7.1.2 全概率公式

人教 A 版 · 本节 7 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 4 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

原书 page-0054
page-0054
原书 page-0055
page-0055
原书 page-0056
page-0056
原书 page-0057
page-0057
原书 page-0058
page-0058
原书 page-0059
page-0059
原书 page-0060
page-0060

本节的知识树

1 公式 · 最深 1 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 4 道

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。

上一节的乘法公式 P(AB)=P(A)P(B∣A)P(AB) = P(A)P(B \mid A) 解决的是”两件事都发生”的概率。这一节要处理的是另一种 常见形态:一件事的概率说不清,除非先知道前一步发生了什么。

抽签公平吗?袋里 aa 个红球 bb 个蓝球,不放回地摸,第 2 次摸到红球的概率是多少?直觉说还是 aa+b\frac{a}{a+b},可第 2 次的结果明明受第 1 次影响——第 1 次摸走红球,袋里就少一个红球了。 把这件事算清楚的工具,就是全概率公式。

这一份按”一个动作 → 一条公式 → 三步做题法 → 反过来问(贝叶斯)“的顺序讲。要先说破的是: 全概率公式没有引入任何新原理,它是加法公式与乘法公式合在一起用的一个固定套路。 真正要练的不是公式,而是按什么标准分类这一步。

一、那个动作:把复杂事件切成互斥的几块

回到摸球。用 RiR_i 表示”第 ii 次摸到红球”,BiB_i 表示”第 ii 次摸到蓝球”。

第 2 次摸到红球这件事,可以按第 1 次摸到了什么拆开——第 1 次要么红要么蓝,两种情况互斥、 且必居其一:

R2=R1R2∪B1R2.R_2 = R_1R_2 \cup B_1R_2 .

两块互斥,用加法公式拆开;每一块是两件事同时发生,用乘法公式算:

P(R2)=P(R1R2)+P(B1R2)=P(R1)P(R2∣R1)+P(B1)P(R2∣B1)=aa+b×a−1a+b−1+ba+b×aa+b−1=aa+b⋅(a−1)+ba+b−1=aa+b.\begin{aligned} P(R_2) &= P(R_1R_2) + P(B_1R_2) \\ &= P(R_1)P(R_2 \mid R_1) + P(B_1)P(R_2 \mid B_1) \\ &= \frac{a}{a+b} \times \frac{a-1}{a+b-1} + \frac{b}{a+b} \times \frac{a}{a+b-1} \\ &= \frac{a}{a+b} \cdot \frac{(a-1) + b}{a+b-1} = \frac{a}{a+b} . \end{aligned}

结论与第 1 次摸到红球的概率相同——抽签的公平性到这里才算真正被证明,而不是”凭感觉应该 一样”。倒数第二步那个约分值得盯一眼:(a−1)+b=a+b−1(a-1)+b = a+b-1,正好把分母整个约掉,这不是巧合, 后面每一道全概率的题都会出现类似的”加权之后重新聚拢”。

把这个动作一般化,就是公式本身。

二、全概率公式

设 A1,A2,⋯ ,AnA_1, A_2, \cdots, A_n 是一组两两互斥的事件,A1∪A2∪⋯∪An=ΩA_1 \cup A_2 \cup \cdots \cup A_n = \Omega, 且 P(Ai)>0P(A_i) > 0(i=1,2,⋯ ,ni = 1, 2, \cdots, n),则对任意事件 B⊆ΩB \subseteq \Omega,有

P(B)=∑i=1nP(Ai)P(B∣Ai).P(B) = \sum_{i=1}^{n} P(A_i) P(B \mid A_i) .

三个前提缺一不可,而且它们正是解题时最容易糊弄过去的地方:

  • 两两互斥——不重复算。若两块有重叠,重叠处会被数两遍。
  • 并为全集(穷尽)——不漏算。少一块,算出来的概率就偏小。
  • P(Ai)>0P(A_i) > 0——否则条件概率 P(B∣Ai)P(B \mid A_i) 根本没有定义。

满足前两条的一组事件通常叫做样本空间的一个划分。找划分是这一节唯一要动脑的一步: 划分选得好,每个 P(B∣Ai)P(B \mid A_i) 都是一眼可见的数;选得不好,就要在里面再套一层。

怎么找划分? 三个常见来源,覆盖了本节和习题里的全部题目:

  1. “第一步”的几种结果——先摸哪个箱子、掷骰子的点数落在哪一段、第 1 天去哪家餐厅;
  2. 对象的几种来源 / 类别——零件来自第几台车床、产品属于第几批、人来自哪个地区、 题目有没有思路;
  3. 一个二分的条件与它的对立面——AA 与 A‾\overline{A},这是 n=2n = 2 的最简划分 (发送的信号是 0 还是 1)。

三、三步做题法

看到”求某个复杂事件的概率”,照这三步走,几乎不会错:

第 1 步:找划分,并写出它。 设 Ai=A_i = ”……”,说明 A1,⋯ ,AnA_1, \cdots, A_n 两两互斥、 并为 Ω\Omega。这一句要写在卷面上——它是采分点,也是自己防漏防重的检查。

第 2 步:填两排数。 一排是先验概率 P(Ai)P(A_i)(各类占多大比重), 一排是条件概率 P(B∣Ai)P(B \mid A_i)(在这一类里 BB 有多大可能)。

题面给的往往就是这两排,只是说法不同:「第 1,2,3 台车床加工的零件数分别占总数的 25%,30%,45%」 是第一排;「第 1 台加工的次品率为 6%」是第二排。把题面的每一个百分数先归到这两排里的某一排, 归不进去的多半是问的东西。

第一排有一条免费的自查:∑iP(Ai)=1\sum_i P(A_i) = 1。三台车床的 0.25+0.30+0.45=10.25 + 0.30 + 0.45 = 1,对上了才往下算。

第 3 步:加权求和。 逐项相乘再相加。

以课本例 5 为例(三台车床,次品率分别 6%、5%、5%,产量占比 25%、30%、45%):

P(B)=0.25×0.06+0.30×0.05+0.45×0.05=0.0525.P(B) = 0.25 \times 0.06 + 0.30 \times 0.05 + 0.45 \times 0.05 = 0.0525 .

算完再瞄一眼合理性:三个条件概率在 0.050.05 到 0.060.06 之间,加权平均必然也落在这个区间里—— 0.05250.0525 落在里面,合理。加权平均落在最小与最大的条件概率之间,这条性质是全概率公式最便宜的 兜底自查,任何一道题都可以用。

一个值得单独记住的特例:加权和变成期望

划分常常就是按某个随机变量的取值分的——Ak={X=k}A_k=\{X=k\}。如果这时条件概率恰好与 kk 成正比, P(B∣X=k)=kNP(B \mid X=k)=\dfrac{k}{N}(NN 是个常数),那么全概率公式的那个和会自动折成一个期望:

P(B)=∑kP(X=k)⋅kN=1N∑kk P(X=k)=E(X)N.P(B)=\sum_k P(X=k)\cdot\frac{k}{N}=\frac{1}{N}\sum_k k\,P(X=k)=\frac{E(X)}{N} .

