видишь «И» (и первое, и второе одновременно)   ⟹  \implies УМНОЖАЙ (если события независимы).
  • Видишь «ИЛИ» (подходит любой из вариантов)   ⟹  \implies СКЛАДЫВАЙ (если события несовместны; иначе вычитай пересечение).
  • Видишь «ХОТЯ БЫ ОДИН»   ⟹  \implies вычитай из единицы вероятность «НИ ОДНОГО».
  • Видишь «деталь поступает с одного из нескольких заводов» или «тест может ошибаться»   ⟹  \implies применяй формулу полной вероятности и рисуй дерево сценариев.
  • Видишь «ровно kk раз из nn» в серии одинаковых выстрелов/бросков   ⟹  \implies формула Бернулли с CnkC_n^k.
  • Видишь «исход известен, спрашивают про причину» («тест положительный - какова вероятность болезни»)   ⟹  \implies формула Байеса: нужная ветка, делённая на полную вероятность.
  • Видишь «берут несколько штук и не возвращают»   ⟹  \implies сочетания CKk⋅CN−K n−kCNn\dfrac{C_K^k \cdot C_{N-K}^{\,n-k}}{C_N^n} или цепочка условных вероятностей с убывающими знаменателями.
  • Проверяй ответ на адекватность: он должен быть в [0; 1][0;\, 1] и обычно представлять собой аккуратную десятичную дробь (0,830{,}83, 0,40960{,}4096).

Стратегия на экзамене

Проверь себя
  1. События AA и BB несовместны, P(A)=0,3P(A) = 0{,}3, P(B)=0,45P(B) = 0{,}45. Чему равна P(A+B)P(A + B)?
  2. Два независимых датчика срабатывают с вероятностями 0,90{,}9 и 0,80{,}8. Какова вероятность, что сработают оба?
  3. Вероятность перегорания каждой из двух независимых ламп равна 0,30{,}3. Какова вероятность, что хотя бы одна лампа не перегорит?
  4. Несовместные события с ненулевыми вероятностями — какие они?