Основы теории вероятностей для актуариев. Простые задачи по теории вероятности. Основная формула Если есть вероятность того что
Я вообще сильно слаб в таких задачках, по этому попытался найти ответ в интернете, но оказалось, что все в разных местах сообщаются разные ответы. Давайте мы с вами попробуем выяснить, какой правильны то. Вот собственно задачка:
Этот необычный вопрос придумал математик Рэймонд Джонсон:
Если вы выберете ответ случайным образом, какова вероятность, что он будет правильным?
а) 25%
b) 50%
c) 60%
d) 25%
Вот какие объяснения и варианты ответов есть в интернете:
Вариант ответа - 0%
Правильный ответ - 0%, т. е. он не предложен среди результатов.
Поясняем: возможное количество правильных ответов - от 0 до 4, значит, вероятность случайно выбрать правильный должна составлять 0, 25, 50, 75 или 100%. Это автоматически исключает вариант в) (вероятности 60% быть не может).
Далее, поскольку, а) и г) одинаковы, они либо оба верны, либо оба ошибочны.
Итак, у нас есть 4 взаимоисключающих варианта ответа:
1: а), б) и г) - верные ответы.
2: а) и г) - верные ответы.
3: б) - верный ответ.
4: верного ответа нет.
Первый вариант невозможен, поскольку вероятность не может одновременно составлять и 25%, и 50%.
Второй вариант невозможен, поскольку, если 2 ответа верны, то вероятность выбора должна составлять 50%, а не 25%.
То же самое с третьим вариантом: если только 1 вариант верен, то вероятность выбрать его составляет 25%, а не 50% (как сказано в ответе б)).
Итак, остаётся вариант 4: верного ответа нет. Следовательно, вероятность выбрать правильный ответ составляет 0%.
Вариант ответа 37,5%:
Возможны 3 случая при угадывании ответа. 1 - выбрал 25% и угадал. 2 - выбрал 50% и угадал. 3 - выбрал 60% и угадал.
1) Шанс что ты выберешь 25% = 1/2. При этом шанс, что ты угадаешь эти 25% тоже 1/2.
Итоговая вероятность случая 1/2 * 1/2 = 1/4.
2) Шанс что ты выберешь 50% = 1/4. При этом шанс, что ты угадаешь эти 50% тоже 1/4.
3) Шанс что ты выберешь 60% = 1/4. При этом шанс, что ты угадаешь эти 60% тоже 1/4.
Итоговая вероятность случая 1/4 * 1/4 = 1/16.
Суммируем итоговые вероятности для всех 3 случаев, получаем 3/8, или 37,5%.
Вариант ответа - 50%
Получится одна вторая
1) Сначала определим какова вероятность каждого ответа. Тут все просто - по логике вероятность того что мы выберем один из четырех вариантов ответа будет 1/4, то есть 0,25
2) Теперь посчитаем вероятность попадания на варианты ответа с числом 25%. Если учесть что события не совместны, то есть появление одного исключает появление другого, то можно воспользоваться суммой вероятностей (вероятность того, что мы ответим 1 или 4, т.к. он содержат нужное нам 25%), то есть 25% + 25% = 50% процентов.
В итоге правильный ответ b)
Вариант ответа - рекурсия
объясняю: из 4 вариантов 1 наугад,то-есть 25%,но таких вариантов 2,значит умножаем на 2,стало 50%,но такой вариант 1,значит делим на 2 и получаем 25%,но таких вариантов 2,значит умножаем на 2,стало 50%,но такой вариант 1,значит делим на 2 и получаем 25%,но таких вариантов 2,значит умножаем на 2,стало 50%,но такой вариант 1,значит делим на 2 и получаем 25%,но таких вариантов 2,значит умножаем на 2,стало 50%,но такой вариант 1,значит делим на 2 и получаем 25%,но таких вариантов 2,значит умножаем на 2,стало 50%,но такой вариант 1,значит делим на 2 и получаем 25%,но таких вариантов 2,значит умножаем на 2,стало 50%,но такой вариант 1,значит делим на 2 и получаем 25%...
Когда бросается монета, можно сказать, что она упадет орлом вверх, или вероятность этого составляет 1/2. Конечно, это не означает того, что если монета подбрасывается 10 раз, она обязательно упадет вверх орлом 5 раз. Если монета является "честной" и если она подбрасывается много раз, то орел выпадет очень близко в половине случаев. Таким образом, существует два вида вероятностей: экспериментальная и теоретическая .
Экспериментальная и теоретическая вероятность
Если бросить монетку большое количество раз - скажем, 1000 - и посчитать, сколько раз выпадет орел, мы можем определить вероятность того, что выпадет орел. Если орел выпадет 503 раза, мы можем посчитать вероятность его выпадения:
503/1000, или 0,503.
Это экспериментальное определение вероятности. Такое определение вероятности вытекает из наблюдения и изучения данных и является довольно распространенным и очень полезным. Вот, к примеру, некоторые вероятности которые были определены экспериментально:
1. Вероятность того, что у женщины разовьется рак молочной железы составляет 1/11.
2. Если вы целуетесь, с кем-то, кто болен простудой, то вероятность того, что вы тоже заболеете простудой, составляет 0,07.
3. Человек, который только что был освобожден из тюрьмы, имеет 80% вероятности возвращения назад в тюрьму.