说白了就是一句话:盒子里共 NN 个球、其中红球有 XX 个(XX 自己也是随机的),随机摸一个是红球的概率等于 E(X)N\dfrac{E(X)}{N}。

这条特例的价值在于它把「求概率」换成了「求期望」——而期望常常比分布列好算得多 (§7.3 的 0-1 拆分几行就能给出 E(X)E(X),分布列却可能有十几项)。 2014 年浙江卷第 9 题整道题就建在这一条上,见本节末尾。

四、反过来问:贝叶斯公式

全概率公式是由因求果:知道各类占比与各类里的次品率,求随便拿一个是次品的概率。 现实里更常问的却是反过来的:手上这件是次品,它多半是哪台车床加工的?

这就是条件概率 P(Ai∣B)P(A_i \mid B)。按条件概率的定义,再把分子用乘法公式、分母用全概率公式展开:

P(Ai∣B)=P(AiB)P(B)=P(Ai)P(B∣Ai)P(B)=P(Ai)P(B∣Ai)∑k=1nP(Ak)P(B∣Ak).P(A_i \mid B) = \frac{P(A_iB)}{P(B)} = \frac{P(A_i)P(B \mid A_i)}{P(B)} = \frac{P(A_i)P(B \mid A_i)}{\sum_{k=1}^{n} P(A_k)P(B \mid A_k)} .

这就是贝叶斯公式。它没有第三个新原理—— 分子是全概率公式求和号里的第 ii 项,分母是那个和本身。记住这一句,公式就不用背了:

P(Ai∣B)=第 i 项总和.P(A_i \mid B) = \frac{\text{第 } i \text{ 项}}{\text{总和}} .

于是解题也不用另起炉灶: 先用三步法把 P(B)P(B) 算出来(顺手把每一项都留着),再挑出要的那一项除以总和。 三台车床那道题里 P(A1∣B)=0.25×0.060.0525=27P(A_1 \mid B) = \frac{0.25 \times 0.06}{0.0525} = \frac{2}{7}, 分子就是刚才三项里的第一项。

还有一条免费的自查:∑iP(Ai∣B)=1\sum_i P(A_i \mid B) = 1(所有项除以总和当然加起来是 1)。 课本例 5 得到 27,27,37\frac{2}{7}, \frac{2}{7}, \frac{3}{7},相加正好是 1。

先验与后验

  • P(Ai)P(A_i) 叫先验概率:试验之前就知道的、各类的比重。
  • P(Ai∣B)P(A_i \mid B) 叫后验概率:观察到 BB 发生之后,对”它属于哪一类”的重新判断。

例 5 里第 1 台车床产量只占 25%,但因为它次品率最高,在次品里它占到 27≈28.6%\frac{2}{7} \approx 28.6\%—— 证据把比重改写了,这正是贝叶斯方法的全部内容。课本”阅读与思考”那一篇(三个箱子换不换号) 讲的也是同一件事:主持人打开一个空箱子这个动作提供了信息,于是先验的 13\frac{1}{3} 被改写成后验的 23\frac{2}{3}。

五、易错清单

按失分频率排:

  1. 划分不穷尽或有重叠。 最常见的是把”至少一次”这类事件当作一块。动笔前先问一句: 这几块加起来是不是把所有可能都盖住了?有没有哪一种情形同时落进两块?
  2. 两排数搞混。 把”第一批占 40%“当成条件概率、或把”次品率 5%“当成先验概率,式子就整个反了。 办法是逐个百分数标注它是 P(Ai)P(A_i) 还是 P(B∣Ai)P(B \mid A_i)。
  3. 不放回时忘了条件概率会变。 摸球第 2 次的 P(R2∣R1)=a−1a+b−1P(R_2 \mid R_1) = \frac{a-1}{a+b-1}, 分子分母都要减 1;写成 aa+b\frac{a}{a+b} 就是把不放回当成了放回。
  4. 合格率与次品率不分。 题目给次品率 5%,问合格品的概率,条件概率那一排要填 0.950.95。 这一步在草稿上换算清楚再代。
  5. 贝叶斯的分母写成 P(Ai)P(A_i)。 分母永远是 P(B)P(B)(那个和),不是某一类的先验概率。
  6. 中途取近似。 0.25×0.060.0525\frac{0.25 \times 0.06}{0.0525} 保留分数算得到干净的 27\frac{2}{7}, 四舍五入成 0.2860.286 再往下算就再也回不去了。能保留分数就保留到最后一步。

六、这一节考过的真题(怎么用它)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期派生出来的完整清单。这里说其中两道: 一道把这一节推到了它能到的最远处,另一道则是上面那条特例的教科书式用法。

2023 年新课标Ⅰ卷第 21 题(甲、乙两人投篮:命中则自己继续投,未命中则换人;甲命中率 0.6, 乙命中率 0.8;第 1 次由抽签决定,各 0.5)——

  • 第 (1) 问”求第 2 次投篮的人是乙的概率”就是一次标准的三步法:划分是”第 1 次投篮的人是甲 / 是乙”,两排数题面直接给了:第 1 次是甲时,甲未命中才换乙,0.40.4;第 1 次是乙时, 乙命中才继续由乙投,0.80.8。加权一算就是 0.5×0.4+0.5×0.8=0.60.5 \times 0.4 + 0.5 \times 0.8 = 0.6。 这一问与课本例 4(两家餐厅)结构完全相同,先把例 4 做熟再来。
  • 第 (2) 问”求第 ii 次投篮的人是甲的概率”是这一节真正的上限:把三步法用在相邻两次之间, 得到 pi+1p_{i+1} 与 pip_i 的一个递推关系,再解这个递推数列。全概率公式在这里不再是”算一个数”, 而是列出一个方程。
  • 第 (3) 问要用期望,属于 §7.3 的内容(那道题在题面里额外给了”和的期望等于期望的和”这条性质)。

2014 年浙江卷(理)第 9 题(甲盒里只有 1 个球且为红球;乙盒有 mm 个红球、nn 个蓝球, m,n≥3m,n\geq 3。从乙盒随机抓 ii 个球放进甲盒,记甲盒里的红球数为 ξi\xi_i、 再从甲盒摸 1 个球是红球的概率为 pip_i,比较 p1p_1 与 p2p_2、E(ξ1)E(\xi_1) 与 E(ξ2)E(\xi_2))——

  • 这道题的 pip_i 就是三步法的第三步:划分取”甲盒里恰有 kk 个红球”, 条件概率是 P(摸到红∣ξi=k)=ki+1P(\text{摸到红} \mid \xi_i=k)=\dfrac{k}{i+1}(甲盒此刻共 i+1i+1 个球)。
  • 按四节前那条特例,加权和立刻折成 pi=E(ξi)i+1p_i=\dfrac{E(\xi_i)}{i+1}——两个待比较的量并成了一个。 剩下的 E(ξi)=1+i⋅mm+nE(\xi_i)=1+i\cdot\dfrac{m}{m+n} 由 §7.3 的 0-1 拆分一行给出。
  • 于是 pi=1i+1⋅1+ii+1⋅mm+np_i=\dfrac{1}{i+1}\cdot 1+\dfrac{i}{i+1}\cdot\dfrac{m}{m+n} 是 11 与 mm+n\dfrac{m}{m+n} 的加权平均:加的球越多,越往后者靠。EE 在涨、pp 在跌,选 A。
  • 反面教材:不用这条桥,p2p_2 得老老实实写成三项加权再通分,正是这一步最容易把 Cm1Cn1\mathrm{C}_m^1\mathrm{C}_n^1 的系数写错(这道题的原卷解析就在这里把 4mn4mn 印成了 2mn2mn)。

