7.1 条件概率与全概率公式

人教 A 版 · 本节 5 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解没有考过 ↓

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

条件概率:把样本空间缩小到「已知发生的那件事」上

一、这一章要补的那个缺口

必修「概率」一章里,我们只会算一种积事件的概率——两个事件相互独立时,

P(AB)=P(A)P(B).P(AB) = P(A)P(B).

可现实里绝大多数成对出现的事件并不独立:不放回地摸球,第一次摸到什么直接影响第二次; 一个班里「是团员」和「是男生」也未必互不影响。AA 与 BB 不独立时,P(AB)P(AB) 怎么算? 本节给出的答案是条件概率与乘法公式。

二、两个引例:分母换了

问题 1:某班 45 人。A=A =「选到团员」,B=B =「选到男生」,已知 n(Ω)=45n(\Omega) = 45、n(A)=30n(A) = 30、n(B)=25n(B) = 25、n(AB)=16n(AB) = 16。

不加条件时,按古典概型

P(B)=n(B)n(Ω)=2545=59.P(B) = \frac{n(B)}{n(\Omega)} = \frac{25}{45} = \frac{5}{9}.

加上「已知选到的是团员」这个条件,情况变了:现在只可能选到那 3030 名团员中的一个, 样本空间从 Ω\Omega 缩到了 AA;而在这个新样本空间里,「是男生」这件事就是积事件 ABAB。记这个概率为 P(B∣A)P(B\mid A),则

P(B∣A)=n(AB)n(A)=1630=815.P(B\mid A) = \frac{n(AB)}{n(A)} = \frac{16}{30} = \frac{8}{15}.

问题 2:两个小孩的家庭,Ω={bb, bg, gb, gg}\Omega = \{bb,\ bg,\ gb,\ gg\} 四个等可能样本点。 A=A =「有女孩」={bg, gb, gg}= \{bg,\ gb,\ gg\},B=B =「两个都是女孩」={gg}= \{gg\}。

P(B)=14,P(B∣A)=n(AB)n(A)=13.P(B) = \frac{1}{4}, \qquad P(B\mid A) = \frac{n(AB)}{n(A)} = \frac{1}{3}.

两个例子的共同点:加条件之后,分子从 n(B)n(B) 换成了 n(AB)n(AB),分母从 n(Ω)n(\Omega) 换成了 n(A)n(A)。 这不是巧合——「已知 AA 发生」的全部含义,就是把 AA 立为新的样本空间。

三、从计数比到概率比

上面的式子只对古典概型成立。把分子分母同时除以 n(Ω)n(\Omega),就脱开了「数样本点」这一层:

P(B∣A)=n(AB)n(A)=n(AB)n(Ω)n(A)n(Ω)=P(AB)P(A).P(B\mid A) = \frac{n(AB)}{n(A)} = \frac{\dfrac{n(AB)}{n(\Omega)}}{\dfrac{n(A)}{n(\Omega)}} = \frac{P(AB)}{P(A)}.

这就把定义推广到了一般的概率模型。

定义:设 AA、BB 为两个随机事件,且 P(A)>0P(A) > 0,称

P(B∣A)=P(AB)P(A)P(B\mid A) = \frac{P(AB)}{P(A)}

为在事件 AA 发生的条件下事件 BB 发生的条件概率(conditional probability)。

P(A)>0P(A) > 0 这个前提不能少:P(A)=0P(A) = 0 时分母为零,式子没有意义—— 「在一件不可能发生的事发生的条件下」本来就无从谈起。

两条计算路线,各有各的场合(例 1 把它们并排演示了一遍):

路线怎么做什么时候快
公式路线在原样本空间 Ω\Omega 里先求 P(A)P(A) 与 P(AB)P(AB),再相除P(A)P(A)、P(AB)P(AB) 本来就好算
缩空间路线直接以 AA 为样本空间,数 ABAB 占多大比例条件把问题变简单了(比如「已知抽走一张,还剩几张」)

例 1 里第二条路线尤其省事:已知第 1 次抽到代数题,手上还剩 4 道题、代数几何各 2 道, 所以 P(B∣A)=24=12P(B\mid A) = \dfrac24 = \dfrac12,一步到位。 遇到「不放回抽取」的题,先想缩空间路线——往往一句话就算完。

四、条件概率与独立性的关系

条件概率给了「相互独立」一个更直白的说法。

当 P(A)>0P(A) > 0 时,AA 与 BB 相互独立   ⟺  P(B∣A)=P(B)\iff P(B\mid A) = P(B)。

正向:若 P(AB)=P(A)P(B)P(AB) = P(A)P(B),则

P(B∣A)=P(AB)P(A)=P(A)P(B)P(A)=P(B).P(B\mid A) = \frac{P(AB)}{P(A)} = \frac{P(A)P(B)}{P(A)} = P(B).