Если мы рассматриваем бросание монеты и беря во внимание то, что столь же вероятно, что выпадет орел или решка, мы можем вычислить вероятность выпадение орла: 1 / 2. Это теоретическое определение вероятности. Вот некоторые другие вероятности, которые были определены теоретически, с помощью математики:
1. Если находится 30 человек в комнате, вероятность того, что двое из них имеют одинаковый день рождения (исключая год), составляет 0,706.
2. Во время поездки, Вы встречаете кого-то, и в течение разговора обнаруживаете, что у вас есть общий знакомый. Типичная реакция: "Этого не может быть!". На самом деле, эта фраза не подходит, потому что вероятность такого события достаточно высока - чуть более 22%.
Таким образом, экспериментальная вероятность определяются путем наблюдения и сбора данных. Теоретические вероятности определяются путем математических рассуждений. Примеры экспериментальных и теоретических вероятностей, как например, рассмотренных выше, и особенно тех, которые мы не ожидаем, приводят нас, к ваэности изучения вероятности. Вы можете спросить: "Что такое истинная вероятность?" На самом деле, таковой нет. Экспериментально можно определить вероятности в определенных пределах. Они могут совпадать или не совпадать с вероятностями, которые мы получаем теоретически. Есть ситуации, в которых гораздо легче определить один из типов вероятности, чем другой. Например, было бы довольно найти вероятность простудиться, используя теоретическую вероятность.
Вычисление экспериментальных вероятностей
Рассмотрим сначала экспериментальное определение вероятности. Основной принцип, который мы используем для вычисления таких вероятностей, является следующим.
Принцип P (экспериментальный)
Если в опыте, в котором проводится n наблюдений, ситуация или событие Е происходит m раз за n наблюдений, то говорят, что экспериментальная вероятность события равна P (E) = m/n.
Пример 1 Социологический опрос. Было проведено экспериментальное исследование, чтобы определить количество левшей, правшей и людей, у которых обе руки развиты одинаково Результаты показаны на графике.
a) Определите вероятность того, что человек - правша.
b) Определите вероятность того, что человек - левша.
c) Определите вероятность того, что человек одинаково свободно владеет обеими руками.
d) В большинстве турниров, проводимых Профессиональной Ассоциацией Боулинга, участвуют 120 игроков. На основании данных этого эксперимента, сколько игроков могут быть левшой?
Решение
a)Число людей, являющиеся правшами, составляет 82, количество левшей составляет 17, а число тех, кто одинаково свободно владеет двумя руками - 1. Общее количество наблюдений - 100. Таким образом, вероятность того, что человек правша, есть Р
P = 82/100, или 0,82, или 82%.
b) Вероятность того, что человек левша, есть Р, где
P = 17/100, или 0,17, или 17%.
c) Вероятность того, что человек одинаково свободно владеет двумя руками составляет P, где
P = 1/100, или 0,01, или 1%.
d) 120 игроков в боулинг, и из (b) мы можем ожидать, что 17% - левши. Отсюда
17% от 120 = 0,17.120 = 20,4,
то есть мы можем ожидать, что около 20 игроков являются левшами.
Пример 2 Контроль качества
. Для производителя очень важно держать качество своей продукции на высоком уровне. На самом деле, компании нанимают инспекторов контроля качества для обеспечения этого процесса. Целью является выпуск минимально возможного количества дефектных изделий. Но так как компания производит тысячи изделий каждый день, она не может позволить себе проверять каждое изделие, чтобы определить, бракованное оно или нет. Чтобы выяснить, какой процент продукции являются дефектным, компания проверяет гораздо меньше изделий.
Министерство сельского хозяйства США требует, чтобы 80% семян, которые продают производители, прорастали. Для определения качества семян, которые производит сельхозкомпания, высаживается 500 семян из тех, которые были произведены. После этого подсчитали, что 417 семян проросло.
a) Какова вероятность того, что семя прорастет?
b) Отвечают ли семена государственным стандартам?
Решение
a) Мы знаем, что из 500 семян, которые были высажены, 417 проросли. Вероятность прорастания семян Р, и
P = 417/500 = 0,834, или 83.4%.
b) Так как процент проросших семян превысил 80% по требованию, семена отвечают государственным стандартам.
Пример 3 Телевизионные рейтинги. Согласно статистических данных, в Соединенных Штатах 105 500 000 домохозяйств с телевизорами. Каждую неделю, информация о просмотре передач собирается и обрабатывается. В течение одной недели 7815000 домохозяйств были настроены на популярный комедийный сериал "Все любят Реймонда" на CBS и 8302000 домохозяйств были настроены на популярный сериал «Закон и порядок» на NBC (Источник: Nielsen Media Research). Какова вероятность того, что телевизор одного дома настроен на «Everybody Loves Raymond" в течение данной недели? на «Закон и порядок»?
Решениеn
Вероятность того, что телевизор в одном домохозяйстве настроен на "Все любят Реймонда" равна Р, и
P = 7,815,000/105,500,000 ≈ 0,074 ≈ 7,4%.
Возможность, что телевизор домохозяйства был настроен на «Закон и порядок» составляет P, и
P = 8,302,000/105,500,000 ≈ 0,079 ≈ 7,9%.
Эти проценты называются рейтингами.
