10.1 随机事件与概率

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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。

初中学过随机事件,也算过”等可能情形下”的简单概率。这一小节要做的事只有一件: 给”随机事件”一个数学身份——把它变成集合。 一旦事件成了集合,事件之间的关系就是集合之间的关系(下一小节), 概率就是定义在集合上的一个函数(§10.1.4)。整章的地基都在这三页上。

一、随机试验:先把”能研究的随机现象”框出来

课本先给了一个名字:对随机现象的实现和对它的观察,称为随机试验(random trial), 简称试验,常用字母 EE 表示。

但不是所有随机现象都好研究。课本只挑出具有以下三个特点的随机试验:

  1. 可重复:试验可以在相同条件下重复进行;
  2. 结果明确且不止一个:所有可能结果是明确可知的,并且不止一个;
  3. 每次恰好出现一个,但事先不知是哪个:每次试验总是恰好出现这些可能结果中的一个, 但事先不能确定出现哪一个。

这三条不是摆设,逐条都在为后面做准备:

  • 第 (1) 条是频率能稳定到概率的前提(§10.3 要用)。只发生一次、无法重复的事情 (例如”明天某场比赛的胜负”作为一次性事件),谈频率就没有依据;
  • 第 (2) 条保证样本空间写得出来。若结果不明确,集合就列不出; “不止一个”排除了必然发生的确定性现象;
  • 第 (3) 条是最关键的一条,它其实说了两件事——各个可能结果互斥(恰好出现一个, 不会同时出现两个)且穷尽(总会出现其中一个,不会一个都不出现)。 这正是后面把事件当成子集、把概率当成”占多大份额”的基础。

二、样本点与样本空间

思考(体育彩票摇奖):1010 个质地大小完全相同、标号 0,1,2,…,90,1,2,\dots,9 的球, 充分搅拌后摇出一个,观察号码。共有 1010 种可能结果;用数字 mm 表示”摇出的球的号码为 mm”, 则所有可能结果可用集合表示为 {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}\{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9\}。

由此给出两个定义:

随机试验 EE 的每个可能的基本结果称为样本点; 全体样本点的集合称为试验 EE 的样本空间(sample space)。

一般用 Ω\Omega 表示样本空间,用 ω\omega 表示样本点。本书只讨论 Ω\Omega 为有限集的情况: 若试验有 nn 个可能结果 ω1,ω2,…,ωn\omega_1,\omega_2,\dots,\omega_n, 则称 Ω={ω1,ω2,…,ωn}\Omega=\{\omega_1,\omega_2,\dots,\omega_n\} 为有限样本空间。

样本空间这个概念由奥地利数学家米泽斯(Richard von Mises,1883—1953)在 19281928 年引进。

“基本”两个字要抠一下。 样本点必须是不可再分的结果: 摇奖里”号码为 33“是一个样本点,而”号码为奇数”不是——它还能拆成 1,3,5,7,91,3,5,7,9 五个更细的结果。 样本点选得对不对,判据就是第 (3) 条:所选的这批结果必须互斥且穷尽。

四个例题:样本空间怎么写

例 1 抛掷一枚硬币,观察落地时哪一面朝上。

只有正面朝上、反面朝上两个结果,故

Ω={正面朝上, 反面朝上},\Omega=\{\text{正面朝上},\ \text{反面朝上}\},

用 hh 表示”正面朝上”、tt 表示”反面朝上”,则 Ω={h,t}\Omega=\{h,t\}。

例 2 抛掷一枚骰子,观察落地时朝上的面的点数。

用 ii 表示朝上面的”点数为 ii“,则 Ω={1,2,3,4,5,6}\Omega=\{1,2,3,4,5,6\}。

例 3 抛掷两枚硬币,观察它们落地时朝上的面的情况。

第一枚的结果记为 xx、第二枚的结果记为 yy,样本点就写成有序对 (x,y)(x,y),于是

Ω={(正面,正面),(正面,反面),(反面,正面),(反面,反面)}.\Omega=\{(\text{正面},\text{正面}),(\text{正面},\text{反面}),(\text{反面},\text{正面}),(\text{反面},\text{反面})\} .

