第一章概率电子教案.ppt

引言 在我们所存在的客观世界中 有各种各样的现象 如在标准大气压下 水加热到100 c就沸腾 同性电荷互相排斥 异性电荷相互吸引 再如 在相同条件下抛同一枚硬币 其结果可能正面朝上 也可能反面朝上 并且在每次抛掷之前无法肯定抛掷的结果 我们将上述两种现象分别称为确定性现象和随机现象 确定性现象 这类现象在一定条件下必然发生 随机现象 这类现象 事情发生的可能结果有多个 这多个可能的结果是确定的 当我们多次重复观察 在相同条件下 事情的结果时 只出现其一 但出现哪一种结果不能预先肯定 经过长期实践 人们发现 尽管随机现象出现的结果是随机的 无规律的 但当大量观察同类现象后 可以发现其确实存在某种规律性 概率论与数理统计是研究和揭示随机现象统计规律性的一门数学学科 第一章概率论的基本概念 1 1随机试验 1 2样本空间 随机事件 1 3频率与概率 1 4等可能概型 古典概型 1 5条件概率 1 6独立性 1 1随机试验 定义 1 试验 在这里试验可指各种各样的科学试验 也包括对事物特征的观察与检测等 范围比较广泛 2 随机试验 如果试验具有如下特征1 可以在相同的条件下重复地进行 2 每次试验的结果不止一个 并且能事先明确试验的所有可能结果 3 进行一次试验之前不能确定哪一个结果会出现 这种试验称为随机试验常用字母E表示 本书后面所提到的试验都是指随机试验 例 E1 抛一枚硬币 观察正面H 反面T出现的情况 E2 将一枚硬币抛掷三次 观察正面H 反面T出现的情况 E3 将一枚硬币抛掷三次 观察反面出现的次数 E4 抛掷一枚骰子 观察出现的点数 E5 记录电话台 某固定 一分钟内接到的呼叫次数 E6 在一批灯泡中任意抽取一只 测试其寿命 1 2样本空间 随机事件 对于随机试验来讲 尽管我们在每次试验之前不能预先知道试验可能出现的结果 但试验的所有可能结果是已知的 将此集合定义为样本空间 一 样本空间 为了表达方便 可以用适当的记号或数字来表示试验结果 用这些记号或数字组成的集合来表示样本空间 例如写出 1 1节中所列的试验Ei的样本空间试验E1 S1 H T H表示出现正面 T表示出现反面 试验E2 S2 HHH HHT HTH THH HTT THT TTH TTT 试验E3 S3 0 1 2 3 0 1 2 3分别表示出现0次反面 1次反面 2次反面 3次反面 试验E4 S4 1 2 3 4 5 6 试验E5 S5 0 1 2 试验E6 S6 t t 0 t表示灯泡的寿命 需要指出的是 样本空间是相对于某个随机试验而言 而其元素取决于试验的内容和目的 例在E2和E3中同是将一枚硬币抛掷三次 由于试验的目的不一样 其样本空间也不一样 注 在实际工作中 对于随机试验 人们通常所关心的是满足某种条件的的那些样本点所组成的集合 例如 若规定某种灯泡的寿命 小时 小于600为次品 则在试验E6中我们关心灯泡的寿命是否有t 600小时 满足这一条件的样本点组成S的一个子集A t t 600 我们称A为试验E6的一个随机事件 当且仅当子集A中的一个样本点出现时 有t 600 这时称A事件发生 二 随机事件 5 不可能事件 空集 不包含任何样本点 它也作为样本空间的子集 它在每次试验中都不发生 称为不可能事件 定义 1 随机事件 试验E的样本空间S的子集为E的随机事件 简称事件 2 事件发生 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 3 基本事件 由一个样本点组成的单点集 称为基本事件 4 必然事件 由于样本空间S包含所有的样本点 它是S自身的子集 在每次试验中它总是发生的 称为必然事件 事件A1 第一次出现的是T 