反向:若 P(B∣A)=P(B)P(B\mid A) = P(B),即 P(AB)P(A)=P(B)\dfrac{P(AB)}{P(A)} = P(B),两边乘 P(A)P(A) 得 P(AB)=P(A)P(B)P(AB) = P(A)P(B)。

这条等价关系的意思是:独立 ==「知不知道 AA 发生,对判断 BB 毫无影响」。 反过来,问题 1、问题 2 里都有 P(B∣A)≠P(B)P(B\mid A) \neq P(B),说明那里的两个事件不独立—— 正是因为不独立,才需要条件概率这套工具。

五、乘法公式:反过来用

把定义式两边乘 P(A)P(A),就得到概率的乘法公式:

P(AB)=P(A) P(B∣A)(P(A)>0).P(AB) = P(A)\,P(B\mid A) \qquad (P(A) > 0).

这才是本节最常用的一个式子。 定义式是「由 P(AB)P(AB) 求 P(B∣A)P(B\mid A)」, 乘法公式是「由 P(B∣A)P(B\mid A) 求 P(AB)P(AB)」——而实际问题里,条件概率常常比积事件概率更容易直接看出来 (「已经抽走一张 A,剩下 51 张里有 3 张 A」),所以往往是先得到 P(B∣A)P(B\mid A),再乘出 P(AB)P(AB)。

它还能往后接:P(ABC)=P(A)P(B∣A)P(C∣AB)P(ABC) = P(A)P(B\mid A)P(C\mid AB),例 2 用的就是这个链条。

六、条件概率仍然是概率

条件概率只是把样本空间缩小了,概率的一切性质照单全收。 设 P(A)>0P(A) > 0,则

P(Ω∣A)=1;P(\Omega\mid A) = 1; B, C 互斥  ⟹  P(B∪C∣A)=P(B∣A)+P(C∣A);B,\ C \text{ 互斥} \implies P(B\cup C\mid A) = P(B\mid A) + P(C\mid A); P(B‾∣A)=1−P(B∣A).P(\overline{B}\mid A) = 1 - P(B\mid A).

注意竖线右边的那个条件必须自始至终不变。 上面三条都是在同一个条件 AA 之下说的; P(B‾∣A)=1−P(B∣A)P(\overline{B}\mid A) = 1 - P(B\mid A) 成立,但 P(B∣A‾)P(B\mid \overline{A}) 与 P(B∣A)P(B\mid A) 之间没有这种关系。 「对立」发生在竖线左边,不是右边——这是本节最容易出错的一处。

七、两个例题的看点

例 2(三人依次抽奖)教的是「后手不吃亏」。 33 张奖券 11 张有奖,甲乙丙依次不放回各抽 11 张。 关键一步是把「乙中奖」翻译成 B=A‾BB = \overline{A}B(只有 11 张有奖,乙中奖必然意味着甲没中), 于是用乘法公式

P(B)=P(A‾)P(B∣A‾)=23×12=13,P(B) = P(\overline{A})P(B\mid \overline{A}) = \frac{2}{3}\times\frac{1}{2} = \frac{1}{3},

同理 P(C)=13P(C) = \dfrac13。三人概率相等,中奖概率与抽奖次序无关。

这个结论比它看起来重要:抽签的公平性不依赖先后,无论放回还是不放回都如此。 直觉上「先抽的占便宜」是错的——先抽的人机会大,但后抽的人是在「前面都没中」的条件下抽, 条件概率反而更高,两者恰好抵消。

例 3(忘了密码最后一位)教的是「把复杂事件拆成互斥的简单事件」。 「不超过 2 次按对」=A1∪A‾1A2= A_1 \cup \overline{A}_1A_2,两部分互斥,于是

P(A)=P(A1)+P(A‾1)P(A2∣A‾1)=110+910×19=15.P(A) = P(A_1) + P(\overline{A}_1)P(A_2\mid \overline{A}_1) = \frac{1}{10} + \frac{9}{10}\times\frac{1}{9} = \frac{1}{5}.

