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概率论·1 随机事件与概率

考纲内容

  • 随机事件与样本空间
  • 事件的关系与运算
  • 完备事件组
  • 概率的概念
  • 概率的基本性质
  • 古典型概率
  • 几何型概率
  • 条件概率
  • 概率的基本公式
  • 事件的独立性
  • 独立重复试验

一、样本空间与随机事件

考纲摘要:了解样本空间(基本事件空间)的概念,理解随机事件的概念,掌握事件的关系及运算

1. 相关概念的定义

  • 随机试验:具有以下三种特点的试验称作随机试验
    1. 可以在相同的条件下重复地进行
    2. 每次试验的可能结果不止一个,并且能事先明确试验的所有可能结果
    3. 进行一次试验前不能确定哪个结果会出现
  • 样本空间:将随机试验 E 的所有可能结果组成的集合称为 E样本空间,记作 S,其中的每个元素称作样本点
  • 随机事件:称试验 E 的样本空间 S 的子集为 E随机事件,简称事件。在每次试验中,当且仅当这一子集中的一个样本点出现时,称这一事件发生
    • 基本事件:由一个样本点组成的单点集称作基本事件
    • 必然事件:样本空间 S 包含所有样本点,每次试验它是必然发生的,因此称之为必然事件
    • 不可能事件:空集 不包含任何样本点,每次试验它都不会发生,因此称之为不可能事件

2. 事件的关系及运算

  • AB,则称事件 B 包含事件 A,这指的是事件 A 的发生必然导致事件 B 的发生若 A=B,则称事件 A 与事件 B 相等
  • 事件 AB={x|xAxB} 称作事件 A 与事件 B和事件,可以记作 A+B
  • 事件 AB={x|xAxB} 称作事件 A 与事件 B积事件,简记为 AB
  • 事件 AB={x|xAxB} 称作事件 A 与事件 B差事件AB=AB
  • 如果 AB=,称事件 A 与事件 B互不相容的(或互斥的
  • 如果 AB=SAB=,则称事件 A 与事件 B 互为逆事件(或互为对立事件),记作 B=A=SA

1

事件运算的性质:

  • 交换律AB=BA,AB=BA
  • 结合律A(BC)=(AB)C A(BC)=(AB)C
  • 分配律A(BC)=(AB)(AC) A(BC)=(AB)(AC)
  • 德·摩根律AB=AB,AB=AB

二、概率

考纲摘要:

  1. 理解概率的概念,掌握概率的基本性质
  2. 掌握概率的加法公式、减法公式

1. 频率

在相同的条件下,进行 n 次试验,其中,A 发生的次数 nA 称为事件 A 发生的频数,比值 nAn 称作事件 A 发生的频率,记作 fn(A),

性质:

  • 0fn(A)1
  • fn(S)=1
  • A1,A2,,Ak 是两两互不相容的事件,则 fn(i=1kAi)=i=1kfn(Ai)

2. 概率的定义及其性质

E 是随机试验,S 是它的样本空间,对于 E 的每个事件 A 赋予一个实数 P(A),称作事件 A概率,集合函数 P 满足以下条件:

  • 非负性AS,P(A)0
  • 规范性P(S)=1
  • 可列可加性:设 A1,A2, 是两两互不相容的事件,则 P(A1A2)=P(A1)+P(A2)+

当试验次数 n 时,fn(A)=P(A)

概率的性质:

  • P()=0
  • 有限可加性:若 A1,A2,,An 是两两互不相容的事件,则 P(i=1nAi)=i=1nP(Ai)
  • AB,则 P(BA)=P(B)P(A),P(B)P(A) (可以理解为这是从 B 中”挖掉“一块 A)
  • AS,P(A)1
  • 逆事件的概率P(A)=1P(A)
  • 加法公式P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)
  • 减法公式P(AB)=P(A)P(AB),特别地,如果 BA,则 P(AB)=P(A)P(B)

三、古典概型

考纲摘要:会计算古典型概率和几何型概率

1. 古典概型的定义

具有以下特点的试验称作等可能概型(古典概型):

  • 试验的样本空间只包含有限个元素
  • 试验中的每个基本事件发生的可能性相同

设试验的样本空间为 S={e1,e2,,en},则有:P({e1})=P({e2})==P({en})P({ei})=1n,i=1,2,,n 若事件 A 包含 k 个基本事件,则 P(A)=kn

组合数:Cnm=n!m!(nm)!

2. 超几何分布(不放回抽样)

N 件产品中有 K 件次品,从中任取 n 件,求恰好取到 k 件次品的概率。

所有取法的数量是 CNn 种,K 件次品中取 k 件的取法有 CKk 种,NK 件正品中取 nk 件的取法有 CNKnk 种,因此恰好取到 k 件次品的取法有 CKkCNKnk 种,所求概率即为

P(A)=CKkCNKnkCNn

这就是超几何分布的概率公式。

3. 几何概型

若随机试验的样本空间 S 是一个区域(线段、平面图形或空间立体),且每个样本点出现的概率只与该区域的几何度量(长度、面积或体积)成正比,则称此模型为几何概型

P(A)=L(A)L(S)