即 事件A2 三次出现同一面 即 A1 THH THT TTH TTT A2 TTT HHH 由于事件是样本空间的子集合 自然事件间的关系与运算自然可以按集合论中集合之间的关系与运算来处理 下面根据 事件发生 的含义 给出这些关系在概率论中的提法 三 事件间的关系与事件的运算 一 事件间的关系 1 事件的包含 如果事件A发生必然导致事件B发生 称事件B包含事件A 或称事件A含于事件B 记作BA或AB 这时也称A是B的子事件 显然对于任何事件A有 AS 2 事件的相等 如果事件A包含事件B 事件B也包含事件A 称事件A与B相等 记作A B 3 事件的和 当且仅当事件A与事件B至少有一个发生 这一事件称为事件A与B的和 记作A B 类似地 1 事件A1 A2 An中至少有一个发生 这一事件称为A1 A2 An的和 记作A1 A2 An 简记为 2 事件A1 A2 An 中至少有一个发生 这一事件称为事件A1 A2 An 的和 记作A1 A2 An 简记为 4 事件的积 事件A与事件B同时发生 这一事件称为事件A与B的积 记作A B或AB 类似地 1 事件A1 A2 An同时发生的事件称为A1 A2 An的积 记作A1 A2 An 或A1A2 An 简记为 2 事件A1 A2 An 同时发生的事件称为A1 A2 An 的积 记作A1 A2 An 或A1A2 An 简记为 6 互不相容 互斥 的事件 事件A与事件B不能同时发生 则称事件A与事件B是互不相容事件 或称互斥事件 记作A B 这时A B可记为A B 5 事件的差 事件A发生而事件B不发生 这一事件称为事件A与事件B的差 记作A B 注 在任意一个随机试验中基本事件都是互不相容的 还容易看出 事件A与B A也是互不相容的 7 对立事件 互逆事件 若事件A与事件B同时满足A B S A B 则称A与B互逆 又称A是B的对立事件 或B是A的对立事件 A的对立事件记作 B的对立事件记作 且A与B互逆记作A 或B 二 事件的运算法则 1 交换律 A B B A A B B A 由于事件与集合的联系 在事件运算时 经常要用到与集合相类似的运算法则 设A B C为事件 则有 2 结合律 A B C A B C A B C A B C 3 分配律 A B C A B A C A B C A B A C 5 对必然事件的运算法则 A S S A S A6 对不可能事件的运算法则 A A A 例2从大批产品中取产品检验 设事件Ak表示 第k次取到合格产品 k 1 2 3 用A1 A2 A3表达下列各事件 1 A表示 三次都取到不合格产品 2 B表示 三次中至少有一次取到不合格产品 3 C表示 第一次取到合格产品 而第二 三次都没取到合格产品 4 D表示 三次中至少有两次取到合格产品 1 3频率与概率 一 频率 1 定义 在相同的条件下 进行了 次试验 若随机事件A在 次试验中发生了 次 则称m n为事件 的频率 记作 即 m n 2 性质显然 频率具有如下性质 1 0 12 3 若是两两不相容的事件 则 经验表明 随着试验次数n的增大 频率值徘徊在某个确定的常数附近 例 抛硬币 试验 设A表示 抛掷一枚硬币 其结果出现正面 将一枚硬币抛掷5次 50次 500次 各做4遍的结果如下 从上面的例子可以看出 试验次数n越大 出现正面的频率越接近0 5 即频率稳定于0 5 经验表明 只要试验是在相同的条件下进行的 则随机事件出现的频率稳定于一个固定的常数 常数是事件本身所固有的 是不随人们的意志而改变的一种客观属性 它是对事件出现的可能性大小进行度量的客观基础 为了理论研究的需要 从频率的稳定性和频率的性质得到启发 给出如下度量事件发生可能性大小的概率的定义 二 