注意 P(A2∣A‾1)=19P(A_2\mid \overline{A}_1) = \dfrac19 而不是 110\dfrac1{10}——第一次按错之后只剩 99 个数字可试。 若记得最后一位是偶数,可选范围缩到 55 个,同样的算法给出 25\dfrac25。

一个可以记住的巧合:110+910⋅19=210\dfrac1{10}+\dfrac9{10}\cdot\dfrac19 = \dfrac2{10},15+45⋅14=25\dfrac15+\dfrac45\cdot\dfrac14 = \dfrac25。 「不超过 kk 次按对」的概率就是 kn\dfrac{k}{n}(nn 是候选个数)——这正是「随机排列,正确答案等可能地排在任一位」的说法。

八、这一节在本章的位置

节新东西一句话
必修「概率」独立性P(AB)=P(A)P(B)P(AB) = P(A)P(B),只对独立事件
§7.1.1(本节)条件概率、乘法公式P(AB)=P(A)P(B∣A)P(AB) = P(A)P(B\mid A),对任意事件
§7.1.2全概率公式、贝叶斯公式按一组互斥完备的原因分类求和
§7.2随机变量与分布列把事件换成数
§7.4二项分布、超几何分布两个最常用的分布

乘法公式是这一章的地基:全概率公式是把它按一组互斥事件求和, 贝叶斯公式是把它反过来解。这一节没算熟,后面全都推不动。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节目录里有五页(page-0049–page-0053,印刷页码第 44–48 页),印着 §7.1.1「条件概率」的全部正文 (两个引例、条件概率的定义、乘法公式、条件概率的三条性质)、例 1–例 3,以及节末「练习」的 3 道题。 三道都整道印在 page-0053 上,本份收 3 道,逐题全做。

「习题 7.1」印在 §7.1.2「全概率公式」的目录下(page-0057–page-0058),归那一份详解,这里不收。

三道题只用本节的两件工具,且两件是同一件事的两种说法:

  1. 条件概率的定义——P(B∣A)=P(AB)P(A)P(B \mid A) = \dfrac{P(AB)}{P(A)},要求 P(A)>0P(A) > 0。分子是「AA 与 BB 同时发生」,不是「BB 单独发生」;下面每道题动手前都先核一句 P(A)>0P(A) > 0。
  2. 缩样本空间——把「AA 已经发生」当成新的样本空间,在里面按古典概型直接数。等可能的场合 这条最快;不放回抽样里它就是「把已经拿走的从袋里划掉,再数剩下的」。

两条路必须给出同一个数。下面每道题都两条路各走一遍,互为验算。

练习(第 48 页)第 1 题

  1. 设 A⊆BA \subseteq B,且 P(A)=0.3P(A) = 0.3,P(B)=0.6P(B) = 0.6。根据事件包含关系的意义及条件概率的意义,直接写出 P(B∣A)P(B|A) 和 P(A∣B)P(A|B) 的值,再由条件概率公式进行验证。

先核前提:P(A)=0.3>0P(A) = 0.3 > 0、P(B)=0.6>0P(B) = 0.6 > 0,两个条件概率都有定义。数据本身也自洽—— A⊆BA \subseteq B 蕴含 P(A)⩽P(B)P(A) \leqslant P(B),而 0.3⩽0.60.3 \leqslant 0.6。

按意义直接写。 A⊆BA \subseteq B 的意思是:AA 一发生,BB 就一定发生。于是在「AA 已发生」这个 缩小了的样本空间里,BB 是必然事件,

P(B∣A)=1.P(B \mid A) = 1.

反过来,BB 发生时 AA 未必发生:新样本空间是 BB,AA 是 BB 里的一块,这块占 BB 的比例就是 0.30.3 比 0.60.6,即一半,

P(A∣B)=0.5.P(A \mid B) = 0.5.

再用公式验证。 关键一步是把 P(AB)P(AB) 算出来:A⊆BA \subseteq B 时 AA 与 BB 的交就是 AA 自己,

AB=A,P(AB)=P(A)=0.3.AB = A, \qquad P(AB) = P(A) = 0.3.