Теоретическая вероятность
Предположим, что мы проводим эксперимент, такие, как бросание монетки ли дротиков, вытаскивание карты из колоды, или проверка изделий на качество на сборочной линии. Каждый возможный результат такого эксперимента называется исход . Множество всех возможных исходов называется пространством исходов . Событие это множество исходов, то есть подмножество пространства исходов.
Пример 4 Бросание дротиков. Предположим, что в эксперименте «метание дротиков» дротик попадает в мишень. Найдите каждое из нижеследующих:
b) Пространство исходов
Решение
a) Исходы это: попадание в черное (Ч), попадание в красное (К) и попадание в белое (Б).
b) Пространство исходов есть {попадание в черное, попадание в красное, попадание в белое}, которое может быть записано просто как {Ч, К, Б}.
Пример 5 Бросание игральных костей.
Игральная кость это куб с шестью гранями, на каждой их которых нарисовано от одной до шести точек.
Предположим, что мы бросаем игральную кость. Найдите
a) Исходы
b) Пространство исходов
Решение
a) Исходы: 1, 2, 3, 4, 5, 6.
b) Пространство исходов {1, 2, 3, 4, 5, 6}.
Мы обозначаем вероятность того, что событие Е случается в качестве Р (Е). Например, "монета упадет решкой" можно обозначать H. Тогда Р (Н) представляет собой вероятность того, монета упадет решкой. Когда все исходы эксперимента имеют одинаковую вероятность появления, говорят, что они равновероятны. Чтобы увидеть различия между событиями, которые равновероятны, и неравновероятными событиями, рассмотрим мишень, изображенную ниже.
Для мишени A, события попадания в черное, красное и белое равновероятны, так как черные, красные и белые сектора - одинаковые. Однако, для мишени B зоны с этими цветами не одинаковы, то есть попадание в них не равновероятно.
Принцип P (Теоретический)
Если событие E может случиться m путями из n возможных равновероятных исходов из пространства исходов S, тогда теоретическая вероятность
события, P(E) составляет
P(E) = m/n.
Пример 6 Какая вероятность выкинуть 3, бросив игральный кубик?
Решение На игральном кубике 6 равновероятных исходов и существует только одна возможность выбрасивания цифры 3. Тогда вероятность P составит P(3) = 1/6.
Пример 7 Какая вероятность выбрасывания четной цифры на игральном кубике?
Решение Событие - это выбрасывание четной цифры. Это может случиться 3 способами (если выпадет 2, 4 или 6). Число равновероятных исходов равно 6. Тогда вероятность P(четное) = 3/6, или 1/2.
Мы будем использовать ряд примеров, связанных со стандартной колодой из 52 карт. Такая колода состоит из карт, показанных на рисунке ниже.
Пример 8 Какая вероятность вытянуть туза из хорошо перемешанной колоды карт?
Решение
Существует 52 исхода (количество карт в колоде), они равновероятны (если колода хорошо перемешана), и есть 4 способа вытянуть туза, поэтому согласно принципу P, вероятность
P(вытягивания туза) = 4/52, или 1/13.
Пример 9 Предположим, что мы выбираем не глядя, один шарик из мешка с 3-мя красными шариками и 4-мя зелеными шариками. Какова вероятность выбора красного шарика?
Решение
Существует 7 равновероятных исходов достать любой шарик, и так как число способов вытянуть красный шарик равно 3, получим
P(выбора красного шарика) = 3/7.
Следующие утверждения - это результаты из принципа P.
Свойства вероятности
a) Если событие E не может случиться, тогда P(E) = 0.
b) Если событие E случиться непременно тогда P(E) = 1.
c) Вероятность того, что событие Е произойдет это число от 0 до 1: 0 ≤ P(E) ≤ 1.
Например, в бросании монеты, событие, когда монета упадет на ребро имеет нулевую вероятность. Вероятность того, что монета либо на орел или решку имеет вероятность 1.
Пример 10 Предположим, что вытягиваются 2 карты из колоды с 52-мя картами. Какова вероятность того, что обе из них пики?
Решение
Число путей n вытягивания 2 карт из хорошо перемешанной колоды с 52 картами есть 52 C 2 . Так как 13 из 52 карт являются пиками, число способов m вытягивания 2-х пик есть 13 C 2 . Тогда,
P(вытягивания 2-х пик)= m/n = 13 C 2 / 52 C 2 = 78/1326 = 1/17.
Пример 11 Предположим, что 3 человека выбираются случайно из группы, состоящей из 6-ти мужчин и 4-х женщин. Какова вероятность того, что будут выбраны 1 мужчина и 2 женщины?
Решение
Число способов выбора троих человек из группы 10 человек 10 C 3 . Один мужчина может быть выбран 6 C 1 способами, и 2 женщины могут быть выбраны 4 C 2 способами. Согласно фундаментальному принципу подсчета, число способов выбора 1-го мужчины и 2-х женщин 6 C 1 . 4 C 2 . Тогда, вероятность что будет выбраны 1-го мужчины и 2-х женщин есть
P = 6 C 1 . 4 C 2 / 10 C 3 = 3/10.
Пример 12 Бросание игральных кубиков. Какая вероятность выбрасывания в сумме 8 на двух игральных кубиках?
Решение
На каждом игральном кубике есть 6 возможных исходов. Исходы удваиваются, то есть существует 6.6 или 36 возможных способа, в котором могут выпасть цифры на двух кубиках. (Лучше, если кубики разные, скажем один красный а второй голубой - это поможет визуализировать результат.)