其中 L 表示几何度量。

4. 例题

抽签的公平性:袋中有 a 只白球、b 只黑球,k 个人依次不放回地各取一球,求第 k 人取到白球的概率。

a+b 只球视为可辨的,样本点总数为 (a+b)! 种排列。第 k 个位置放白球的排法有 a(a+b1)! 种,故

P=a(a+b1)!(a+b)!=aa+b

k 无关,说明抽签与顺序无关,这是古典概型的经典结论。

分房问题:将 n 个人随机分配到 N 个房间(nN),求恰好有 n 个房间各住一人的概率。总分法 Nn 种,符合要求的有 ANn 种,故 P=ANnNn

四、条件概率

考纲摘要:理解条件概率的概念,掌握乘法公式

1. 条件概率的定义

A,B 是两个事件,且 P(A)>0,称 P(B|A)=P(AB)P(A) 为在事件 A 发生的前提下事件 B 发生的条件概率 它显然符合概率定义中的三个条件:

  • 非负性:BS,P(B|A)0
  • 规范性:P(S|A)=0
  • 可列可加性:设 B1,B2,Bn 是两两互不相容的事件,则有 P(i=1nBi|A)=i=1nP(Bi|A)

乘法定理:设 P(A)>0,则有 P(AB)=P(B|A)P(A),该式也称作乘法公式

2. 全概率公式和贝叶斯公式

考纲摘要:掌握全概率公式以及贝叶斯(Bayes)公式

S 是事件 E 的样本空间, B1,B2,,BnE,如果:

  • BjBj=,ij,i,j=1,2,,n
  • i=1nBi=S

则称 B1,B2,Bn 是样本空间 S 的一个划分

基于此,全概率公式如下所示:

P(A)=i=1nP(A|Bi)

在很多实际问题中 P(A) 不易直接求得,但却容易找到 S 的一个划分 B1,B2,BnP(Bi)P(A|Bi) 已知或容易求得,那么就可以根据全概率公式求出 P(A)

同样基于以上划分定义中的符号,给出贝叶斯公式

P(Bi|A)=P(A|Bi)P(Bi)j=1nP(A|Bj)P(Bj),i=1,2,,n

n=2 时的上述公式较为常用,如下所示:

  • 全概率公式:P(A)=P(A|B)P(B)+P(A|B)P(B)
  • 贝叶斯公式:P(B|A)=P(AB)P(A)=P(A|B)(B)P(A|B)P(B)+P(A|B)P(B)

五、事件独立性

考纲摘要:理解事件独立性的概念,掌握用事件独立性进行概率计算、理解独立重复试验的概念,掌握计算有关事件概率的方法

A,B 是两事件,如果满足等式 P(AB)=P(A)P(B),则称事件 A,B 相互独立,简称独立

P(A)>0,P(B)>0,则事件独立的性质如下:

  • P(B|A)=P(B),P(A|B)=P(A)
  • AB,AB,AB 也相互独立

推广到 3 个事件相互独立的定义:设 A,B,C 是 3 个事件,则三者相互独立的条件为:

{P(AB)=P(A)P(B)P(AC)=P(A)P(C)P(BC)=P(B)P(C)P(ABC)=P(A)P(B)P(C)

推广到 n 个事件 A1,A2,,An 相互独立的定义:任意 r,rn 个事件的积事件的概率都等于这 r 个事件的概率之积。

2. 独立重复试验 (伯努利试验)

在相同条件下重复进行 n 次试验,若各次试验的结果相互独立,则称此为 n 重独立重复试验。若每次试验中事件 A 发生的概率为 p (0<p<1),则在 n 重独立重复试验中,A 恰好发生 k 次的概率为:

Pn(k)=Cnkpk(1p)nk,k=0,1,,n

这就是二项分布的概率公式。

经典错题

1. 题干、参考答案与误解

问题如下:

设事件 A,B,C 两两独立,满足 ABC=,P(A)=P(B)=P(C),P(ABC)=916,求 P(A)

参考答案给出的解法:

P(ABC)=P(A)+P(B)+P(C)P(AB)P(AC)P(BC)+P(ABC)3P(A)3P(A)2=916,P(A)=14

但我的想法如下,首先,我们有:

ABC=ABC

因此,

P(ABC)=P(ABC)=1P(ABC)=716

由于 A,B,C 两两独立,因此 A,B,C 两两独立,因此:

P(ABC)=P(A)3=716,P(A)=7163,P(A)=17163

我的想法中哪一步出了错误,导致我得出了错误的结果?

17163

2. ChatGPT-o1-preview 的解释

你的错误出在以下步骤:

P(ABC)=P(A)3

这个等式的成立需要 A,B,C相互独立,也就是说,三个事件之间是完全独立的。但在题目中,事件 A,B,C 仅仅是两两独立,并不是相互独立。因此,它们的补集 A,B,C 也仅仅是两两独立,并不是相互独立。

由于 A,B,C 不是相互独立的,所以不能直接将它们的联合概率表示为各自概率的乘积,即:

P(ABC)P(A)×P(B)×P(C)

正确的做法是利用两两独立的性质计算 P(ABC)

  1. 首先写出三个事件的并的概率公式:
P(ABC)=P(A)+P(B)+P(C)P(AB)P(AC)P(BC)+P(ABC)
  1. 由于 ABC=,所以 P(ABC)=0。并且 P(A)=P(B)=P(C)=p

  2. 利用两两独立的性质,计算 P(AB)=P(A)P(B)=p2,同理 P(AC)=p2P(BC)=p2

  3. 将已知的 P(ABC)=916 带入,得到方程:

3p3p2=916
  1. 解方程,得到 p=14

因此,你的错误在于错误地假设了互补事件的相互独立性,从而导致了错误的计算。

总结:你错误地假设了 A,B,C 相互独立,而实际上它们只是两两独立,这使得 P(ABC)P(A)3

你的错误在于假设了 A,B,C 彼此独立,从而错误地使用了 P(ABC)=P(A)3;实际上,A,B,C 仅是两两独立,不能将联合概率表示为概率的乘积。

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