Определение вероятности

Вероятность есть числовая характеристика возможности появления случайного события. При этом предполагается, что условия эксперимента могут быть воспроизведены неограниченное число раз. Это нематематическое определение носит скорее интуитивный характер. Придадим ему более точный смысл.

Рассмотрим некоторый случайный эксперимент. Пусть в результате данного эксперимента может произойти несколько исходов (случайных событий). К примеру, при бросании кубика может произойти шесть различных исходов (может выпасть число от 1 до 6).

Назовем исход благоприятным для случайного события А, если событие А следует из такого исхода. Пусть, например, событие А состоит в том, что выпавшее на грани кубика число четно. Благоприятными для этого события будут три исхода эксперимента: выпадение 2, 4 и 6 очков.

Будем называть равновозможными исходы, имеющие одинаковые шансы. Равновозможность определяется нестрого, однако считается интуитивно ясным и лишь поясняется примерами. Для каждого из таких событий характерно то, что ни одно из них не является объективно более возможным, чем другие. В практических задачах исследователь сам решает, какие события считать равновозможными (как правило, исходя из некой симметрии в условиях задачи).

Определение: Пусть данный эксперимент имеет N равновозможных и несовместных исходов. Вероятностью P (A) события А называется отношение числа благоприятных исходов m (A) к общему числу N несовместных равновозможных исходов:

.

Данное равенство называется классическим определением вероятности.

Вероятность можно вычислять в процентах. Например, выражения P (A) = 90% и P (A) = 0,9 эквивалентны.

Для любого случайного события А

Во-первых, по определению вероятность неотрицательна. Во-вторых, число благоприятных исходов m (A) не больше общего числа исходов N. Поэтому,

Пример 1: В урне находятся 4 белых и 6 черных шаров. Какова вероятность, что вынутый наугад шар будет белым?

Всего эксперимент имеет десять исходов (можно вынуть любой из 10 шаров). Благоприятными будут 4 исхода. Значит, вероятность этого события равна =0,4. Соответственно, вероятность вынуть черный шар равна 0,6.

Пример 2. Пусть опыт состоит в последовательном бросании двух кубиков. Найдем вероятность события B – «в сумме выпало 8 очков» и вероятность события C – «в сумме выпало 12 очков».

Очевидно, что при бросании двух кубиков всего может быть получено 36 равновозможных несовместных исходов: n = 36 (каждому из 6 различных случаев выпадения очков на первом кубике отвечает 6 случаев выпадения различного числа очков на втором кубике). Событию С благоприятен лишь один исход: случай выпадения двух «шестерок», поэтому m (C) = 1, и . Событию B благоприятны 5 исходов (2+6, 3+5, 4+4, 5+3, 6+2), и, следуя классическому определению вероятности, получаем .

Чтобы пользоваться классическим определением вероятности, нужно уметь подсчитывать общее число исходов эксперимента и число благоприятных исходов. Такой подсчет сводится к перебору вариантов, т.е. к задачам комбинаторики. Рассмотрим, как комбинаторные формулы применяются в задачах теории вероятностей.

Многие случайные события моделируются экспериментами с урной и шарами. Шары из урны можно доставать по-разному: шар можно каждый раз возвращать в урну, а можно этого не делать; выбранные шары можно упорядочивать или не упорядочивать и т.д. Таким образом, существуют различные схемы выбора. В каждой из этих схем общее число исходов и число благоприятных исходов подсчитывается по-разному. Рассмотрим основные схемы выбора и соответствующие задачи.

Задача 1. (Схема выбора без возвращения и упорядочения). В урне 3 белых и 7 черных шаров. Какова вероятность того, что из четырех наугад выбранных шаров ровно один будет белый? Какова вероятность, что белых шаров будет ровно два?

Решение: вынуть 4 шара – это все равно, что вынуть по одному шару, не возвращая их обратно в урну. Поэтому такая ситуация описывается схемой без возвращения и без упорядочения. Общее число исходов этого случайного эксперимента равно числу способов выбрать 4 шара из 10, т.е. числу сочетаний . Таким образом,

В первом случай при благоприятном исходе среди четырех шаров один белый, а остальные три – черные (событие А). Белый шар можно выбрать тремя способами (их всего три), три черных можно выбрать способами, так как черных шаров в урне семь. Каждый из трех белых шаров может сочетаться с любой из троек. Таким образом, благоприятных исходов

Значит, искомая вероятность

Найдем число благоприятных исходов во втором случае (два белых, два черных шара – событие B). Пару белых шаров можно выбрать способами. Для пары черных шаров число способов выбора

Каждая пара белых шаров может сочетаться с каждой парой черных. Поэтому всего благоприятных исходов m (A) = 3·21 = 63. Значит вероятность второго события (B):

Задача 2. (Схема выбора без возвращения c упорядочением). В урне находятся карточки с цифрами от 0 до 5. Наугад достают две карточки и складывают подряд. Какова вероятность того, что полученное двузначное число кратно семи?

Решение: В отличие от предыдущей задачи, теперь важен порядок, в котором вынимают карточки, но по-прежнему карточки в урну не возвращают. Значит, в этом случае общее число исходов равно числу размещений из 6 по 2, т.е. Благоприятные исходы – это числа 14, 21, 35, 42, т.е. m (A) = 4. Значит, искомая вероятность

Задача 3. (Схема выбора с возвращением и без упорядочения). В кондитерской продается семь видов пирожных. Очередной покупатель выбил чек на четыре пирожных. Найти вероятность того, что заказаны:

а) пирожные одного вида;

б) пирожные разных видов;

в) по два пирожных разных видов.

Решение: Результатом опыта являются всевозможные наборы из четырех пирожных, отличающиеся составом. Наборы из одних и тех же пирожных, но расположенных в различном порядке, считаются одинаковыми (схема без упорядочения). При этом отдельные наборы могут содержать повторяющиеся элементы (схема с возвращением). Поэтому общее число исходов равно числу сочетаний с повторениями:

В первом случае благоприятных исходов 7 (наборы из пирожных каждого из семи видов). Значит, вероятность

Во втором случае благоприятными являются всевозможные наборы из четырех различных пирожных, выбранных из семи (порядок не важен). Ясно, что это число сочетаний из 7 по 4:

Поэтому вероятность второго события

Рассмотрим третий случай. Благоприятный исход представляет собой две пары одинаковых пирожных. Таких наборов ровно столько, сколько различных пар можно составить из 7 предметов, т.е. Значит, вероятность этого события

Задача 4. (Схема выбора с возвращением и с упорядочением). Телефонная книга раскрывается наудачу и выбирается случайный номер телефона. Считая, что телефонные номера состоят из семи цифр, причем все комбинации равновероятны, найти вероятность того, что все цифры в номере различны.

Решение: Заметим, что условие задачи разрешает любые номера (такие, например, как 0012413, 0123456 и даже 0000000). Поскольку всего цифр 10, а номера семизначные, общее число номеров равно N = 10⁷ = 10000000 (число размещений с повторениями из 10 элементов по 7). Благоприятные исходы составляют все различные наборы из семи цифр, отличающиеся также порядком (число размещений без повторений из 10 элементов по 7). Значит, благоприятных исходов

Итак,