Пары цифр, в сумме составляющие 8, показаны на рисунке внизу. Есть 5 возможных способов получения суммы, равной 8, отсюда вероятность равна 5/36.
Все на свете происходит детерминировано или случайно…
Аристотель
Вероятность: основные правила
Теория вероятностей вычисляет вероятности различных событий. Основным в теории вероятностей является понятие случайного события.
Например, вы бросаете монету, она случайным образом падает на герб или решку. Заранее вы не знаете, на какую сторону монета упадет. Вы заключаете договор страхования, заранее вы не знаете, будут или нет проводиться выплаты.
В актуарных расчетах нужно уметь оценивать вероятность различных событий, поэтому теория вероятностей играет ключевую роль. Ни одна другая область математики не может оперировать с вероятностями событий.
Рассмотрим более подробно подбрасывание монеты. Имеется 2 взаимно исключающих исхода: выпадение герба или выпадение решки. Исход бросания является случайным, так как наблюдатель не может проанализировать и учесть все факторы, которые влияют на результат. Какова вероятность выпадения герба? Большинство ответит ½, но почему?
Пусть формально А обозначает выпадение герба. Пусть монета бросается n раз. Тогда вероятность события А можно определить как долю тех бросков, в результате которых выпадает герб:
где n общее количество бросков, n(A) число выпадений герба.
Отношение (1) называется частотой события А в длинной серии испытаний.
Оказывается, в различных сериях испытаний соответствующая частота при больших n группируется около некоторой постоянной величины Р(А) . Эта величина называется вероятностью события А и обозначается буквой Р - сокращение от английского слова probability - вероятность .
Формально имеем:
(2)
Этот закон называется законом больших чисел.
Если монета правильная (симметричная), то вероятность выпадения герба равняется вероятности выпадения решки и равняется ½.
Пусть А и В некоторые события, например, произошел или нет страховой случай. Объединением двух событий называется событие, состоящее в выполнении события А , события В , или обоих событий вместе. Пересечением двух событий А и В называется событие, состоящее в осуществлении как события А , так и события В .
Основные правила исчисления вероятностей событий следующие:
1. Вероятность любого события заключена между нулем и единицей:
2. Пусть А и В два события, тогда:
Читается так: вероятность объединения двух событий равна сумме вероятностей этих событий минус вероятность пересечения событий. Если события являются несовместными или непересекающимися, то вероятность объединения (суммы) двух событий равна сумме вероятностей. Этот закон называется законом сложения вероятностей .
Мы говорим, что события является достоверным, если его вероятность равна 1. При анализе тех или иных явлений возникает вопрос, как влияет наступление события В на наступление события А . Для этого вводится условная вероятность :
(4)
Читается так:
вероятность наступления А
при условии В
равняется вероятности пересечения А
и В
, деленной на вероятность события В
.
В формуле (4) предполагается, что вероятность события В
больше нуля.
Формулу (4) можно записать также в виде:
Это формула умножения вероятностей.
Условную вероятность называют также апостериорной вероятностью события А - вероятность наступления А после наступления В .
В этом случае саму вероятность называют априорной вероятностью. Имеется еще несколько важных формул, которые интенсивно используются в актуарных расчетах.
Формула полной вероятности
Допустим, что проводится опыт, об условиях которого можно заранее сделать взаимно исключающие друг друга предположения (гипотезы):
Мы предполагаем, что имеет место либо гипотеза , либо … либо. Вероятности этих гипотез известны и равны:
Тогда имеет место формула полной вероятности :
(6)
Вероятность наступления события А равна сумме произведений вероятности наступления А при каждой гипотезе на вероятность этой гипотезы.
Формула Байеса
Формула Байеса
позволяет пересчитывать вероятность гипотез в свете новой информации, которую дал результат А
.
Формула Байеса в известном смысле является обратной к формуле полной вероятности.
Рассмотрим следующую практическую задачу.
Задача 1
Предположим, произошла авиакатастрофа и эксперты заняты исследованием ее причин. Заранее известны 4 причины, по которым произошла катастрофа: либо причина, либо , либо , либо . По имеющейся статистике эти причины имеют следующие вероятности:
При осмотре места катастрофы найдены следы воспламенения горючего, согласно статистике вероятность этого события при тех или иных причинах такая:
Вопрос: какая причина катастрофы наиболее вероятна?
Вычислим вероятности причин при условия наступления события А .
Отсюда видно, что наиболее вероятной является первая причина, так как ее вероятность максимальна.
Задача 2
Рассмотрим посадку самолета на аэродром.
При посадке погодные условия могут быть такими: низкой облачности нет (), низкая облачность есть (). В первом случае вероятность благополучной посадки равна P1 . Во втором случае - Р2 . Ясно, что P1>P2 .
Приборы, обеспечивающие слепую посадку, имеют вероятность безотказной работы Р . Если есть низкая облачность и приборы слепой посадки отказали, вероятность удачного приземления равна Р3 , причем Р3<Р2 . Известно, что для данного аэродрома доля дней в году с низкой облачностью равна .
Найти вероятность благополучной посадки самолета.
Нужно найти вероятность .
Имеются два взаимно исключающих варианта: приборы слепой посадки действуют, приборы слепой посадки отказали, поэтому имеем:
Отсюда по формуле полной вероятности:
Задача 3
Страховая компания занимается страхованием жизни. 10% застрахованных в этой компании являются курильщиками. Если застрахованный не курит, вероятность его смерти на протяжении года равна 0.01 Если же он курильщик, то эта вероятность равна 0.05.