若用 11 表示正面朝上、00 表示反面朝上,则

Ω={(1,1),(1,0),(0,1),(0,0)}.\Omega=\{(1,1),(1,0),(0,1),(0,0)\} .

图 10.1-1 的树状图把这个过程画了出来:第一层分两支(第一枚正/反), 每一支再分两支(第二枚正/反),共 2×2=42\times 2=4 条路径,一条路径就是一个样本点。

这里有一个必须说死的口径:(1,0)(1,0) 与 (0,1)(0,1) 是两个不同的样本点。 两枚硬币即使外观完全一样,在试验里也要当成可分辨的第一枚、第二枚, 否则”一正一反”就会被算成一个样本点,样本空间变成 33 个元素, 后面算概率时就会得到错误的 13\dfrac13。有序对的次序不能扔。

例 4 如图 10.1-2,电路中有 A,B,CA,B,C 三个元件,每个元件可能正常、也可能失效。 把电路是否为通路看作随机现象,观察各元件是否正常。

(1) 样本空间。 用 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3 分别表示元件 A,B,CA,B,C 的状态, 用 11 表示”正常”、00 表示”失效”,样本点写成三元组 (x1,x2,x3)(x_1,x_2,x_3),于是

Ω={(0,0,0),(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(1,1,0),(1,0,1),(0,1,1),(1,1,1)}.\Omega=\{(0,0,0),(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(1,1,0),(1,0,1),(0,1,1),(1,1,1)\} .

共 23=82^3=8 个样本点。图 10.1-3 的树状图同样能把这 88 条路径逐一列出, 它的作用是保证不重不漏——三层各分两支,路径数一望即知。

(2) 用集合表示三个事件。

“恰好两个元件正常”等价于 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3 中恰有两个为 11,所以

M={(1,1,0),(1,0,1),(0,1,1)}.M=\{(1,1,0),(1,0,1),(0,1,1)\} .

“电路是通路”等价于 x1=1x_1=1 且 x2,x3x_2,x_3 中至少有一个是 11,所以

N={(1,1,0),(1,0,1),(1,1,1)}.N=\{(1,1,0),(1,0,1),(1,1,1)\} .

“电路是断路”等价于 x1=0x_1=0,或者 x1=1x_1=1 且 x2=x3=0x_2=x_3=0,所以

T={(0,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(0,1,1),(1,0,0)}.T=\{(0,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(0,1,1),(1,0,0)\} .

读电路图这一步不能跳。 通路条件之所以是”x1=1x_1=1 且 x2,x3x_2,x_3 中至少有一个为 11”, 是因为图 10.1-2 里 AA 与”BB、CC 的并联”是串联的: 串联要求每一段都通,并联只要求其中一条支路通。 换成三个元件全串联,通路条件就变成 x1=x2=x3=1x_1=x_2=x_3=1,NN 只剩一个样本点; 换成全并联,通路条件是三者至少有一个为 11,NN 会有 77 个样本点。 电路的连接方式决定了 NN 是哪个子集,这一步是读图,不是套公式。

一道现成的自检:NN 与 TT 恰好把 Ω\Omega 分成两半—— 3+5=83+5=8,且两者没有公共元素。通路与断路本就是”非此即彼”, 所以 TT 必须是 NN 在 Ω\Omega 中的补集。核对一遍,两个集合都没写错。

三、随机事件就是样本空间的子集

思考(回到摇奖):摇出”球的号码为奇数”是随机事件吗?“号码为 33 的倍数”呢? 用集合表示它们,这些集合与样本空间有什么关系?