代进定义:

P(B∣A)=P(AB)P(A)=0.30.3=1,P(A∣B)=P(AB)P(B)=0.30.6=0.5.P(B \mid A) = \frac{P(AB)}{P(A)} = \frac{0.3}{0.3} = 1, \qquad P(A \mid B) = \frac{P(AB)}{P(B)} = \frac{0.3}{0.6} = 0.5.

与按意义写出的两个值相同。

一句提醒:P(B∣A)=1P(B \mid A) = 1 并不意味着 AA 与 BB 是同一个事件。本题里 P(A∣B)=0.5<1P(A \mid B) = 0.5 < 1 就说明反过来不成立。包含关系是单向的,条件概率也跟着单向。

顺带看一眼独立性:P(B∣A)=1≠0.6=P(B)P(B \mid A) = 1 \neq 0.6 = P(B),所以 AA 与 BB 不独立——这也在意料之中, 包含关系本身就是一种最强的相关。

练习(第 48 页)第 2 题

  1. 从一副不含大小王的52张扑克牌中,每次从中随机抽出1张扑克牌,抽出的牌不再放回。已知第1次抽到A牌,求第2次抽到A牌的概率。

记事件 AA 为「第 1 次抽到 A 牌」,事件 BB 为「第 2 次抽到 A 牌」,要求的是 P(B∣A)P(B \mid A)。 52 张牌里 A 牌有 4 张。

路一:缩样本空间。 已知第 1 次抽到的是 A 牌,且抽出的牌不再放回,那么第 2 次抽之前, 牌堆里还剩 52−1=5152 - 1 = 51 张,其中 A 牌只剩 4−1=34 - 1 = 3 张。这 51 张每张被抽到的机会均等,

P(B∣A)=351=117.P(B \mid A) = \frac{3}{51} = \frac{1}{17}.

路二:套定义验算。 把前两次抽牌看成从 52 张里有序取 2 张,样本空间有 A522=52×51\mathrm{A}_{52}^{2} = 52 \times 51 个等可能结果。

AA 发生:第 1 张是 4 张 A 之一,第 2 张在剩下的 51 张里任取,故 n(A)=4×51n(A) = 4 \times 51,

P(A)=4×5152×51=452=113>0,P(A) = \frac{4 \times 51}{52 \times 51} = \frac{4}{52} = \frac{1}{13} > 0,

条件概率有定义。ABAB 发生:两张都是 A 牌,故 n(AB)=4×3=12n(AB) = 4 \times 3 = 12,

P(AB)=1252×51=122652=1221.P(AB) = \frac{12}{52 \times 51} = \frac{12}{2652} = \frac{1}{221}.

代进定义:

P(B∣A)=P(AB)P(A)=1/2211/13=13221=117.P(B \mid A) = \frac{P(AB)}{P(A)} = \frac{1/221}{1/13} = \frac{13}{221} = \frac{1}{17}.

两条路同答,117\dfrac{1}{17}。

一句提醒:本节例 2 刚说过,不放回抽签对每个位置是公平的,即 P(B)=452=113P(B) = \dfrac{4}{52} = \dfrac{1}{13}。 而这里 P(B∣A)=117<113P(B \mid A) = \dfrac{1}{17} < \dfrac{1}{13}。多知道了「第 1 次抽走一张 A」这个信息, 第 2 次抽到 A 就更难了。两者不等,正说明 AA 与 BB 不独立——不放回是相关的来源, 「抽签公平」说的是无条件概率,别把这两件事混起来。

练习(第 48 页)第 3 题

  1. 袋子中有 10 个大小相同的小球,其中 7 个白球,3 个黑球。每次从袋子中随机摸出 1 个球,摸出的球不再放回。求:

(1)在第1次摸到白球的条件下,第2次摸到白球的概率;

(2) 两次都摸到白球的概率.

记事件 AiA_i 为「第 ii 次摸到白球」(i=1,2i = 1, 2)。袋中 10 个球大小相同,故每次摸每个球等可能。

(1) 要求的是 P(A2∣A1)P(A_2 \mid A_1)。

先核前提:P(A1)=710>0P(A_1) = \dfrac{7}{10} > 0,条件概率有定义。

缩样本空间:已知第 1 次摸到白球且不放回,袋里还剩 10−1=910 - 1 = 9 个球,其中白球剩 7−1=67 - 1 = 6 个。 这 9 个等可能,

P(A2∣A1)=69=23.P(A_2 \mid A_1) = \frac{6}{9} = \frac{2}{3}.