概率 1 定义 设E是随机试验 S是它的样本空间 对于E的每一事件A赋于一个实数 记为P A 称为事件A的概率 如果集合函数P 满足下列条件 1 对于每一个事件A 有P A 0 2 P S 1 3 设A1 A2 是两两互不相容的事件 即对于则有P P A1 P A2 3 1 3 1 式称为概率的可列可加性 2 若A1 A2 An是两两互不相容的事件 则有P A1 A2 An P A1 P A2 P An 3 2 3 2 式称为概率的有限可加性 2 性质 1 P 0 3 设A B是两个事件 若AB 则有P B A P B P A 3 3 P B P A 3 4 4 对于任一事件A 有P A 1 推论 对于任意事件A B有P B A P B P AB 6 对于任意两事件A B有P A B P A P B P AB 3 5 推论1 设A1 A2 A3为任意三个事件 则有 P A1 A2 A3 P A1 P A2 P A3 P A1A2 P A1A3 P A2A3 P A1A2A3 3 6 推论2 对于任意n个事件A1 A2 An 则有 P A1 A2 An 例3某地发行 等三种读物 在这个地区的儿童中 订 的占45 订 的占35 订 的占30 同时订 和 的占10 同时订 及 的占8 同时订 和 的占5 同时订 和 的占3 试求下列事件的概率D1 至少订购一种读物 D2 三种读物都不订购 D3 只订 D4 只订购一种读物 解 设A 订购 B 订购 C 订购 则由已知得 P A 0 45 P B 0 35 P C 0 30 P AB 0 10 P AC 0 08 P BC 0 05 P ABC 0 03 答案 1 0 9 2 0 1 3 0 3 4 0 73 1 定义 等可能概型 古典概型 设E是试验 S是E的样本空间 若 1 试验的样本空间的元素只有有限个 2 试验中每个基本事件发生的可能性相同 这种试验称为等可能概型或古典概型 1 4等可能概型 古典概型 2 古典概型中事件A的概率的计算公式 设试验E的样本空间S e1 e2 en 且每个基本事件发生的可能性相同 若A包含k个基本事件 即A 则有 P A 注 要计算事件A的概率 必须要搞清楚样本空间所包含的基本事件总数以及A所包含的基本事件数 例1将一枚均匀硬币连续抛掷三次 1 设事件A为 恰有一次出现正面 求P A 2 设事件B为 至少有一次出现正面 求P B 解 1 样本空间所含基本事件总数为8 事件A所包含的基本事件数为3 故P A 3 8 注本题不能用E3的样本空间S3 0 1 2 3 因为其各个基本事件发生的可能性不同 例2为了减少比赛场次 把20个球队分成两组 每组10个队进行比赛 求最强的两个队分在不同组内的概率 解 把20个球队分为两组 每组10队 共有种分法 所以 基本事件总数为 设A 最强的两个队分在不同组内 若事件A发生 即把最强的两队拿出 将其余18个队分成两组 再将两个强队分别分在两组内 故事件A所包含的基本事件数为 所以P A 0 526 例3在一批n个产品中 有m个次品 从这批产品中任取k个产品 求其恰有l个 l m l k 次品的概率 解 从n个产品中任取k个产品 共有种取法 故基本事件总数为 设A 取出k个产品中恰有l个次品 若事件A发生 即从m个次品中取l个次品 从n m个正品中取k l个正品 故事件A所包含的基本事件数为所以P A 例4袋中有10个大小形状完全一样的球 其中4个红球 6个白球 按取法1和取法2连续从袋中取3个球 按两种取法分别求下列事件的概率 A 3个球都是白球 B 2个红球 1个白球 其中 取法1 每次抽取一个 看后放回袋中 再抽取下一个 这种取法称为放回抽样 取法2 每次抽取一个 