Какова доля курильщиков среди тех застрахованных, которые умерли в течение года?
Варианты ответов: (А) 5%, (Б) 20%, (В) 36 %, (Г) 56%, (Д) 90%.
Решение
Введём события:
Условие задачи означает, что
Кроме того, поскольку события и образуют полную группу попарно несовместимых событий, то .
Интересующая нас вероятность - это .
Используя формулу Байеса, мы имеем:
поэтому верным является вариант (В ).
Задача 4
Страховая компания продаёт договора страхования жизни трёх категорий: стандартные, привилегированные и ультрапривилегированные.
50% всех застрахованных являются стандартными, 40% - привилегированными и 10% - ультрапривилегированными.
Вероятность смерти в течение года для стандартного застрахованного равна 0.010, для привилегированного - 0.005, а для ультра привилегированного - 0.001.
Чему равна вероятность того, что умерший застрахованный является ультрапривилегированным?
Решение
Введем в рассмотрение следующие события:
В терминах этих событий интересующая нас вероятность - это . По условию:
Поскольку события , , образуют полную группу попарно несовместимых событий, используя формулу Байеса мы имеем:
Случайные величины и их характеристики
Пусть некоторая случайная величина, например, ущерб от пожара или величина страховых выплат.
Случайная величина полностью характеризуется своей функцией распределения.
Определение.
Функция 
называется функцией распределения
случайной величины ξ
.
Определение. Если существует такая функция , что для произвольных a выполнено
то говорят, что случайная величина ξ имеет плотность распределения вероятности f(x) .
Определение.
Пусть . Для непрерывной функции распределения F
теоретической α-квантилью
называется решение уравнения .
Такое решение может быть не единственным.
Квантиль уровня ½ называется теоретической медианой , квантили уровней ¼ и ¾ - нижней и верхней квартилями соответственно.
В актуарных приложениях важную роль играет неравенство Чебышева:
при любом
Символ математического ожидания.
Читается так: вероятность того, что модуль больше меньше или равняется математическому ожиданию величины модуль , деленному на .
Время жизни как случайная величина
Неопределенность момента смерти является основным фактором риска при страховании жизни.
Относительно момента смерти отдельного человека нельзя сказать ничего определенного. Однако если мы имеем дело с большой однородной группой людей и не интересуемся судьбой отдельных людей из этой группы, то мы находимся в рамках теории вероятностей как науки о массовых случайных явлениях, обладающих свойством устойчивости частот.
Соответственно, мы можем говорить о продолжительности жизни как о случайной величине Т.
Функция выживания
В теории вероятностей описывают стохастическую природу любой случайной величины Т функцией распределения F (x), которая определяется как вероятность того, что случайная величина Т меньше, чем число x :
.
В актуарной математике приятно работать не с функцией распределения, а с дополнительной функцией распределения 
.
Применительно к продолжительной жизни - это вероятность того, что человек доживет до возраста x
лет.
называется функцией выживания (survival function ):
Функция выживания обладает следующими свойствами:
В таблицах продолжительности жизни обычно считают, что существует некоторый предельный возраст (limiting age ) (как правило, лет) и соответственно при x >.
При описании смертности аналитическими законами обычно считают, что время жизни неограниченно, однако подбирают вид и параметры законов так, чтобы вероятность жизни свыше некоторого возраста была пренебрежимо мала.
Функция выживания имеет простой статистический смысл.
Допустим, что мы наблюдаем за группой из новорожденных (как правило, ), которых мы наблюдаем и можем фиксировать моменты их смерти.
Обозначим число живых представителей этой группы в возрасте через . Тогда:
.
Символ E здесь и ниже используется для обозначения математического ожидания.
Итак, функция выживания равна средней доле доживших до возраста из некоторой фиксированной группы новорожденных.
В актуарной математике часто работают не с функцией выживания , а с только что введенной величиной (зафиксировав начальный размер группы ).
Функция выживания может быть восстановлена по плотности:
Характеристики продолжительности жизни
С практической точки зрения важны следующие характеристики:
1 . Среднее время жизни
,
2
. Дисперсия
времени жизни
,
где
,
Формулы для вычисления вероятности событий
1.3.1. Последовательность независимых испытаний (схема Бернулли)
Предположим, что некоторый эксперимент можно проводить неоднократно при одних и тех же условиях. Пусть этот опыт производится n раз, т. е. проводится последовательность из n испытаний.
Определение. Последовательность n испытаний называют взаимно независимой , если любое событие, связанное с данным испытанием, не зависит от любых событий, относящихся к остальным испытаниям.
Допустим, что некоторое событие A может произойти с вероятностью p в результате одного испытания или не произойти с вероятностью q = 1- p .
Определение . Последовательность из n испытаний образует схему Бернулли, если выполняются следующие условия:
последовательность n испытаний взаимно независима,
2) вероятность события A не изменяется от испытания к испытанию и не зависит от результата в других испытаниях.
Событие A называют “ успехом” испытания, а противоположное событие - “неудачей”. Рассмотрим событие
={
в n
испытаниях произошло ровно m
“успехов”}.