套定义验算也一样:有序摸 2 个球共 A102=90\mathrm{A}_{10}^{2} = 90 种,A1A2A_1 A_2 即两次都白,有 A72=42\mathrm{A}_{7}^{2} = 42 种,A1A_1 有 7×9=637 \times 9 = 63 种,于是

P(A2∣A1)=42/9063/90=4263=23.P(A_2 \mid A_1) = \frac{42/90}{63/90} = \frac{42}{63} = \frac{2}{3}.

(2) 要求的是 P(A1A2)P(A_1 A_2)。这正是乘法公式的用场——把定义式两边同乘 P(A1)P(A_1):

P(A1A2)=P(A1) P(A2∣A1)=710×23=1430=715.P(A_1 A_2) = P(A_1) \, P(A_2 \mid A_1) = \frac{7}{10} \times \frac{2}{3} = \frac{14}{30} = \frac{7}{15}.

换一条路核对。 直接数:有序摸 2 个球的样本空间有 A102=10×9=90\mathrm{A}_{10}^{2} = 10 \times 9 = 90 个 等可能结果,两次都摸到白球有 A72=7×6=42\mathrm{A}_{7}^{2} = 7 \times 6 = 42 个,

P(A1A2)=4290=715.P(A_1 A_2) = \frac{42}{90} = \frac{7}{15}.

两条路同答,715\dfrac{7}{15}。

一句提醒:(1) 与 (2) 求的是两件不同的事。(1) 站在「第 1 次已经白了」的立场上问第 2 次, 分母是 9;(2) 站在开摸之前问「两次都白」,分母是 10 个球里有序取 2 的全部可能。乘法公式正是把 (2) 拆成「第 1 次白」与「在此条件下第 2 次白」两步,(1) 恰好是第二步——所以这道题的两问是 串起来的,(1) 一算出来,(2) 只剩一次乘法。

原书转写(OCR,供核对)

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机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

7.1 条件概率与全概率公式

在必修 “概率” 一章的学习中,我们遇到过求同一试验中两个事件 A 与 B 同时发生(积事件 AB)的概率的问题. 当事件 A 与 B 相互独立时,有

P(AB)=P(A)P(B).P (A B) = P (A) P (B).

如果事件 A 与 B 不相互独立,如何表示积事件 AB 的概率呢?下面我们从具体问题入手.

7.1.1 条件概率

问题 1 某个班级有 45 名学生,其中男生、女生的人数及团员的人数如表 7.1-1 所示.

(1) 选到男生的概率是多少?

(2)如果已知选到的是团员,那么选到的是男生的概率是多少?

随机选择一人做代表,则样本空间 Ω\Omega 包含 45 个等可能的样本点。用 A 表示事件“选到团员”,B 表示事件“选到男生”,根据表 7.1-1 中的数据可以得出, n(Ω)=45n(\Omega)=45 , n(A)=30n(A)=30 , n(B)=25n(B)=25 。

(1) 根据古典概型知识可知, 选到男生的概率

P(B)=n(B)n(Ω)=2545=59.P (B) = \frac {n (B)}{n (\Omega)} = \frac {2 5}{4 5} = \frac {5}{9}.

(2)“在选到团员的条件下,选到男生”的概率就是“在事件 AA 发生的条件下,事件 BB 发生”的概率,记为 P(B∣A)P(B|A)。此时相当于以 AA 为样本空间来考虑事件 BB 发生的概率,而在新的样本空间中事件 BB 就是积事件 ABAB,包含的样本点数 n(AB)=16n(AB) = 16。根据古典概型知识可知,

P(B∣A)=n(AB)n(A)=1630=815.P (B \mid A) = \frac {n (A B)}{n (A)} = \frac {1 6}{3 0} = \frac {8}{1 5}.

问题 2 假定生男孩和生女孩是等可能的,现考虑有两个小孩的家庭。随机选择一个家庭,那么

(1) 该家庭中两个小孩都是女孩的概率是多大?