看后不放回袋中 再抽取下一个 这种取法称为不放回抽样 解 1 放回抽样 由于每次抽取的小球看后都放回袋中 所以每次都是从10个小球中抽取 由乘法原理 从10个小球中有放回地抽取3个的所有可能的取法共有种 故基本事件总数为 若事件A发生 即3次取的小球都是白球 故事件A所含基本事件数为 所以P A 0 216若事件B发生 即3次取的小球中有2次取的是红球 一次取的是白球 考虑到白球出现的次序 故事件B所含基本事件数为 所以P B 0 288 2 不放回抽样 第一次从10个球中取1个小球 由于不再放回 因此第二次从9个小球中抽取1个 第三次从8个小球中抽取1个 故基本事件总数为10 9 8 若事件A发生 事件A所含基本事件数为6 5 4所以P A 0 167若事件B发生 事件B所含基本事件数为所以P B 0 3 解 把n m个学生随意排成一列 共有 m n 种排法 故基本事件总数为 m n 事件A发生的排列 先把n个男生排成一列 共有n 种排法 在每两个相邻的男生之间有一个位置 共 n 1 个位置 加上头尾共 n 1 个位置 从这n 1个位置中任意插入m个女生 共有种排法故事件A所包含的基本事件数为 所以P A 例5设有n个男生 m个女生 m n 1 随机排成一列 A 任意两个女生都不相邻 求P A 例6从0 1 2 3这四个数字中任取三个进行排列 求 取得的三个数字排成的数是三位数且为偶数 的概率 解 设A表示 排列的数字是三位数且为偶数 A0表示 排列的数字是三位数且末位为0 A2表示 排列的数字是三位数且末位为2 由于三位数的首位数不能为零 所以P A0 P A2 显然 A0 A2互斥 由性质得 P A P A0A2 P A0 P A2 例7设每人的生日在一年365天中的任一天是等可能的 任意选取n个人 n 365 求至少有两人生日相同的概率 例8在 2000的整数中随机地取一个数 问取到的整数既不能被6整除 又不能被8整除的概率是多少 例9将15名新生随机地平均分配到三个班级中去 这15名新生中有3名是优秀生 问 i 每一个班级各分配到一名优秀生的概率是多少 ii 3名优秀生分配在同一班级的概率是多少 解 i ii 解假设接待站的接待时间没有规定 而各来访者在一周内的任一天去接待站是等可能的 那么12次接待来访者都是在周二和周五进行的概率为P 0 0000003 即千万分之三 人们在长期的实践中总结得到的经验是 概率很小的事件在一次试验中几乎是不可能发生的 称为实际推断原理 按实际推断原理 可以推断接待时间是有规定的 例10某接待站在某一周曾接待过12次来访 已知所有这12次来访接待都是在周二和周五进行的 问是否可以推断接待时间是有规定的 例11设袋中装有a只白球 b只红球 k个人依次在袋中取一只球 1 作放回抽样 2 作不放回抽样 求第i i 1 2 k 个人取到白球的概率 1 5条件概率 例1某班有30名同学 其中20名男生 10名女生 身高1 70米以上者有15名 其中12名男生 3名女生 任选一名学生 选出来后发现是个男生 问该学生的身高在1 70米以上的概率是多少 解 设A 选出来的是男生 B 选出来的学生身高在1 70米以上 所求的概率是P B A 显然P B A 12 20注意到P A 20 30 P AB 12 30从而 有P B A 12 20 1定义 设S为试验E的样本空间 A B是两个随机事件 且P A 0 则称P B A 为事件A发生的条件下事件B发生的条件概率 2性质 条件概率P A 满足概率的三个基本属性 1 对于任一事件B 有P B A 0 2 P S A 1 3 设B1 B2 是两两不相容的事件 则有 由于条件概率符合概率定义的三个条件 