读的顺序建议:课本例 4 → 本节练习第 1 题(12 道单选题,划分是”有没有思路”)→ 习题 7.1 第 4 题 (掷骰子决定摸哪个箱子)→ 2014 年那道(三步法 + 折成期望)→ 2023 年那道的第 (1) 问 → 第 (2) 问。 前几步都是同一个套路,只有最后一步换了形态。

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。

本节课本习题共 6 道:第 57 页「练习」2 道,第 57—58 页「习题 7.1」里属于本节主题的 4 道 (第 4、5、7、8 题)。收题的判据是:这道题要不要按某个划分把概率加权聚起来(全概率公式), 或者反过来由结果追来源(贝叶斯公式),是就收。

不收的两批,说清楚免得读者以为漏了:

  • 「习题 7.1」的第 1、2、3、6、9、10 题——它们考的是条件概率本身(列联表读条件概率、 P(B)P(B) 与 P(C)P(C) 的大小、“已知至少命中 1 次”的缩样本空间、独立性的对称、条件概率的性质、 乘法公式向 nn 个事件的推广),归上一小节 §7.1.1「条件概率」;
  • 本节没有开放式的实习作业,故无此项。

每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 57 页)第 1 题

  1. 现有 12 道四选一的单选题,学生张君对其中 9 道题有思路,3 道题完全没有思路。有思路的题做对的概率为 0.9,没有思路的题只好任意猜一个答案,猜对答案的概率为 0.25。张君从这 12 道题中随机选择 1 题,求他做对该题的概率。

第 1 步:找划分。 设

A=“抽到的这道题他有思路”,B=“他做对了这道题”.A = \text{“抽到的这道题他有思路”}, \qquad B = \text{“他做对了这道题”}.

AA 与 A‾\overline{A}(“没有思路”)互斥,且并起来就是全部 12 道题,构成样本空间的一个划分; 又 P(A)>0P(A) > 0、P(A‾)>0P(\overline{A}) > 0,全概率公式的三个前提都满足。

第 2 步:填两排数。 从 12 道题中随机选 1 题,每道被选中的可能性相同,故

P(A)=912=34,P(A‾)=312=14,P(A) = \frac{9}{12} = \frac{3}{4}, \qquad P(\overline{A}) = \frac{3}{12} = \frac{1}{4},

自查:34+14=1\frac34 + \frac14 = 1。题面直接给出条件概率

P(B∣A)=0.9,P(B∣A‾)=0.25.P(B \mid A) = 0.9, \qquad P(B \mid \overline{A}) = 0.25 .

(“四选一”且”任意猜一个”,猜对的概率正是 14=0.25\frac14 = 0.25,与题面给的数一致。)

第 3 步:加权求和。 由全概率公式,

P(B)=P(A)P(B∣A)+P(A‾)P(B∣A‾)=34×0.9+14×0.25=0.675+0.0625=0.7375.P(B) = P(A)P(B \mid A) + P(\overline{A})P(B \mid \overline{A}) = \frac{3}{4} \times 0.9 + \frac{1}{4} \times 0.25 = 0.675 + 0.0625 = 0.7375 .

答案:他做对该题的概率是 0.73750.7375。

自查:两个条件概率分别是 0.250.25 与 0.90.9,加权平均必落在 [0.25, 0.9][0.25,\ 0.9] 内; 0.73750.7375 在里面,且因为有思路的题占了四分之三,结果理应更靠近 0.90.9 一侧——都相符。

练习(第 57 页)第 2 题

  1. 两批同种规格的产品,第一批占 40%40\% ,次品率为 5%5\% ;第二批占 60%60\% ,次品率为 4%4\% 。将两批产品混合,从混合产品中任取1件。

(1) 求这件产品是合格品的概率;

  • (2) 已知取到的是合格品,求它取自第一批产品的概率.

设

A1=“取到的产品来自第一批”,A2=“取到的产品来自第二批”,B=“取到的是合格品”.A_1 = \text{“取到的产品来自第一批”}, \qquad A_2 = \text{“取到的产品来自第二批”}, \qquad B = \text{“取到的是合格品”}.

A1A_1、A2A_2 互斥且并为全集(产品只有这两批),P(A1)=0.4>0P(A_1) = 0.4 > 0、P(A2)=0.6>0P(A_2) = 0.6 > 0, 自查 0.4+0.6=10.4 + 0.6 = 1。

条件概率那一排要先换算:题面给的是次品率,要的是合格率,故

P(B∣A1)=1−0.05=0.95,P(B∣A2)=1−0.04=0.96.P(B \mid A_1) = 1 - 0.05 = 0.95, \qquad P(B \mid A_2) = 1 - 0.04 = 0.96 .

(1) 由全概率公式,

P(B)=P(A1)P(B∣A1)+P(A2)P(B∣A2)=0.4×0.95+0.6×0.96=0.38+0.576=0.956.P(B) = P(A_1)P(B \mid A_1) + P(A_2)P(B \mid A_2) = 0.4 \times 0.95 + 0.6 \times 0.96 = 0.38 + 0.576 = 0.956 .

即取到合格品的概率是 0.9560.956。(自查:0.9560.956 落在 0.950.95 与 0.960.96 之间,合理。 也可以反过来算次品率 0.4×0.05+0.6×0.04=0.02+0.024=0.0440.4 \times 0.05 + 0.6 \times 0.04 = 0.02 + 0.024 = 0.044, 0.956+0.044=10.956 + 0.044 = 1,对上。)

(2) 问的是后验概率 P(A1∣B)P(A_1 \mid B)。由贝叶斯公式——分子是上面求和式里的第一项, 分母就是那个和:

P(A1∣B)=P(A1)P(B∣A1)P(B)=0.380.956=380956=95239≈0.3975.P(A_1 \mid B) = \frac{P(A_1)P(B \mid A_1)}{P(B)} = \frac{0.38}{0.956} = \frac{380}{956} = \frac{95}{239} \approx 0.3975 .