(2) 如果已经知道这个家庭有女孩,那么两个小孩都是女孩的概率又是多大?

观察两个小孩的性别,用 b 表示男孩,g 表示女孩,则样本空间 Ω={bb,bg,gb,gg}\Omega = \{bb, bg, gb, gg\} ,且所有样本点是等可能的。用 A 表示事件“选择的家庭中有女孩”,B 表示事件“选择的家庭中两个小孩都是女孩”,则 A={bg,gb,gg}A = \{bg, gb, gg\} , B={gg}B = \{gg\} 。

(1)根据古典概型知识可知,该家庭中两个小孩都是女孩的概率

P(B)=n(B)n(Ω)=14.P (B) = \frac {n (B)}{n (\Omega)} = \frac {1}{4}.

(2)“在选择的家庭有女孩的条件下,两个小孩都是女孩”的概率就是“在事件 AA 发生的条件下,事件 BB 发生”的概率,记为 P(B∣A)P(B|A)。此时 AA 成为样本空间,事件 BB 就是积事件 ABAB。根据古典概型知识可知,

P(B∣A)=n(AB)n(A)=13.P (B \mid A) = \frac {n (A B)}{n (A)} = \frac {1}{3}.

在上面两个问题中,在事件 A 发生的条件下,事件 B 发生的概率都是

P(B∣A)=n(AB)n(A).P (B \mid A) = \frac {n (A B)}{n (A)}.

这个结论对于一般的古典概型仍然成立. 事实上, 如图 7.1-1 所示, 若已知事件 AA 发生, 则 AA 成为样本空间. 此时, 事件 BB 发生的概率是 ABAB 包含的样本点数与 AA 包含的样本点数的比值, 即

P(B∣A)=n(AB)n(A).P (B \mid A) = \frac {n (A B)}{n (A)}.

因为

P(B∣A)=n(AB)n(A)=n(AB)n(Ω)n(A)n(Ω)=P(AB)P(A),P (B \mid A) = \frac {n (A B)}{n (A)} = \frac {\frac {n (A B)}{n (\Omega)}}{\frac {n (A)}{n (\Omega)}} = \frac {P (A B)}{P (A)},

图7.1-1

所以,在事件 A 发生的条件下,事件 B 发生的概率还可以通过 P(AB)P(A)\frac{P(AB)}{P(A)} 来计算.

一般地,设 A,B 为两个随机事件,且 P(A)>0P(A) > 0 ,我们称

P(B∣A)=P(AB)P(A)P (B \mid A) = \frac {P (A B)}{P (A)}

为在事件 A 发生的条件下,事件 B 发生的条件概率,简称条件概率(conditional probability).

探究

在问题1和问题2中,都有 P(B∣A)≠P(B)P(B|A) \neq P(B)。一般地,P(B∣A)P(B|A) 与 P(B)P(B) 不一定相等。如果 P(B∣A)P(B|A) 与 P(B)P(B) 相等,那么事件 AA 与 BB 应满足什么条件?

直观上看,当事件 AA 与 BB 相互独立时,事件 AA 发生与否不影响事件 BB 发生的概率,这等价于 P(B∣A)=P(B)P(B|A) = P(B) 成立.

事实上,若事件 AA 与 BB 相互独立,即 P(AB)=P(A)P(B)P(AB) = P(A)P(B),且 P(A)>0P(A) > 0,则

P(B∣A)=P(AB)P(A)=P(A)P(B)P(A)=P(B);P (B \mid A) = \frac {P (A B)}{P (A)} = \frac {P (A) P (B)}{P (A)} = P (B);

反之,若 P(B∣A)=P(B)P(B|A) = P(B),且 P(A)>0P(A) > 0,则

P(B)=P(AB)P(A)⇒P(AB)=P(A)P(B),P (B) = \frac {P (A B)}{P (A)} \Rightarrow P (A B) = P (A) P (B),

即事件 A 与 B 相互独立.

因此,当 P(A)>0P(A)>0 时,当且仅当事件 A 与 B 相互独立时,有 P(B∣A)=P(B)P(B|A)=P(B) .

思考

对于任意两个事件 AA 与 BB ,如果已知 P(A)P(A) 与 P(B∣A)P(B|A) ,如何计算 P(AB)P(AB) 呢?

