计数与概率方法 · 方法讲解

等可能事件与概率

先确认基本结果等可能,再数有利结果与全部结果。

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01

只有“两类”,就各占一半吗?

同时抛两枚公平且相互独立的硬币,第一枚记为甲,第二枚记为乙。求恰好一枚正面朝上的概率;再求至少一枚正面朝上的概率。公平是每枚正、反概率均为1/2;独立是知道一枚结果不会改变另一枚的概率。

第1步 / 共5步:把两枚区分开

正 · 正甲正,乙正
正 · 反甲正,乙反
反 · 正甲反,乙正
反 · 反甲反,乙反

四种有序结果不重不漏。正反与反正是不同的基本结果。

对应左侧两枚硬币模型

4种

先列基本结果

先区分甲、乙;两个正反次序不同的结果必须分别记录。

这是确定性枚举,不是随机抽样。等大的格子表示已证明等可能的基本结果。

02

学习准备:事件和基本结果

学习目标

  • 根据试验规则构造不重不漏的基本结果。
  • 说明为什么这些基本结果等可能。
  • 准确翻译“恰好”“至少”“已知”等条件。
  • 识别把不等可能类别当作等可能结果的错误。

必要前置

会约分与分数四则,会列表、树状图和乘法计数。“基本结果”是选定记录方式下不能再细分的记录;全部基本结果组成样本空间(sample space)。事件(event)是其中满足某个条件的一组结果,例如“恰好一正”包含正反、反正。

S班为本项目教学深度编排,包含样本空间设计、无序与有序转换、条件变化;不表示已核实的官方课纲。

03

原理:分母先有资格,才可以计数

一、为什么是有利数除以总数?

设有限样本空间有 n 个基本结果,n 为正整数;这些结果互不重复且覆盖全部可能,每个的概率相同,记为 p。因为全部结果的概率和为1,所以 np=1,p=1/n。事件 A 包含其中 m 个结果,0≤m≤n,由互斥结果的概率相加,得到:

P(A)=m×(1/n)=m/n

这里 m 是有利基本结果数,n 是全部基本结果数。“有利”只指符合题目要求,不含价值判断。概率为0表示这个有限等可能模型中没有符合结果;概率为1表示所有结果都符合。

二、怎样核实等可能?

硬币模型明确假设公平和独立:任一有序组合概率为(1/2)×(1/2)=1/4。只说每枚公平还不够:若乙永远复制甲,二者各自仍可正反各半,但只有正正、反反可能,恰好一正的概率变成0。

抽球模型则假设充分混合,每一步每个剩余球被抽到的机会相同。颜色相同的球也要先用编号区分。第一次取到某编号的概率为1/5,第二次为1/4,所以每个有序不同编号对的概率为1/20。这里不放回使两次抽取不独立,但仍可构造等可能的完整有序结果。

三、合并结果后,类别未必等可能

把四格合为“零正、一正、二正”,三类分别含1、2、1个基本结果,概率为1/4、1/2、1/4。只数三个名称,误算一正概率为1/3,丢失了每类的权重。合并后的类别只有在包含同样多个等可能基本结果时,才仍等可能。

04

完整例题:选择正确的记录单位

例题一 · 有序样本空间

两枚硬币:恰好与至少

题目:甲、乙两枚公平硬币相互独立,同时抛一次。求①恰好一正;②至少一正;③没有正面的概率。

  1. 区分甲、乙,列出正正、正反、反正、反反。公平与独立保证每种概率均为1/4。
  2. 恰好一正是正反、反正,共2种,概率2/4=1/2。正反不能只写一次。
  3. 至少一正是正正、正反、反正,共3种,概率3/4=3/4。
  4. 没有正面只有反反,概率1/4。用补事件核验:至少一正=1−没有正面=1−1/4=3/4。