Для вычисления вероятности этого события справедлива формула Бернулли
p
(
)
=
, m
= 1, 2, …, n
, (1.6)
где
- число сочетаний из n
элементов по m
:
=
=
.
Пример 1.16. Три раза подбрасывают кубик. Найти:
а) вероятность того, что 6 очков выпадет два раза;
б) вероятность того, что число шестерок не появится более двух раз.
Решение . “Успехом” испытания будем считать выпадение на кубике грани с изображением 6 очков.
а)
Общее число испытаний – n
=3,
число “успехов” – m
=
2. Вероятность “успеха” - p
=
,
а вероятность “неудачи” - q
=
1 -
=.
Тогда по формуле Бернулли вероятность
того, что результате трехразового
бросания кубика два раза выпадет сторона
с шестью очками, будет равна
.
б)
Обозначим через А
событие, которое заключается в том, что
грань с числом очков 6 появится не более
двух раз. Тогда событие можно представить
в виде суммы
трех несовместных
событий А=
,
где В 3 0 – событие, когда интересующая грань ни разу не появится,
В 3 1 - событие, когда интересующая грань появится один раз,
В 3 2 - событие, когда интересующая грань появится два раза.
По формуле Бернулли (1.6) найдем
p
(А
)
=
р (
)
=
p
(
)=
+
+
=
=
.
1.3.2. Условная вероятность события
Условная вероятность отражает влияние одного события на вероятность другого. Изменение условий, в которых проводится эксперимент, также влияет
на вероятность появления интересующего события.
Определение. Пусть A и B – некоторые события, и вероятность p (B )> 0.
Условной вероятностью события A при условии, что “событие B уже произошло” называется отношение вероятности произведения данных событий к вероятности события, которое произошло раньше, чем событие, вероятность которого требуется найти. Условная вероятность обозначается как p (A B ). Тогда по определению
p
(A
B
)
=
.
(1.7)
Пример 1.17. Подбрасывают два кубика. Пространство элементарных событий состоит из упорядоченных пар чисел
(1,1) (1,2) (1,3) (1,4) (1,5) (1,6)
(2,1) (2,2) (2,3) (2,4) (2,5) (2,6)
(3,1) (3,2) (3,3) (3,4) (3,5) (3,6)
(4,1) (4,2) (4,3) (4,4) (4,5) (4,6)
(5,1) (5,2) (5,3) (5,4) (5,5) (5,6)
(6,1) (6,2) (6,3) (6,4) (6,5) (6,6).
В примере 1.16 было установлено, что событие A ={число очков на первом кубике > 4} и событие C ={сумма очков равна 8} зависимы. Составим отношение
.
Это отношение можно интерпретировать следующим образом. Допустим, что о результате первого бросания известно, что число очков на первом кубике > 4. Отсюда следует, что бросание второго кубика может привести к одному из 12 исходов, составляющих событие A :
(5,1) (5,2) (5,3) (5,4) (5,5) (5,6)
(6,1) (6,2) (6,3) (6,4) (6,5) (6,6) .
При
этом событию C
могут соответствовать только два из
них (5,3) (6,2). В этом случае вероятность
события C
будет
равна
.
Таким образом, информация о наступлении
событияA
оказала влияние на вероятность события
C
.
Вероятность произведения событий
Теорема умножения
Вероятность произведения событий A 1 A 2 A n определяется формулой
p (A 1 A 2 A n ) = p (A 1) p (A 2 A 1)) p (A n A 1 A 2 A n- 1). (1.8)
Для произведения двух событий отсюда следует, что
p (AB ) = p (A B) p {B ) = p (B A ) p {A ). (1.9)
Пример 1.18. В партии из 25 изделий 5 изделий бракованных. Последовательно наугад выбирают 3 изделия. Определить вероятность того, что все выбранные изделия бракованные.
Решение. Обозначим события:
A 1 = {первое изделие бракованное},
A 2 = {второе изделие бракованное},
A 3 = {третье изделие бракованное},
A = {все изделия бракованные}.
Событие А есть произведение трех событий A = A 1 A 2 A 3 .
Из теоремы умножения (1.6) получим
p (A ) = р( A 1 A 2 A 3 ) = p (A 1) p (A 2 A 1))p (A 3 A 1 A 2).
Классическое определение вероятности позволяет найти p (A 1) – это отношение числа бракованных изделий к общему количеству изделий:
p
(A
1)=
;
p (A 2) – это отношение числа бракованных изделий, оставшихся после изъятия одного, к общему числу оставшихся изделий:
p
(A
2
A
1))=
;
p (A 3) – это отношение числа бракованных изделий, оставшихся после изъятия двух бракованных, к общему числу оставшихся изделий:
p
(A
3
A
1 A
2)=
.
Тогда вероятность события A будет равна
p
(A
)
=
=
.
| " |
Объединением
(логической суммой)
N событий называют событие
,
которое наблюдается каждый раз, когда
наступаетхотя бы одно из
событий
.
В частности, объединением
событий A и B
называют событие A
+
B
(у некоторых авторов
),
которое наблюдается, когданаступает
или
A,
или
B
или
оба этих события одновременно
(Рис. 7).
Признаком пересечения в текстовых
формулировках событий служит союз“или”
.
Рис. 7. Объединение событий A+B
Необходимо
учитывать, что вероятности события
P{A} соответствует
как левая часть заштрихованной на Рис. 7
фигуры, так и её центральная часть,
помеченная как
.