由条件概率的定义,对任意两个事件 AA 与 BB ,若 P(A)>0P(A) > 0 ,则

P(AB)=P(A)P(B∣A).P (A B) = P (A) P (B \mid A).

我们称上式为概率的乘法公式.

例 1 在 5 道试题中有 3 道代数题和 2 道几何题,每次从中随机抽出 1 道题,抽出的题不再放回. 求:

(1) 第 1 次抽到代数题且第 2 次抽到几何题的概率;

(2) 在第 1 次抽到代数题的条件下,第 2 次抽到几何题的概率.

分析:如果把“第1次抽到代数题”和“第2次抽到几何题”作为两个事件,那么问题(1)就是积事件的概率,问题(2)就是条件概率。可以先求积事件的概率,再用条件概率公式求条件概率;也可以先求条件概率,再用乘法公式求积事件的概率。

解:设 A=A = “第1次抽到代数题”, B=B = “第2次抽到几何题”,则“第1次抽到代数题且第2次抽到几何题”就是事件 ABAB

方法1(1)从5道试题中每次不放回地随机抽取2道,试验的样本空间 Ω\Omega 包含20个等可能的样本点,即 n(Ω)=A52=5×4=20n(\Omega) = \mathrm{A}_5^2 = 5\times 4 = 20

因为 n(AB)=A31×A21=3×2=6n(AB) = \mathrm{A}_3^1\times \mathrm{A}_2^1 = 3\times 2 = 6 ,所以

P(AB)=n(AB)n(Ω)=620=310.P (A B) = \frac {n (A B)}{n (\Omega)} = \frac {6}{2 0} = \frac {3}{1 0}.

(2)“在第1次抽到代数题的条件下,第2次抽到几何题”的概率就是事件 AA 发生的条件下,事件 BB 发生的概率.显然 P(A)=35P(A) = \frac{3}{5} 利用条件概率公式,得

P(B∣A)=P(AB)P(A)=31035=12.P (B \mid A) = \frac {P (A B)}{P (A)} = \frac {\frac {3}{1 0}}{\frac {3}{5}} = \frac {1}{2}.

方法 2 因为 n(A)=3×4=12, n(AB)=3×2=6n(A)=3\times4=12,\ n(AB)=3\times2=6 ,所以

P(B∣A)=n(AB)n(A)=612=12.P (B \mid A) = \frac {n (A B)}{n (A)} = \frac {6}{1 2} = \frac {1}{2}.

又 P(A)=35P(A) = \frac{3}{5},利用乘法公式可得

P(AB)=P(A)P(B∣A)=35×12=310.P (A B) = P (A) P (B \mid A) = \frac {3}{5} \times \frac {1}{2} = \frac {3}{1 0}.

例 1 求条件概率用了两种方法:一种是基于样本空间 Ω\Omega ,先计算 P(A)P(A) 和 P(AB)P(AB) ,再利用条件概率公式求 P(B∣A)P(B|A) ;另一种是根据条件概率的直观意义,增加了 “A 发生” 的条件后,样本空间缩小为 A,求 P(B∣A)P(B|A) 就是以 A 为样本空间计算 AB 的概率.

在例 1 中,已知第 1 次抽到代数题,这时还余下 4 道试题,其中代数题和几何题各 2 道.显然,事件 A 发生的条件下,事件 B 发生的概率为 P(B∣A)=24=12P(B|A)=\frac{2}{4}=\frac{1}{2} .这等价于将 A 中的 12 个样本点合并为 4 个等可能的样本点,通常用这种方法求 P(B∣A)P(B|A) 更便捷.

条件概率只是缩小了样本空间,因此条件概率同样具有概率的性质. 设 P(A)>0P(A)>0 ,则

(1) P(Ω∣A)=1;P(\Omega|A)=1;

(2) 如果 B 和 C 是两个互斥事件,则 P(B∪C∣A)=P(B∣A)+P(C∣A)P(B \cup C \mid A) = P(B \mid A) + P(C \mid A) ;

(3) 设 B‾\overline{B} 和 B 互为对立事件,则 P(B‾∣A)=1−P(B∣A)P(\overline{B}|A)=1-P(B|A) .

例 2 已知 3 张奖券中只有 1 张有奖,甲、乙、丙 3 名同学依次不放回地各随机抽取 1 张。他们中奖的概率与抽奖的次序有关吗?