“至少一正”与“没有正面”虽然只有两类,但所含基本结果数为3和1,概率并不各半。

例题二 · 不放回与颜色合并

3个红球、2个蓝球,抽到同色的概率

题目:袋中有3个红球、2个蓝球,球除颜色外相同。充分混合,依次随机抽出2球,不放回;每次每个剩余球被抽到的机会相同。求两球同色的概率。

  1. 给球编号红1、红2、红3、蓝1、蓝2。以“先取编号、后取编号”为基本结果,共5×4=20种。
  2. 每个有序不同编号对概率为(1/5)×(1/4)=1/20,故可用计数公式。
  3. 红红有3×2=6种,蓝蓝有2×1=2种,共8种同色结果。
  4. 同色概率为8/20=2/5。异色有3×2+2×3=12种,概率12/20=3/5,两者和为1。

无序核验:如果只记录抽出的两球而不计先后,每个无序编号对都对应恰好2个有序结果,所以仍等可能。全部为20÷2=10对,同色为6÷2+2÷2=4对,得到4/10=2/5。分子、分母必须同时除以2。

不能把“红红、红蓝、蓝蓝”看成三种等可能结果。这三类分别有3、6、1个无序编号对。若改为抽后放回,样本空间变为25个有序编号对,同色概率为(9+4)/25=13/25,原答案不再适用。

05

迁移练习:先说清分母

练习一 · 两枚骰子的和

两枚均匀六面骰子相互独立,标为甲、乙,各掷一次。点数和为7的概率是多少?“和为2到12,共11种,因此和为7概率1/11”的判断错在哪里?

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按(甲点数,乙点数)记录,全部6×6=36种,每种概率1/36。和为7有(1,6)、(2,5)、(3,4)、(4,3)、(5,2)、(6,1),共6种,因此概率6/36=1/6。

和为2只有(1,1),概率1/36;和为7有6种,概率6/36。11个和值类别不等可能,不能直接作分母。尽管两枚实物看起来一样,仍可先按位置或颜色编号区分。

练习二 · 已知信息改变样本空间

两枚公平且独立的硬币各抛一次。观察者按固定规则:当且仅当出现至少一正时告诉你“至少一正”,不随机挑选某枚展示。现在已收到这句话,恰好一正的概率是多少?

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原来四种结果各为1/4。该固定报告规则排除了反反,只留下正正、正反、反正;这三种在收到报告后仍等可能。符合恰一正的是正反、反正两种,因此概率为2/3。

也可算(2/4)÷(3/4)=2/3。条件改变后分母变为3,而不是仍用4。若改成观察者随机选一枚并报告所选硬币为正,信息机制改变,不能套用这个2/3;应把选取过程一起列入基本结果。

06

易错与回顾

计数之前的模型检查
错误捷径正确检查
发生或不发生,所以各1/2这是两类事件,必须比较所含基本结果的概率总和。
所有结果都列出来,就可相除还需核实基本结果等可能,不能按类别名称平均。
不放回就不能用等可能模型不独立不等于不等可能;完整有序编号对仍可等可能。
分子无序、分母有序两者必须用同一种记录方式。
概率1/2就应每两次出现一次短期频率可以偏离理论概率;概率不规定具体次序。
加入条件,只删掉有利结果按信息规则更新全部结果,再重新圈出有利结果。

四步回顾:写清试验与信息规则 → 列不重不漏的基本结果 → 核实等可能 → 有利数除以总数。用补事件或第二种计数方式复核。

07

逐章回看

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同时抛两枚公平硬币,并假设两枚的结果相互独立。求恰好一枚正面朝上的概率。

按第一枚和第二枚记录:正正、正反、反正、反反。四种基本结果不重不漏,每种概率都是四分之一。

把恰好一正的结果圈出来:正反和反正,共两种。用有利的两种除以全部四种,得到二分之一。

如果只写零个正面、一个正面、两个正面,就只有三类。但三类包含的基本结果数是一、二、一,并不等可能。

至少一正包括正正、正反、反正,共三种,所以概率是四分之三。也可以用一减去反反的四分之一。

先问结果是否不重不漏,再问是否等可能,最后圈出有利结果。事件只有两类,不代表各占一半。

08

学习与图示说明

本页题目为自拟,结论由有限枚举、分数运算及明确列出的概率假设推导。硬币、骰子和抽球的公平性为模型假设,未通过真实实物试验检验。图形只编码基本结果及事件归属,不展示实测随机频率。条件概率练习仅适用于题目指定的报告规则。

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