И исходы, соответствующие
событию B,
располагаются как в правой части
заштрихованной
фигуры, так и в помеченной
центральной части. Таким образом,
при сложении
и
площадка
реально войдет в эту сумму дважды, а
точное выражение для площади заштрихованнойфигуры имеет
вид
.
Итак, вероятность объединения двух событий A и B равна
Для большего числа событий общее расчетное выражение становится крайне громоздким из-за необходимости учета многочисленных вариантов взаимного наложения областей. Однако, если объединяемые события являются несовместными (см. с. 33), то взаимное наложение областей оказывается невозможным, а благоприятная зона определяется непосредственно суммой областей, соответствующих отдельным событиям.
Вероятность
объединения
произвольного числанесовместных
событий
определяется выражением
|
|
Следствие 1
:
Полная группа
событий состоит из событий
несовместных, одно из которых в опыте
обязательно реализуется. В результате,если события
…
,образуют
полную группу
,
то для них
Таким образом,
С
ледствие
3
Учтем,
что противоположным
утверждению «произойдет хотя бы
одно из событий
…
»
является утверждение «ни одно из событий
…
не реализуется». Т.е., иначе говоря, «в
опыте будут наблюдаться события
,
и
,
и …, и
»,
что представляет собой уже пересечение
событий, противоположных исходному
набору. Отсюда, с учетом (2 .0), для
объединения произвольного числа событий
получаем
|
|
Следствия
2, 3 показывают, что в тех случаях, когда
непосредственный расчет вероятности
какого-то события является проблематичным,
полезно оценить
трудоёмкость исследования события
ему противоположного. Ведь, зная значение
,
получить из (2 .0) нужную величину
никакого труда уже не представляет.
Примеры расчетов вероятностей сложных событий
Пример 1 : Двое студентов (Иванов и Петров) вместе я вились на защиту лабораторной работы, выучив первые 8 кон трольных вопросов к этой работе из 10 имеющихся. Проверяя подготовленность, п реподаватель задает каждому лишь оди н случайно выбираемый вопрос. Определить вероятность следующих событий:
A = “Иванов защитит лабораторную работу”;
B = “Петров защитит лабораторную работу”;
C = “оба защитят лабораторную работу”;
D = “хотя бы один из студентов защитит работу”;
E = “только один из студентов защитит работу”;
F = “никто из них не защитит работу”.
Решение. Отметим, что способность защитить работу как Иванова, т ак и Петрова в отдельности определяется лишь числом освоенных вопросов, поэтом у . (Примечание: в данном примере значения получаемых дробей сознательно не сокращались для упрощения сопоставления результатов расчетов.)
Событие C можно сформулировать иначе как «работу защитит и Иванов, и Петров», т.е. произойдут и событие A , и событие B . Таким образом, событие C является пересечением событий A и B , и в соответствии с (2 .0)
где сомножитель “7/9” появляется из-за того, что наступление события A означает, что Иванову достался «удачный» вопрос, а значит на долю Петрова из оставшихся 9 вопросов приходится теперь лишь 7 «хороших» вопросов.
Событие D подразумевает, что «работу защитит или Иванов, или Петров, или они оба вместе», т.е. произойдёт хотя бы одно из событий A и B . Итак, событие D является объединением событий A и B , и в соответствии с (2 .0)
что соответствует ожиданиям, т.к. даже для каждого из студентов в отдельности шансы на успех довольно велики.
С обытие Е означает, что «либо работу защитит Ивано в, а Петров «п ровалится», или Иванову попадется неудачный во прос, а Петров с защитой справится». Два альтернативных варианта являются взаимоисключающими (несовместными), поэтому
Наконец, утверждение F окажется справедливым лишь если « и Иванов, и Петров с защитой не справятся». Итак,
На этом решение задачи завершено, однако полезно отметить следующие моменты:
1. Каждая из
полученных вероятностей удовлетворяет
условию (1 .0), н
о
если для
и
получить
конфликт
ующие с
(1 .0) в
принципе невозможно, то для
попытка и
спользования
(2 .0) вместо (2 .0) привела бы к явно
некорр
ектному значению
.
Важно помнить, что подобное значение
вероятности принципиально невозможно,
и при получении столь парадоксального
результата незамедлительно приступать
к поиску ошибки.
2. Найденные вероятности удовлетворяют соотношения м
.
Э то вполне ожидаемо, т.к. события C , E и F образуют полн ую группу, а события D и F противоположны друг другу. Учет этих соотношений с одной стороны может быть использо ван для перепроверки расчетов, а в другой ситуации может послужить основой альтернативного способа решения задачи.
П римечание : Не пренебрегайте письменной фиксацией точной формулировки события, иначе по ходу решения задачи Вы можете непроизвольно перейти к иной трактовке смысла этого события, что повлечет ошибки в рассуждениях.
Пример 2 : В крупной партии микросхем, не прошедших выходной контроль качества, 30% изделий являются бракованными. Если из этой партии наугад выбрать какие-либо две микросхемы, то какова вероятность, что среди них:
A = “обе годные”;
B = “ровно 1 годная микросхема”;
C = “обе бракованные”.