分析:要知道中奖概率是否与抽奖次序有关,只要考察甲、乙、丙3名同学的中奖概率是否相等。因为只有1张有奖,所以“乙中奖”等价于“甲没中奖且乙中奖”,“丙中奖”等价于“甲和乙都没中奖”,利用乘法公式可求出乙、丙中奖的概率。

解:用 A, B, C 分别表示甲、乙、丙中奖的事件,则 B=A‾BB = \overline{A} B , C=A‾B‾C = \overline{A} \overline{B} .

P(A)=13;P (A) = \frac {1}{3};

P(B)=P(A‾B)=P(A‾)P(B∣A‾)=23×12=13;P (B) = P (\overline {{A}} B) = P (\overline {{A}}) P (B | \overline {{A}}) = \frac {2}{3} \times \frac {1}{2} = \frac {1}{3};

P(C)=P(A‾B‾)=P(A‾)P(B‾∣A‾)=23×12=13.P (C) = P (\overline {{A}} \overline {{B}}) = P (\overline {{A}}) P (\overline {{B}} | \overline {{A}}) = \frac {2}{3} \times \frac {1}{2} = \frac {1}{3}.

因为 P(A)=P(B)=P(C)P(A)=P(B)=P(C) ,所以中奖的概率与抽奖的次序无关.

事实上,在抽奖问题中,无论是放回随机抽取还是不放回随机抽取,中奖的概率都与抽奖的次序无关.

例3 银行储蓄卡的密码由6位数字组成. 某人在银行自助取款机上取钱时,忘记了密码的最后1位数字. 求:

(1) 任意按最后 1 位数字, 不超过 2 次就按对的概率;

(2) 如果记得密码的最后 1 位是偶数,不超过 2 次就按对的概率.

分析:最后1位密码“不超过2次就按对”等价于“第1次按对,或者第1次按错但第2次按对”。因此,可以先把复杂事件用简单事件表示,再利用概率的性质求解。

解:(1)设 Ai=A_{i} = “第 ii 次按对密码” (i=1,2)(i = 1,2),则事件“不超过2次就按对密码”可表示为

A=A1∪A‾1A2.A = A _ {1} \cup \overline {{A}} _ {1} A _ {2}.

事件 A1A_{1} 与事件 A‾1A2\overline{A}_1A_2 互斥,由概率的加法公式及乘法公式,得

P(A)=P(A1)+P(A‾1A2)=P(A1)+P(A‾1)P(A2∣A‾1)=110+910×19=15.P (A) = P (A _ {1}) + P (\overline {{A}} _ {1} A _ {2}) = P (A _ {1}) + P (\overline {{A}} _ {1}) P (A _ {2} | \overline {{A}} _ {1}) = \frac {1}{1 0} + \frac {9}{1 0} \times \frac {1}{9} = \frac {1}{5}.

因此,任意按最后1位数字,不超过2次就按对的概率为 15\frac{1}{5} .

(2) 设 B = “最后 1 位密码为偶数”,则

P(A∣B)=P(A1∣B)+P(A‾1A2∣B)=15+4×15×4=25.P (A \mid B) = P (A _ {1} \mid B) + P (\overline {{A}} _ {1} A _ {2} \mid B) = \frac {1}{5} + \frac {4 \times 1}{5 \times 4} = \frac {2}{5}.

因此,如果记得密码的最后1位是偶数,不超过2次就按对的概率为 25\frac{2}{5} .

练习

  1. 设 A⊆BA \subseteq B,且 P(A)=0.3P(A) = 0.3,P(B)=0.6P(B) = 0.6。根据事件包含关系的意义及条件概率的意义,直接写出 P(B∣A)P(B|A) 和 P(A∣B)P(A|B) 的值,再由条件概率公式进行验证。

  2. 从一副不含大小王的52张扑克牌中,每次从中随机抽出1张扑克牌,抽出的牌不再放回。已知第1次抽到A牌,求第2次抽到A牌的概率。

  3. 袋子中有 10 个大小相同的小球,其中 7 个白球,3 个黑球。每次从袋子中随机摸出 1 个球,摸出的球不再放回。求:

(1)在第1次摸到白球的条件下,第2次摸到白球的概率;

(2) 两次都摸到白球的概率.