答案:(1) 0.9560.956;(2) 95239≈0.3975\dfrac{95}{239} \approx 0.3975。

自查:另一项 P(A2∣B)=0.5760.956=144239P(A_2 \mid B) = \frac{0.576}{0.956} = \frac{144}{239}, 而 95239+144239=1\frac{95}{239} + \frac{144}{239} = 1,两个后验概率之和为 1,符合要求。

再读一句结论:第一批本来占 40%40\%,在合格品里只占约 39.75%39.75\%——因为它的合格率略低, 证据(“这件是合格品”)把它的比重压下去了一点点。

习题 7.1 第 4 题

  1. 甲和乙两个箱子中各装有10个球,其中甲箱中有5个红球、5个白球,乙箱中有8个红球、2个白球。掷一枚质地均匀的骰子,如果点数为1或2,从甲箱子随机摸出1个球;如果点数为3,4,5,6,从乙箱子中随机摸出1个球。求摸到红球的概率。

划分来自”第一步”——骰子点数把摸球分成了两条互斥的路。设

A=“掷出 1 或 2”,A‾=“掷出 3,4,5,6”,B=“摸到红球”.A = \text{“掷出 1 或 2”}, \qquad \overline{A} = \text{“掷出 3,4,5,6”}, \qquad B = \text{“摸到红球”}.

骰子质地均匀,六个点数等可能。点数为 1 或 2 走甲箱,点数为 3、4、5、6 走乙箱:

P(A)=26=13,P(A‾)=46=23,P(A) = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}, \qquad P(\overline{A}) = \frac{4}{6} = \frac{2}{3},

自查 13+23=1\frac13 + \frac23 = 1,且两条路互斥、穷尽(骰子必落在这两组点数之一)。

每个箱里随机摸 1 个球,故

P(B∣A)=510=12,P(B∣A‾)=810=45.P(B \mid A) = \frac{5}{10} = \frac{1}{2}, \qquad P(B \mid \overline{A}) = \frac{8}{10} = \frac{4}{5} .

由全概率公式,

P(B)=13×12+23×45=16+815=530+1630=2130=710.P(B) = \frac{1}{3} \times \frac{1}{2} + \frac{2}{3} \times \frac{4}{5} = \frac{1}{6} + \frac{8}{15} = \frac{5}{30} + \frac{16}{30} = \frac{21}{30} = \frac{7}{10} .

答案:摸到红球的概率是 710=0.7\dfrac{7}{10} = 0.7。

自查:0.70.7 落在两个条件概率 0.50.5 与 0.80.8 之间,且更靠近 0.80.8(乙箱被选中的可能性是甲箱的 两倍),相符。

这道题的关键动作:骰子不是用来算概率的对象,它只是决定走哪条路的开关——把六个点数按 题面的分组折成两个权重 13\frac13 与 23\frac23,剩下的就是标准的加权求和。

习题 7.1 第 5 题

  1. 在 A, B, C 三个地区暴发了流感,这三个地区分别有 6%, 5%, 4% 的人患了流感。假设这三个地区的人口数的比为 5:7:8,现从这三个地区中任意选取一个人。

(1) 求这个人患流感的概率;

  • (2) 如果此人患流感,求此人选自 A 地区的概率.

设 A1A_1、A2A_2、A3A_3 分别表示”选取的人来自 A、B、C 地区”,DD 表示”这个人患流感”。 三个地区互不重叠、且这个人必来自其中之一,故 A1,A2,A3A_1, A_2, A_3 两两互斥、并为全集。

先验概率由人口比给出。 “从这三个地区中任意选取一个人”意思是每个人被选中的可能性相同, 所以来自某地区的概率就是该地区人口占三地区总人口的比例。人口比为 5:7:85:7:8,总份数 5+7+8=205 + 7 + 8 = 20,故

P(A1)=520=14,P(A2)=720,P(A3)=820=25,P(A_1) = \frac{5}{20} = \frac14, \qquad P(A_2) = \frac{7}{20}, \qquad P(A_3) = \frac{8}{20} = \frac25,

自查:520+720+820=1\frac{5}{20} + \frac{7}{20} + \frac{8}{20} = 1。条件概率就是各地区的患病比例:

P(D∣A1)=0.06,P(D∣A2)=0.05,P(D∣A3)=0.04.P(D \mid A_1) = 0.06, \qquad P(D \mid A_2) = 0.05, \qquad P(D \mid A_3) = 0.04 .

(1) 由全概率公式,

P(D)=520×0.06+720×0.05+820×0.04=0.30+0.35+0.3220=0.9720=0.0485.\begin{aligned} P(D) &= \frac{5}{20} \times 0.06 + \frac{7}{20} \times 0.05 + \frac{8}{20} \times 0.04 \\ &= \frac{0.30 + 0.35 + 0.32}{20} = \frac{0.97}{20} = 0.0485 . \end{aligned}

(2) 由贝叶斯公式,分子是上式求和里的第一项、分母是那个和:

P(A1∣D)=P(A1)P(D∣A1)P(D)=0.30/200.97/20=0.300.97=3097≈0.3093.P(A_1 \mid D) = \frac{P(A_1)P(D \mid A_1)}{P(D)} = \frac{0.30/20}{0.97/20} = \frac{0.30}{0.97} = \frac{30}{97} \approx 0.3093 .

(分子分母同乘 20,那个 120\frac{1}{20} 直接约掉——这正是”分子是其中一项、分母是总和”带来的 便利:公共因子不必先算成小数。)

答案:(1) 0.04850.0485;(2) 3097≈0.3093\dfrac{30}{97} \approx 0.3093。

自查:三个患病率在 0.040.04 到 0.060.06 之间,0.04850.0485 落在里面。另外两个后验概率是 3597\frac{35}{97} 与 3297\frac{32}{97},三者之和 30+35+3297=1\frac{30 + 35 + 32}{97} = 1,对上。 A 地区人口只占 25%25\%,在患者里却占约 30.9%30.9\%——因为它的患病率最高。

习题 7.1 第 7 题

  1. 一批产品共有100件,其中5件为不合格品。收货方从中不放回地随机抽取产品进行检验,并按以下规则判断是否接受这批产品:如果抽检的第1件产品不合格,则拒绝整批产品;如果抽检的第1件产品合格,则再抽1件,如果抽检的第2件产品合格,则接受整批产品,否则拒绝整批产品。求这批产品被拒绝的概率。

先把规则读成事件。设 HiH_i 表示”抽检的第 ii 件产品合格”(i=1,2i = 1, 2),RR 表示”这批产品被拒绝”。 按规则:

  • 第 1 件不合格(H1‾\overline{H_1})⇒\Rightarrow 拒绝;
  • 第 1 件合格、第 2 件不合格(H1H2‾H_1\overline{H_2})⇒\Rightarrow 拒绝;
  • 第 1 件合格、第 2 件也合格(H1H2H_1H_2)⇒\Rightarrow 接受。

三种情形两两互斥、且穷尽了全部可能,所以 R=H1‾∪H1H2‾R = \overline{H_1} \cup H_1\overline{H_2}。

注意”不放回”:第 2 件的合格率要在第 1 件的结果下重新算,用的是条件概率。100 件里 5 件不合格、 95 件合格,故

P(H1)=95100,P(H1‾)=5100.P(H_1) = \frac{95}{100}, \qquad P(\overline{H_1}) = \frac{5}{100} .

第 1 件合格被拿走之后,只剩 99 件、其中不合格品仍是 5 件,所以

P(H2‾∣H1)=599.P(\overline{H_2} \mid H_1) = \frac{5}{99} .