Проанализируем следующий вариант рассуждений (осторожно, содержит ошибку):
Так как речь идет о крупной партии изделий, то изъятие из неё нескольких микросхем практически не влияет на соотношение числа годных и бракованных изделий, а значит, выбирая несколько раз подряд какие-то микросхемы из этой партии, можно считать, что в каждом из случаев остаются неизменными вероятности
=
P
{
выбрано бракованное изделие } = 0,3 и
=
P
{
выбрано годное изделие } = 0,7.
Для наступления события A необходимо, чтобы и в первый, и во второй раз было выбрано годное изделии, а потому (учитывая независимость друг от друга успешности выбора первой и второй микросхемы) для пересечения событий имеем
Аналогично, для наступления события С нужно, чтобы оба изделия оказались бракованными , а для получения B нужно один раз выбрать годное, а один – бракованное изделие.
Признак ошибки. Х отя все полученные выше вероятност и выглядят правдоподобными, при их совместном анализе легко з аметить, что .Однако случаи A , B и C образуют полную группу событий, для которой должно выполняться .Это противоречие указывает на наличие какой-то ошибки в рассуждениях.
С уть ошибки. Введем в рассмотрение два вспомогате льных события :
= “первая
микросхема – годная, вторая - бракованная”;
=
“первая микросхема – бракованная,
вторая – годная”.
Очевидно, что
,
однако именно такой вариант расчета
был выше использован для получения
вероятности события
B
,
хотя события
B
и
не являются э
квивалентными
.
На самом деле,
,
т.к. формулировка
события
B
требует, чтобы среди микросхем ровно
одна
, но совсем
не
обязательно первая
была годной
(а другая – бракованной). Поэтому, хотя
событие
не является дублем события
,
а должно учиты
ваться независимо.
Учитывая несовместность событий
и
,
вероятность их логической суммы будет
равна
После указанного исправления расчетов имеем
что косвенно подтверждает корректность найденных вероятностей.
Примечание : Обращайте особое внимание на отличие в формулировках событий типа “только первый из перечисленных элементов должен…” и “только один из перечисленных элем ентов должен…”. Последнее событие явно шире и включае т в свой состав первое как один из (возможно многочисленны х) вариантов. Эти альтернативные варианты (даже при совпадении их вероятностей) следует учитывать независимо друг от друга.
П римечание : Слово “процент” произошло от “ per cent ”, т.е. “на сотню”. Представление частот и вероятностей в процентах позволяет оперировать более крупными значениями, что иногда упрощает восприятие значений “на слух”. Однако использовать в расчетах для правильной нормировки умножение или деление на “100 %” громоздко и неэффективно. В связи с этим, не з абывайте при использовании значений, упомя нутых в процентах, подставлять их в расчетные выражения у же в виде долей от единицы (например, 35% в расчете записываетс я как “0,35”), чтобы минимизировать риск ошибочной нормировки результатов.
Пример 3 : Набор резисторов содержит один резистор н оминалом 4 кОм, три резистора по 8 кОм и шесть резист оров с сопротивлением 15 кОм. Выбранные наугад три резистора соединяются друг с другом параллельно. Определить вероятность получения итогового сопротивления, не превышающего 4 кОм.
Реш ение. Сопротивление параллельного соединения рез исторов может быть рассчитано по формуле
.
Это позволяет ввести в рассмотрение события, такие как
A
= “выбраны три резистора по 15 кОм” =
“
”;
B
= “в
зяты два
резистора по 15 кОм и один с сопротивление
м
8 кОм” =“
”…
Полная группа событий, соответствующих условию задачи, включает ещё целый ряд вариантов, причем именно таких, к оторые соответствуют выдвинутому требованию о получении сопротивления не более чем 4 кОм. Однако, хотя “прямой” путь решения, предполагающий расчет (и последующее сумми рование) вероятностей, характеризующих все эти события, и является правильным, действовать таким образом нецелесообразно.
Отметим, что для получения итогового сопротивления менее 4 кОм д остаточно, чтобы в используемый набор вошел хотя бы один резистор с сопротивлени ем менее 15 кОм. Таким образом, лишь в случае A требование задачи не выполняется, т.е. событие A является противоположным исследуемому. Вместе с тем,
.
Таким образом, .
П
ри
мечание
:
Рассчитывая вероятность некоторого
события
A
,
не забывайте проанализировать трудоемкость
определени
я вероятности
события ему противоположного. Если
расс
читать
легко, то
именно с этого и надо начинать решен
ие
задачи
, завершая его применением
соотношения
(2 .0).
П ример 4 : В коробке имеются n белых, m черных и k красных шаров. Шары по одному наугад извлекаются из коробки и возвращаются обратно после каждого извлечения. Определить вероятность события A = “белый шар будет извлечен раньше, чем черный ” .
Реш ение. Рассмотрим следующую совокупность событий
= “белый шар
извлекли при первой же попытке”;
= “сначала вынули
красный шар, а затем - белый”;
=
“дважды вынули красный шар, а на третий
раз - белый
”…
Так к
ак
шарики возвращаются, то последовательность
соб
ытий
может быть формально бесконечно
протяженной.
Эти события являются несовместными и составляют в совокупности тот набор ситуаций, при которых происходит событие A . Таким образом,
Несложно заметить,
что входящие в сумму слагаемые образуют
геометрическую прогрессию
с начальным элементом
и знаменателем
.
Но сумм
а элементов бесконечной
геометрической прогрессии равна
|
|
.
Таким образом, . Л юбопытно, что эта вероятность (как следует из полученно го выражения) не зависит от числа красных шаров в коробке.