两者都是随机事件。用 AA 表示”球的号码为奇数”, 则 AA 发生当且仅当摇出的号码为 1,3,5,7,91,3,5,7,9 之一, 即事件 AA 发生等价于摇出的号码属于集合 {1,3,5,7,9}\{1,3,5,7,9\}。 所以可以用 Ω={0,1,2,…,9}\Omega=\{0,1,2,\dots,9\} 的子集 {1,3,5,7,9}\{1,3,5,7,9\} 表示 AA; 同理,“号码为 33 的倍数”由子集 {0,3,6,9}\{0,3,6,9\} 表示。

于是有了本节最重要的一句话:

将样本空间 Ω\Omega 的子集称为随机事件(random event),简称事件; 只包含一个样本点的事件称为基本事件(elementary event)。 在每次试验中,当且仅当 AA 中某个样本点出现时,称为事件 AA 发生。

随机事件一般用大写字母 A,B,C,…A,B,C,\dots 表示。

这句话是一次”翻译”,值得慢读。 左边是日常语言(“号码为奇数”), 右边是数学对象(子集 {1,3,5,7,9}\{1,3,5,7,9\})。 翻译的规则只有一条:把使这句话为真的所有样本点收集起来。 “当且仅当”三个字保证了这个翻译是一一对应的—— 不同的事件对应不同的子集,反过来每个子集也都对应一个事件。

两个极端情形

  • Ω\Omega 作为自身的子集包含了所有样本点,每次试验总有一个样本点发生, 所以 Ω\Omega 总会发生,称 Ω\Omega 为必然事件;
  • 空集 ∅\varnothing 不包含任何样本点,每次试验都不会发生,称 ∅\varnothing 为不可能事件。

必然事件与不可能事件不具有随机性。为了方便统一处理, 把它们作为随机事件的两个极端情形。这样,每个事件都是样本空间 Ω\Omega 的一个子集。

为什么要把这两个不随机的东西也塞进”随机事件”里? 因为下一小节要对事件做并、交、补运算。 两个事件的交可能是空集,一个事件与它的补的并一定是 Ω\Omega—— 若不把 ∅\varnothing 与 Ω\Omega 认作事件,运算就会跑出定义域。 这与集合论里把 ∅\varnothing 认作集合是同一个理由:为了运算封闭。

四、这一节的做题动作

写样本空间只有三步,例 3、例 4 都是它的实例:

  1. 定”观察什么”。同一个随机现象,观察的角度不同,样本空间就不同。 抛两枚硬币,若观察”正面的个数”,样本空间是 {0,1,2}\{0,1,2\}; 若观察”两枚各自的面”,样本空间是那 44 个有序对。先说清观察对象,再写 Ω\Omega。
  2. 给每个基本结果编码。用数字或字母代替汉字(11 代表正常、00 代表失效), 多个对象就用有序对、有序三元组。编码的好处是能一眼看出总数: nn 个二值元件就是 2n2^n 个样本点。
  3. 用树状图核对不重不漏。分层画,每层一个对象,路径数就是样本点数。

把事件写成集合也只有一步:逐个检验样本点,把使该事件发生的全部收进来。 样本点不多时就老实地一个个查,这是最不容易错的办法。

五、常见错法

  • 把”结果”当成”基本结果”。 “号码为奇数”不是样本点,它是五个样本点的集合。 判据是能不能再分。
  • 有序对丢了次序。 抛两枚硬币写成 {(正,正),(正,反),(反,反)}\{(\text{正},\text{正}),(\text{正},\text{反}),(\text{反},\text{反})\}, 漏掉了 (反,正)(\text{反},\text{正}),44 个样本点变成 33 个。掷两枚骰子同理, (1,2)(1,2) 与 (2,1)(2,1) 是两个样本点,样本空间有 3636 个元素而不是 2121 个。
  • 观察对象没定就写 Ω\Omega。 同一个试验,“观察点数之和”与”观察两个点数” 给出的样本空间完全不同,写之前必须交代清楚。
  • 以为样本点一定等可能。 本节只讲样本空间与事件的表示,没有说各样本点的概率相等。 等可能是 §10.1.3 古典概型才加上的额外假设, 例 4 中三个元件是否正常显然未必等可能,Ω\Omega 照样写得出来。
  • 把 ∅\varnothing 和 Ω\Omega 排除在事件之外。 它们是事件,只是不随机; 排除它们会让下一小节的事件运算无处安放。

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。

10.1 随机事件与概率

在初中,我们已经初步了解了随机事件的概念,并学习了在试验结果等可能的情形下求简单随机事件的概率。本节我们将进一步研究随机事件及其概率的计算,探究随机事件概率的性质。