以 {H1, H1‾}\{H_1,\ \overline{H_1}\} 为划分,用全概率公式(在 H1‾\overline{H_1} 这一支上直接拒绝, 条件概率是 1):

P(R)=P(H1‾)×1+P(H1)×P(H2‾∣H1)=5100+95100×599=5100+4759 900=4959 900+4759 900=9709 900=97990≈0.098.\begin{aligned} P(R) &= P(\overline{H_1}) \times 1 + P(H_1) \times P(\overline{H_2} \mid H_1) \\ &= \frac{5}{100} + \frac{95}{100} \times \frac{5}{99} = \frac{5}{100} + \frac{475}{9\,900} \\ &= \frac{495}{9\,900} + \frac{475}{9\,900} = \frac{970}{9\,900} = \frac{97}{990} \approx 0.098 . \end{aligned}

换一条路核一遍(取反面):被接受当且仅当两件都合格,

P(H1H2)=P(H1)P(H2∣H1)=95100×9499=8 9309 900=893990,P(H_1H_2) = P(H_1)P(H_2 \mid H_1) = \frac{95}{100} \times \frac{94}{99} = \frac{8\,930}{9\,900} = \frac{893}{990},

于是 P(R)=1−893990=97990P(R) = 1 - \frac{893}{990} = \frac{97}{990},与上面一致。

答案:这批产品被拒绝的概率是 97990≈0.098\dfrac{97}{990} \approx 0.098。

这道题的关键动作:“不放回”意味着第 2 次的分母是 99 而不是 100。若误按放回算, P(R)=1−(95100)2=97510 000=0.0975P(R) = 1 - \left(\frac{95}{100}\right)^2 = \frac{975}{10\,000} = 0.0975,与正确答案很接近、 却不相等——数值接近正是这种错最难自己发现的原因,所以要在写式子时就把”抽走一件之后还剩几件” 写出来。

习题 7.1 第 8 题

  1. 在孟德尔豌豆试验中,子二代的基因型为 DD,Dd,dd,其中 D 为显性基因,d 为隐性基因,且这三种基因型的比为 1:2:1。如果在子二代中任意选取 2 株豌豆进行杂交试验,那么子三代中基因型为 dd 的概率是多大?

先把生物学的规则写成概率的语言:杂交时,每个亲本各把自己的两个基因中的一个等可能地传给子代, 两个亲本传谁互不影响;子三代的基因型由这两个基因合成。

于是”子三代是 dd”等价于”两个亲本各传出一个 d”。

第一步:算一株随机选出的豌豆传出 d 的概率。 这一步正是全概率公式。设

A1=“选到的豌豆是 DD”,A2=“是 Dd”,A3=“是 dd”,E=“它传出的基因是 d”.A_1 = \text{“选到的豌豆是 DD”}, \quad A_2 = \text{“是 Dd”}, \quad A_3 = \text{“是 dd”}, \qquad E = \text{“它传出的基因是 d”}.

三种基因型两两互斥、并为全集,比为 1:2:11:2:1,总份数 1+2+1=41+2+1 = 4,故

P(A1)=14,P(A2)=12,P(A3)=14,P(A_1) = \frac14, \qquad P(A_2) = \frac12, \qquad P(A_3) = \frac14,

自查 14+12+14=1\frac14 + \frac12 + \frac14 = 1。条件概率按”两个基因里等可能地传一个”数:

P(E∣A1)=0 (DD 里没有 d),P(E∣A2)=12,P(E∣A3)=1 (dd 里两个都是 d).P(E \mid A_1) = 0 \ (\text{DD 里没有 d}), \quad P(E \mid A_2) = \frac12, \quad P(E \mid A_3) = 1 \ (\text{dd 里两个都是 d}).

由全概率公式,

P(E)=14×0+12×12+14×1=0+14+14=12.P(E) = \frac14 \times 0 + \frac12 \times \frac12 + \frac14 \times 1 = 0 + \frac14 + \frac14 = \frac12 .

第二步:两个亲本合起来。 “任意选取 2 株”意味着两株各自独立地按上述比例取到基因型, 它们传出什么也互不影响,所以两个”传出 d”的事件相互独立:

P(子三代为 dd)=P(E)×P(E)=12×12=14.P(\text{子三代为 dd}) = P(E) \times P(E) = \frac12 \times \frac12 = \frac14 .

答案:子三代中基因型为 dd 的概率是 14\dfrac14。

自查:不用 P(E)=12P(E) = \frac12 这个中间结果,按两个亲本的基因型组合从头算一遍。 两株各自的基因型分布都是 DD、Dd、dd 各占 14\frac14、12\frac12、14\frac14,两株独立, 故某一对组合出现的概率是两个先验概率之积;给定这一对,子代为 dd 的概率是两个亲本各自传 d 的 概率之积(DD 传 d 的概率 00、Dd 为 12\frac12、dd 为 11)。九项列全(只有含 DD 的那五项贡献 00):

亲本组合组合出现的概率该组合下子代为 dd 的概率乘积
(Dd, Dd)(\mathrm{Dd},\ \mathrm{Dd})12×12=14\frac12 \times \frac12 = \frac1412×12=14\frac12 \times \frac12 = \frac14116\frac{1}{16}
(Dd, dd)(\mathrm{Dd},\ \mathrm{dd})12×14=18\frac12 \times \frac14 = \frac1812×1=12\frac12 \times 1 = \frac12116\frac{1}{16}
(dd, Dd)(\mathrm{dd},\ \mathrm{Dd})14×12=18\frac14 \times \frac12 = \frac181×12=121 \times \frac12 = \frac12116\frac{1}{16}
(dd, dd)(\mathrm{dd},\ \mathrm{dd})14×14=116\frac14 \times \frac14 = \frac{1}{16}1×1=11 \times 1 = 1116\frac{1}{16}
含 DD\mathrm{DD} 的其余 5 项合计 716\frac{7}{16}0000

四项相加 116×4=14\frac{1}{16} \times 4 = \frac14,与上面所得一致。(顺带核一下第一列: 14+18+18+116+716=1\frac14 + \frac18 + \frac18 + \frac{1}{16} + \frac{7}{16} = 1。)

这道题的关键动作:把”两代”拆成”每个亲本传一个基因”这一层原子事件。直接对 3×3=93 \times 3 = 9 种亲本基因型组合逐一讨论也能做,但要算九项;先用全概率公式把”一株传出 d”折成一个数 12\frac12, 就只剩一次乘法。

原书转写(OCR,供核对)

共 7 页· 默认折起

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。

7.1.2 全概率公式

在上节计算按对银行储蓄卡密码的概率时,我们首先把一个复杂事件表示为一些简单事件运算的结果,然后利用概率的加法公式和乘法公式求其概率。下面,再看一个求复杂事件概率的问题。

思考

从有 aa 个红球和 bb 个蓝球的袋子中,每次随机摸出1个球,摸出的球不再放回。显然,第1次摸到红球的概率为 aa+b\frac{a}{a + b}。那么第2次摸到红球的概率是多大?如何计算这个概率呢?