所以前面所证明的一些概率性质对于条件概率也同样适用 例如 例2设某种动物由出生算起活到20岁以上的概率是0 8 活到25岁以上的概率为0 4 动物现在已经20岁 问它能活到25岁以上的概率是多少 解A 活到20岁以上 B 活到25岁以上 由题意P A 0 8 P B 0 4因为BA 故AB B所以P AB P B 0 4 因此P B A 例3一盒子中装有5只产品 其中有3只一等品 2只二等品 从中取产品两次 每次任取一只 作不放回抽样 设事件A 第一次取到的是一等品 B 第二次取到的是一等品 试求条件概率P B A 解法 因为P AB P A 所以P B A 解法 从条件概率的含义看 第一次取到的是一等品 由于不放回 故只剩下2只一等品 2只二等品 再取得一等品有2个可能 基本事件数为4 因此P B A 定理 乘法定理 对于任意的事件A B 若P A 0 则 P AB P B A P A 上式叫做乘法公式 二 乘法定理 乘法公式可以推广到多个事件的情形 1 设A B C为事件 且P AB 0 则有P ABC P C BA P B A P A 2 设A1 A2 An为n个事件 n 0 且P 0则有 例4今有3个布袋 2个红布袋 1个绿布袋 在2个红布袋中各装60个红球和40个绿球 在绿布袋中装了30个红球和50个绿球 现任取1袋 从中任取1球 问是红袋中红球的概率为多少 解设A 取红袋 B 取红球 所求概率P AB 显然 P A 2 3 而P B A 是在取红袋的条件下取到红球的概率 也就是在红袋里取到红球的概率应为60 100 3 5 即P B A 3 5 由乘法公式得到P AB P A P B A 2 5 例5设袋中装有r只红球 t只白球 每次自袋中任取一只球 观察其颜色然后放回 并再放入a只与所取出的那只球同色的球 若在袋中连续取球四次 试求第一 二次取到红球且第三 四次取到白球的概率 解 以表示事件 第i次取到红球 则分别表示事件第三 四次取到白球 所求概率为 例6今有1张电影票 4个人都想要 他们用抓阄的办法分这张票 试证明每人得电影票的概率都是1 4 证明 设第i次抓阄的人为第i人 i 1 2 3 4并设Ai 第i个人抓到 有 i 1 2 3 4 1 显然P A1 1 4 3 类似地 故 4 同样地 例7设某光学仪器厂制造的透镜 第一次落下时打破的概率为1 2 若第一次落下未打破 第二次落下打破的概率为7 10 第三次落下打破的概率为9 10 试求透镜落下三次而未打破的概率 解 以表示事件 透镜第i次落下打破 以B表示事件 透镜落下三次而未打破 因为故有 对于复杂事件的概率 有时不易直接求出 此时可考虑同时利用概率的加法定理和乘法定理 计算出所要求的事件的概率 把这种方法一般化 得到全概率定理 又称全概率公式 三 全概率公式和贝叶斯公式 一 全概率公式 定义 设 为试验 的样本空间 为 的一组事件 若 则称为样本空间 的一个划分 定理设试验 的样本空间为 事件 为 的事件 为样本空间 的一个划分 且P Bi 0 i 1 2 n 则上式称为全概率公式 注 若上式仍成立 证明因为由假设P Bi 0 i 1 2 n 且得到 例8设一仓库中有十箱同样规格的产品 已知其中有五箱 三箱 两箱依次为甲厂 乙厂 丙厂生产的 且甲厂 乙厂 丙厂生产的该种产品的次品率依次为1 10 1 15 1 20 从这十箱中任取一箱 再从取得的这箱中任取一件产品 求取得正品的概率 全概率公式是概率论的一个基本公式 有着多方面的应用 当P Bi 和P A Bi 比较容易计算时 可利用这个公式来计算P A 解设A 取得的产品是正品 B1 该件产品是甲厂生产的 B2 该件产品是乙厂生产的 B3 该件产品是丙厂生产的 显然 B1 B2 B3 S 