10.1.1 有限样本空间与随机事件

研究某种随机现象的规律,首先要观察它所有可能的基本结果。例如,将一枚硬币抛掷2次,观察正面、反面出现的情况;从你所在的班级随机选择10名学生,观察近视的人数;在一批灯管中任意抽取一只,测试它的寿命;从一批发芽的水稻种子中随机选取一些,观察分蘖数;记录某地区7月份的降雨量;等等。

我们把对随机现象的实现和对它的观察称为随机试验(random trial),简称试验,常用字母 EE 表示。我们感兴趣的是具有以下特点的随机试验:

(1) 试验可以在相同条件下重复进行;

(2) 试验的所有可能结果是明确可知的,并且不止一个;

(3) 每次试验总是恰好出现这些可能结果中的一个,但事先不能确定出现哪一个结果.

思考

体育彩票摇奖时,将10个质地和大小完全相同、分别标号0,1,2,…,9的球放入摇奖器中,经过充分搅拌后摇出一个球,观察这个球的号码。这个随机试验共有多少种可能结果?如何表示这些结果?

观察球的号码,共有10种可能结果。用数字 mm 表示“摇出的球的号码为 mm”这一结果,那么所有可能结果可用集合表示为 {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}\{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9\}。

我们把随机试验 E 的每个可能的基本结果称为样本点,全体样本点的集合称为试验 E 的样本空间(sample space). 一般地,我们用 Ω\Omega 表示样本空间,用 ω\omega 表示样本点. 在本书中,我们只讨论 Ω\Omega 为有限集的情况. 如果一个随机试验有 n 个可能结果 ω1,ω2,⋯ ,ωn\omega_{1}, \omega_{2}, \cdots, \omega_{n} ,则称样本空间 Ω={ω1,ω2,⋯ ,ωn}\Omega = \{\omega_{1}, \omega_{2}, \cdots, \omega_{n}\} 为有限样本空间. 有了样本点和样本空间的概

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奥地利数学家米泽斯(Richard von Mises, 1883—1953) 在 1928 年引进了样本空间的概念.

念,我们就可以用数学方法描述和研究随机现象了.

例 1 抛掷一枚硬币,观察它落地时哪一面朝上,写出试验的样本空间.

解:因为落地时只有正面朝上和反面朝上两个可能结果,所以试验的样本空间可以表示为 Ω={\Omega=\{ 正面朝上,反面朝上 }\} .如果用 h 表示 “正面朝上”,t 表示 “反面朝上”,则样本空间 Ω={h,t}\Omega=\{h, t\} .

例 2 抛掷一枚骰子(tóuzì),观察它落地时朝上的面的点数,写出试验的样本空间.

解:用 ii 表示朝上面的“点数为 ii”。因为落地时朝上面的点数有1,2,3,4,5,6共6个可能的基本结果,所以试验的样本空间可以表示为 Ω={1,2,3,4,5,6}\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}。

例 3 抛掷两枚硬币,观察它们落地时朝上的面的情况,写出试验的样本空间.

解:掷两枚硬币,第一枚硬币可能的基本结果用 xx 表示,第二枚硬币可能的基本结果用 yy 表示,那么试验的样本点可用 (x,y)(x, y) 表示。于是,试验的样本空间

Ω={(正面,正面),(正面,反面),(反面,正面),(反面,反面)}.\Omega=\left\{\left(\text{正面,正面}\right),\left(\text{正面,反面}\right),\left(\text{反面,正面}\right),\left(\text{反面,反面}\right)\right\}.

如果我们用1表示硬币“正面朝上”,用0表示硬币“反面朝上”,那么样本空间还可以简单表示为 Ω={(1,1),(1,0),(0,1),(0,0)}\Omega = \{(1, 1), (1, 0), (0, 1), (0, 0)\}.

如图 10.1-1 所示,画树状图可以帮助我们理解例 3 的解答过程.