因为抽签具有公平性,所以第2次摸到红球的概率也应该是 aa+b\frac{a}{a+b} 。但是这个结果并不显然,因为第2次摸球的结果受第1次摸球结果的影响。下面我们给出严格的推导。

用 RiR_{i} 表示事件“第 ii 次摸到红球”,BiB_{i} 表示事件“第 ii 次摸到蓝球”,i=1,2i = 1, 2。如图7.1-2所示,事件 R2R_{2} 可按第1次可能的摸球结果

P(R1)P(B1)R1P(B2/R1)P(R2\R1)P(B1/B1)R2R1R2B2R1B2R2B1B2\begin{array}{c} P (R _ {1}) \\ P (B _ {1}) \end{array} \begin{array}{c} R _ {1} \\ P (B _ {2} / R _ {1}) \\ P (R _ {2} \backslash R _ {1}) \\ P (B _ {1} / B _ {1}) \end{array} \begin{array}{c} R _ {2} \\ R _ {1} \\ R _ {2} \\ B _ {2} \\ R _ {1} \\ B _ {2} \\ R _ {2} \\ B _ {1} \\ B _ {2} \end{array}

图7.1-2

(红球或蓝球)表示为两个互斥事件的并,即 R2=R1R2∪B1R2R_{2}=R_{1}R_{2}\cup B_{1}R_{2} . 利用概率的加法公式和乘法公式,得

P(R2)=P(R1R2∪B1R2)=P(R1R2)+P(B1R2)=P(R1)P(R2∣R1)+P(B1)P(R2∣B1)=aa+b×a−1a+b−1+ba+b×aa+b−1=aa+b.\begin{array}{r l} P (R _ {2}) & = P (R _ {1} R _ {2} \cup B _ {1} R _ {2}) = P (R _ {1} R _ {2}) + P (B _ {1} R _ {2}) \\ & = P (R _ {1}) P (R _ {2} | R _ {1}) + P (B _ {1}) P (R _ {2} | B _ {1}) \\ & = \frac {a}{a + b} \times \frac {a - 1}{a + b - 1} + \frac {b}{a + b} \times \frac {a}{a + b - 1} \\ & = \frac {a}{a + b}. \end{array}

上述过程采用的方法是:按照某种标准,将一个复杂事件表示为两个互斥事件的并,再由概率的加法公式和乘法公式求得这个复杂事件的概率.

一般地,设 A1,A2,⋯ ,AnA_{1}, A_{2}, \cdots, A_{n} 是一组两两互斥的事件, A1∪A2∪⋯∪An=ΩA_{1} \cup A_{2} \cup \cdots \cup A_{n} = \Omega ,且 P(Ai)>0,i=1,2,⋯ ,nP(A_{i}) > 0, i = 1, 2, \cdots, n ,则对任意的事件 B⊆ΩB \subseteq \Omega ,有

P(B)=∑i=1nP(Ai)P(B∣Ai).\boxed {P (B) = \sum_ {i = 1} ^ {n} P (A _ {i}) P (B \mid A _ {i}).}

我们称上面的公式为全概率公式(total probability formula)。全概率公式是概率论中最基本的公式之一。

例 4 某学校有 A,B 两家餐厅,王同学第 1 天午餐时随机地选择一家餐厅用餐。如果第 1 天去 A 餐厅,那么第 2 天去 A 餐厅的概率为 0.6;如果第 1 天去 B 餐厅,那么第 2 天去 A 餐厅的概率为 0.8。计算王同学第 2 天去 A 餐厅用餐的概率。

分析:第 2 天去哪家餐厅用餐的概率受第 1 天在哪家餐厅用餐的影响,可根据第 1 天可能去的餐厅,将样本空间表示为 “第 1 天去 A 餐厅” 和 “第 1 天去 B 餐厅” 两个互斥事件的并,利用全概率公式求解.

解:设 A1=A_{1} = “第1天去A餐厅用餐”, B1=B_{1} = “第1天去B餐厅用餐”, A2=A_{2} = “第2天去A餐厅用餐”,则 Ω=A1∪B1\Omega = A_{1}\cup B_{1} ,且 A1A_{1} 与 B1B_{1} 互斥.根据题意得

P(A1)=P(B1)=0.5,P(A2∣A1)=0.6,P(A2∣B1)=0.8.P (A _ {1}) = P (B _ {1}) = 0. 5, P (A _ {2} | A _ {1}) = 0. 6, P (A _ {2} | B _ {1}) = 0. 8.

由全概率公式,得

P(A2)=P(A1)P(A2∣A1)+P(B1)P(A2∣B1)=0.5×0.6+0.5×0.8=0.7.\begin{array}{r l} P (A _ {2}) & = P (A _ {1}) P (A _ {2} | A _ {1}) + P (B _ {1}) P (A _ {2} | B _ {1}) \\ & = 0. 5 \times 0. 6 + 0. 5 \times 0. 8 \\ & = 0. 7. \end{array}

因此,王同学第 2 天去 A 餐厅用餐的概率为 0.7.

例 5 有 3 台车床加工同一型号的零件,第 1 台加工的次品率为 6%,第 2,3 台加工的次品率均为 5%,加工出来的零件混放在一起。已知第 1,2,3 台车床加工的零件数分别占总数的 25%,30%,45%。

(1)任取一个零件,计算它是次品的概率;

(2) 如果取到的零件是次品,计算它是第 i(i=1,2,3)i(i=1,2,3) 台车床加工的概率.

分析:取到的零件可能来自第1台车床,也可能来自第2台或第3台车床,有3种可能。设 B=B = “任取一零件为次品”,Ai=A_{i} = “零件为第 ii 台车床加工” (i=1,2,3)(i = 1, 2, 3),如图7.1-3所示,可将事件 BB 表示为3个两两互斥事件的并,利用全概率公式可以计算出事件 BB 的概率。

解:设 B=B = “任取一个零件为次品”, Ai=A_{i} = “零件为第 ii 台车床加工” (i=1,2,3)(i = 1,2,3) ,则 Ω=A1∪A2∪A3\Omega = A_{1}\cup A_{2}\cup A_{3} ,且 A1A_{1} A2A_{2} , A3A_{3} 两两互斥.根据题意得

图 7.1-3

P(A1)=0.25,P(A2)=0.3,P(A3)=0.45,P (A _ {1}) = 0. 2 5, P (A _ {2}) = 0. 3, P (A _ {3}) = 0. 4 5,

P(B∣A1)=0.06,P(B∣A2)=P(B∣A3)=0.05.P (B \mid A _ {1}) = 0. 0 6, P (B \mid A _ {2}) = P (B \mid A _ {3}) = 0. 0 5.

(1) 由全概率公式,得

P(B)=P(A1)P(B∣A1)+P(A2)P(B∣A2)+P(A3)P(B∣A3)=0.25×0.06+0.3×0.05+0.45×0.05=0.0525.\begin{array}{r l} P (B) & = P (A _ {1}) P (B | A _ {1}) + P (A _ {2}) P (B | A _ {2}) + P (A _ {3}) P (B | A _ {3}) \\ & = 0. 2 5 \times 0. 0 6 + 0. 3 \times 0. 0 5 + 0. 4 5 \times 0. 0 5 \\ & = 0. 0 5 2 5. \end{array}

(2) “如果取到的零件是次品,计算它是第 i(i=1,2,3)i (i = 1, 2, 3) 台车床加工的概率”,就是

计算在 B 发生的条件下,事件 AiA_{i} 发生的概率.