且B1 B2 B3互斥由已知得 P B1 5 10P B2 3 10P B3 2 10P A B1 9 10 P A B2 14 15 P A B3 19 20由全概率公式得P A 0 92 例8设一仓库中有十箱同样规格的产品 已知其中有五箱 三箱 两箱依次为甲厂 乙厂 丙厂生产的 且甲厂 乙厂 丙厂生产的该种产品的次品率依次为1 10 1 15 1 20 从这十箱中任取一箱 再从取得的这箱中任取一件产品 已知取得正品 求该正品是甲厂生产的概率是多少 二 贝叶斯公式 定理设试验 的样本空间为 为 的事件 B1 B2 Bn为样本空间 的一个划分 且P A 0 P Bi 0 i 1 2 n 则i 1 2 n上式称为贝叶斯公式 注 若上式仍成立 证明由条件概率的定义及全概率公式有 i 1 2 n 例9设一仓库中有十箱同样规格的产品 已知其中有五箱 三箱 两箱依次为甲厂 乙厂 丙厂生产的 且甲厂 乙厂 丙厂生产的该种产品的次品率依次为1 10 1 15 1 20 从这十箱中任取一箱 再从取得的这箱中任取一件产品 已知取得正品 求该正品是甲厂生产的概率是多少 解设A 取得的产品是正品 B1 该件产品是甲厂生产的 B2 该件产品是乙厂生产的 B3 该件产品是丙厂生产的 显然 B1 B2 B3 S 且B1 B2 B3互斥由已知得 P B1 5 10P B2 3 10P B3 2 10P A B1 9 10 P A B2 14 15 P A B3 19 20由贝叶斯公式得 例10对以往数据分析结果表明 当机器调整得良好时 产品的合格率为98 而当机器发生某种故障时 其合格率为55 每天早上机器开动时 机器调整良好的概率为95 试求已知某日早上第一件产品是合格品时 机器调整良好的概率是多少 解设A 产品是合格品 B1 机器调整良好 B2 机器发生故障 由已知得P B1 0 95 P B2 0 05P A B1 0 98 P A B2 0 55 由贝叶斯公式得 例11某人忘记了电话号码的最后一位数字 因而随意拨最后一位数字 求 1 其不超过三次而接通电话的概率 2 已知最后一个数字是奇数 求不超过三次而接通电话的概率 练习 故 解法 2 当已知最后一个数字是奇数时 设Bi 第i次接通电话 i 1 2 3 B 三次内接通电话 一般来讲 条件概率P B A 与概率P B 是不等的 但在某些情况下 它们是相等的 1 6独立性 例如 在一批含有次品的产品中连续两次抽取产品 每次任取一件 如果第一次抽取后仍放回这批产品中 设A 第一次取得正品 B 第二次取得正品 那么P B A P B 当P B A P B 时 由乘法定理可表示为P AB P A P B 由此引入事件的相互独立性 定义1设A B是两事件 如果具有等式P AB P A P B 则称事件A B为相互独立的随机事件 注1 当P A P B 都不为零时 由事件A B的相互独立可推得P B A P B P A B P A 2 若P A 0 P B 0 则A与B相互独立和A与B互斥不能同时成立 注若n个事件相互独立 必蕴含这n个事件两两相互独立 反之不真 定义3如果对于任意的k k n 及任意的1 i1 i2 ik n 都有则称这n个事件相互独立 相互独立的概率可以推广到三个和三个以上的事件的情况 定义2设A1 A2 An是n个事件 如果对于任意的1 i j n 有P AiAj P Ai P Aj 则称这n个事件两两相互独立 上定理可推广到多个事件独立的情形 在实际应用中 对于事件的独立性 我们往往不是根据定义来判断 而是根据实际意义判断两事件是否独立 利用事件的独立性解决实际问题 例1设袋中有4个乒乓球 1个涂有白色 1个涂有红色 1个涂有蓝色 1个涂有白 红 蓝