图10.1-1

思考

在体育彩票摇号试验中,摇出“球的号码为奇数”是随机事件吗?摇出“球的号码为3的倍数”是否也是随机事件?如果用集合的形式来表示它们,那么这些集合与样本空间有什么关系?

显然,“球的号码为奇数”和“球的号码为3的倍数”都是随机事件。我们用 AA 表示随机事件“球的号码为奇数”,则 AA 发生,当且仅当摇出的号码为1,3,5,7,9之一,即事件 AA 发生等价于摇出的号码属于集合 {1,3,5,7,9}\{1, 3, 5, 7, 9\}。因此可以用样本空间 Ω={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}\Omega = \{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9\} 的子集 {1,3,5,7,9}\{1, 3, 5, 7, 9\} 表示随机事件 AA。类似地,可以用样本空间的子集 {0,3,6,9}\{0, 3, 6, 9\} 表示随机事件“球的号码为3的倍数”。

一般地,随机试验中的每个随机事件都可以用这个试验的样本空间的子集来表示。为了叙述方便,我们将样本空间 Ω\Omega 的子集称为随机事件(random event),简称事件,并把只包含一个样本点的事件称为基本事件(elementary event)。随机事件一般用大写字母 A,B,C,…表示。在每次试验中,当且仅当 A 中某个样本点出现时,称为事件 A 发生。

Ω\Omega 作为自身的子集,包含了所有的样本点,在每次试验中总有一个样本点发生,所以 Ω\Omega 总会发生,我们称 Ω\Omega 为必然事件。而空集 ∅\varnothing 不包含任何样本点,在每次试验中都不会发生,我们称 ∅\varnothing 为不可能事件。必然事件与不可能事件不具有随机性。为了方便统一处理,将必然事件和不可能事件作为随机事件的两个极端情形。这样,每个事件都是样本空间 Ω\Omega 的一个子集。

例 4 如图 10.1-2,一个电路中有 A,B,C 三个电器元件,每个元件可能正常,也可能失效。把这个电路是否为通路看作一个随机现象,观察这个电路中各元件是否正常。

(1) 写出试验的样本空间;

图10.1-2

(2) 用集合表示下列事件:

M=M= “恰好两个元件正常”;

N=“电路是通路”;N = \text{“电路是通路”};

T=“电路是断路”.T = \text{“电路是断路”}.

解:(1)分别用 x1x_{1},x2x_{2} 和 x3x_{3} 表示元件A,B和C的可能状态,则这个电路的工作状态可用(x1x_{1},x2x_{2},x3x_{3})表示。进一步地,用1表示元件的“正常”状态,用0表示“失效”状态,则样本空间

Ω={(0,0,0),(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(1,1,0),(1,0,1),(0,1,1),(1,1,1)}.\begin{array}{r l} \Omega = \{(0, 0, 0), (1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1), \\ (1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1), (1, 1, 1) \}. \end{array}

如图 10.1-3,还可以借助树状图帮助我们列出试验的所有可能结果.

图10.1-3

(2)“恰好两个元件正常”等价于 (x1,x2,x3)∈Ω(x_{1}, x_{2}, x_{3}) \in \Omega,且 x1,x2,x3x_{1}, x_{2}, x_{3} 中恰有两个为 1,所以

M={(1,1,0),(1,0,1),(0,1,1)}.M = \{(1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1) \}.

“电路是通路”等价于 (x1,x2,x3)∈Ω(x_{1}, x_{2}, x_{3}) \in \Omega , x1=1x_{1}=1 ,且 x2,x3x_{2}, x_{3} 中至少有一个是1,所以 N={(1,1,0),(1,0,1),(1,1,1)}N=\{(1,1,0),(1,0,1),(1,1,1)\} .

同理,“电路是断路”等价于 (x1,x2,x3)∈Ω(x_{1}, x_{2}, x_{3}) \in \Omega , x1=0x_{1}=0 ,或 x1=1x_{1}=1 , x2=x3=0x_{2}=x_{3}=0 。所以 T={(0,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(0,1,1),(1,0,0)}T=\{(0,0,0),(0,1,0),(0,0,1),(0,1,1),(1,0,0)\} .