P(A1∣B)=P(A1B)P(B)=P(A1)P(B∣A1)P(B)=0.25×0.060.0525=27.P (A _ {1} | B) = \frac {P (A _ {1} B)}{P (B)} = \frac {P (A _ {1}) P (B | A _ {1})}{P (B)} = \frac {0 . 2 5 \times 0 . 0 6}{0 . 0 5 2 5} = \frac {2}{7}.

类似地,可得

P(A2∣B)=27,P(A3∣B)=37.P (A _ {2} \mid B) = \frac {2}{7}, P (A _ {3} \mid B) = \frac {3}{7}.

思考

例 5 中 P(Ai)P(A_{i}) , P(Ai∣B)P(A_{i}|B) 的实际意义是什么?

P(Ai)P(A_{i}) 是试验之前就已知的概率,它是第 ii 台车床加工的零件所占的比例,称为先验概率。当已知抽到的零件是次品(BB 发生),P(Ai∣B)P(A_{i}|B) 是这件次品来自第 ii 台车床加工的可能性大小,通常称为后验概率。如果对加工的次品,要求操作员承担相应的责任,那么

27\frac{2}{7} , 27\frac{2}{7} , 37\frac{3}{7} 就分别是第1,2,3台车床操作员应承担的份额.

• •

将例 5 中的问题(2)一般化,可以得到贝叶斯公式.

  • 贝叶斯公式(Bayes formula): 设 A1,A2,⋯ ,AnA_{1}, A_{2}, \cdots, A_{n} 是一组两两互斥的事件, A1∪A2∪⋯∪An=ΩA_{1} \cup A_{2} \cup \cdots \cup A_{n} = \Omega, 且 P(Ai)>0P(A_{i}) > 0, i=1,2,⋯ ,ni = 1, 2, \cdots, n, 则对任意的事件 B⊆ΩB \subseteq \Omega, P(B)>0P(B) > 0, 有

贝叶斯公式是由英国数学家贝叶斯(T. Bayes, 1702—1761)发现的,它用来描述两个条件概率之间的关系.

P(Ai∣B)=P(Ai)P(B∣Ai)P(B)=P(Ai)P(B∣Ai)∑k=1nP(Ak)P(B∣Ak),i=1,2,…,n.P (A _ {i} \mid B) = \frac {P (A _ {i}) P (B \mid A _ {i})}{P (B)} = \frac {P (A _ {i}) P (B \mid A _ {i})}{\sum_ {k = 1} ^ {n} P (A _ {k}) P (B \mid A _ {k})}, i = 1, 2, \dots , n.

例6 在数字通信中,信号是由数字0和1组成的序列。由于随机因素的干扰,发送的信号0或1有可能被错误地接收为1或0。已知发送信号0时,接收为0和1的概率分别为0.9和0.1;发送信号1时,接收为1和0的概率分别为0.95和0.05。假设发送信号0和1是等可能的。

(1) 分别求接收的信号为 0 和 1 的概率;

  • (2) 已知接收的信号为 0,求发送的信号是 1 的概率.

分析:设 A = “发送的信号为 0”,B = “接收到的信号为 0”。为便于求解,我们可将题目中所包含的各种信息用图 7.1-4 直观表示。

图 7.1-4

解:设 A=A = “发送的信号为0”, B=B = “接收到的信号为0”,则 A‾=\overline{A} = “发送的信号为1”, B‾=\overline{B} = “接收到的信号为1”。由题意得

P(A)=P(A‾)=0.5,P(B∣A)=0.9,P(B‾∣A)=0.1,P (A) = P (\overline {{A}}) = 0. 5, P (B | A) = 0. 9, P (\overline {{B}} | A) = 0. 1,

P(B∣A‾)=0.05,P(B‾∣A‾)=0.95.P (B | \overline {{A}}) = 0. 0 5, P (\overline {{B}} | \overline {{A}}) = 0. 9 5.

(1) P(B)=P(A)P(B∣A)+P(A‾)P(B∣A‾)=0.5×0.9+0.5×0.05=0.475,P(B) = P(A)P(B|A) + P(\overline{A})P(B|\overline{A}) = 0.5 \times 0.9 + 0.5 \times 0.05 = 0.475,

P(B)=1−P(B)=1−0.475=0.525.P (B) = 1 - P (B) = 1 - 0. 4 7 5 = 0. 5 2 5.

(2) P(A‾∣B)=P(A‾)P(B∣A‾)P(B)=0.5×0.050.475=119.P(\overline{A}|B) = \frac{P(\overline{A})P(B|\overline{A})}{P(B)} = \frac{0.5\times 0.05}{0.475} = \frac{1}{19}.

练习

  1. 现有 12 道四选一的单选题,学生张君对其中 9 道题有思路,3 道题完全没有思路。有思路的题做对的概率为 0.9,没有思路的题只好任意猜一个答案,猜对答案的概率为 0.25。张君从这 12 道题中随机选择 1 题,求他做对该题的概率。

  2. 两批同种规格的产品,第一批占 40%40\% ,次品率为 5%5\% ;第二批占 60%60\% ,次品率为 4%4\% 。将两批产品混合,从混合产品中任取1件。

(1) 求这件产品是合格品的概率;

  • (2) 已知取到的是合格品,求它取自第一批产品的概率.

习题7.1

复习巩固

  1. 为了研究不同性别学生患色盲的比例,调查了某学校 2 000 名学生,数据如右表所示。从这 2 000 人中随机选择 1 人。

单位:人

(1)已知选到的是男生,求他患色盲的概率;

(2) 已知选到的学生患色盲,求他是男生的概率.

  1. 从人群中随机选出 1 人,设 B=B = “选出的人患有心脏病”,C=C = “选出的人是年龄大于 50 岁的心脏病患者”,请你判断 P(B)P(B) 和 P(C)P(C) 的大小关系,并说明理由.

  2. 甲、乙两人向同一目标各射击1次,已知甲命中目标的概率为0.6,乙命中目标的概率为0.5。已知目标至少被命中1次,求甲命中目标的概率。

  3. 甲和乙两个箱子中各装有10个球,其中甲箱中有5个红球、5个白球,乙箱中有8个红球、2个白球。掷一枚质地均匀的骰子,如果点数为1或2,从甲箱子随机摸出1个球;如果点数为3,4,5,6,从乙箱子中随机摸出1个球。求摸到红球的概率。

  1. 在 A, B, C 三个地区暴发了流感,这三个地区分别有 6%, 5%, 4% 的人患了流感。假设这三个地区的人口数的比为 5:7:8,现从这三个地区中任意选取一个人。

(1) 求这个人患流感的概率;

  • (2) 如果此人患流感,求此人选自 A 地区的概率.
  1. 已知 P(A)>0P(A) > 0,P(B)>0P(B) > 0,P(B∣A)=P(B)P(B|A) = P(B),证明:P(A∣B)=P(A)P(A|B) = P(A).

综合运用

  1. 一批产品共有100件,其中5件为不合格品。收货方从中不放回地随机抽取产品进行检验,并按以下规则判断是否接受这批产品:如果抽检的第1件产品不合格,则拒绝整批产品;如果抽检的第1件产品合格,则再抽1件,如果抽检的第2件产品合格,则接受整批产品,否则拒绝整批产品。求这批产品被拒绝的概率。

  2. 在孟德尔豌豆试验中,子二代的基因型为 DD,Dd,dd,其中 D 为显性基因,d 为隐性基因,且这三种基因型的比为 1:2:1。如果在子二代中任意选取 2 株豌豆进行杂交试验,那么子三代中基因型为 dd 的概率是多大?

  3. 证明条件概率的性质(1)和(2).

拓广探索

  1. 证明:当 P(AB)>0P(AB) > 0 时,P(ABC)=P(A)P(B∣A)P(C∣AB)P(ABC) = P(A)P(B|A)P(C|AB)。据此你能发现计算 P(A1A2⋯An)P(A_1A_2 \cdots A_n) 的公式吗?

? 阅读与思考

贝叶斯公式与人工智能

人工智能(Artificial Intelligence,缩写为AI)是研究用于模拟和延伸人类智能的技术科学,目的是理解人类智能的实质,并制造以近似人类智能方式工作的机器,如机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理、自动驾驶等。人工智能被认为是21世纪最重要的尖端科技之一,其理论和技术正在日益成熟,应用领域也在不断扩大。人工智能理论背后的一个基本原理就是本节的贝叶斯公式。

贝叶斯公式的思想最早出现于贝叶斯的论文《论有关机遇问题的求解》,发表于他去世后的1763年。后来法国数学家拉普拉斯(P.-S. Laplace,1749—1827)独立地发现了这个公式。统计学家经过长期的努力,发展出了以贝叶斯公式为基础的系统的推理和决策方法,称为贝叶斯方法。该方法的基本程序是首先确定先验概率,然后利用贝叶斯公式计算得到后验概率,使先验概率得到修正和校对,再根据后验概率作出推理和决策。下面用一个例子说明这种方法。

在一个抽奖游戏中,主持人从编号为1,2,3的三个外观相同的空箱子中随机选择一个,放入一件奖品,再将三个箱子关闭。主持人知道奖品在哪个箱子里。游戏规则是主持人请抽奖人在三个箱子中选择一个,若奖品在此箱子里,则奖品由抽奖人获得。抽奖人当然希望选中有奖品的箱子!

假定你是抽奖人,不妨设你选择了1号箱。在打开1号箱之前,主持人先打开了另外两个箱子中的一个空箱子。按游戏规定,主持人只打开你的选择之外的空箱子,当两个都是空箱子时,他随机选择其中一个打开。不妨设主持人打开的是3号箱。现在给你一次重新选择的机会,你是坚持选1号箱,还是改选2号箱?

显然,由于随机性,你无法保证一定能够成功选中有奖品的箱子。因此,要不要改变选择是个风险决策问题,应以得到奖品的概率最大为准则。

对于是否应改选2号箱,人们有如下几种不同的观点:(1)三个箱子中有奖品的概率都是 13\frac{1}{3} ,不必换号;(2)既然3号是空箱,那么奖品在1号箱、2号箱中的概率都是 12\frac{1}{2} ,不必换号;(3)奖品在1号箱中的概率是 13\frac{1}{3} ,当知道3号是空箱后,2号箱中有奖品的概率就变为 23\frac{2}{3} ,应该改选2号.

哪种观点是正确的呢?下面用两种方法进行分析:

分析1:选择1号箱,其中有奖品的概率为 13\frac{1}{3},无奖品的概率为 23\frac{2}{3}。主持人打开了无奖品的3号箱,若决策是不换号,则你在1号箱里有奖品的情况下得奖,成功的概率为 13\frac{1}{3};若决策是换号,则你在1号箱里无奖品的情况下得奖,成功的概率为 23\frac{2}{3}。所以改选2号是正确的决策。

分析2:利用全概率公式和贝叶斯公式,可以从条件概率的角度进行分析。用 A1,A2,A3A_{1}, A_{2}, A_{3} 分别表示1,2,3号箱子里有奖品,用 B1,B2,B3B_{1}, B_{2}, B_{3} 分别表示主持人打开1,2,3号箱子。如上所述,你初次选择了1号箱。因为你在做选择时不知道奖品在哪个箱子里,你的选择不影响奖品在三个箱子中的概率分配,所以事件 A1,A2,A3A_{1}, A_{2}, A_{3} 的概率仍为 13\frac{1}{3},此为先验概率。主持人打开1号箱之外的一个空箱子,有以下几种可能情况:

奖品在1号箱里,主持人可打开2,3号箱,故 P(B3∣A1)=12P(B_{3}|A_{1})=\frac{1}{2} ;

奖品在2号箱里,主持人只能打开3号箱,故 P(B3∣A2)=1P(B_{3}|A_{2})=1 ;

奖品在3号箱里,主持人只能打开2号箱,故 P(B3∣A3)=0P(B_{3}|A_{3}) = 0 利用全概率公式,主持人打开3号箱的概率为

P(B3)=∑i=13P(Ai)P(B3∣Ai)=13(12+1)=12.P (B _ {3}) = \sum_ {i = 1} ^ {3} P (A _ {i}) P (B _ {3} | A _ {i}) = \frac {1}{3} \Big (\frac {1}{2} + 1 \Big) = \frac {1}{2}.

再根据贝叶斯公式,在3号箱打开的条件下,1号箱和2号箱里有奖品的条件概率分别为

P(A1∣B3)=P(A1)P(B3∣A1)P(B3)=13,P(A2∣B3)=P(A2)P(B3∣A2)P(B3)=23.P (A _ {1} | B _ {3}) = \frac {P (A _ {1}) P (B _ {3} | A _ {1})}{P (B _ {3})} = \frac {1}{3}, P (A _ {2} | B _ {3}) = \frac {P (A _ {2}) P (B _ {3} | A _ {2})}{P (B _ {3})} = \frac {2}{3}.

这两个条件概率是后验概率,它们修正了前面的先验概率。通过比较后验概率不难发现,改选2号箱是正确的决策。现在想一想,观点(1)和观点(2)错在哪里?

前面分析1给出的方法简单直接,也比较容易理解,但是分析2中基于贝叶斯公式的方法具有更广泛的适用性。事实上,只要把三个箱子改为四个或更多,主持人还是每次打开一个空箱子,此时再用分析1中的方法就比较复杂了。利用贝叶斯公式的方法可以发现,对于上述多个箱子的抽奖游戏,在你第1次选择后,当主持人打开此外的一个空箱子,并给你重新选择的机会时,你同样可以通过改变选择提高成功的概率。而且,假如在你第2次选择后,主持人又打开此外的一个空箱子,并再次给你重新选择的机会时,你仍然应该改变自己的选择,以获得更大的成功概率。因此,这个策略也适用于多次选择的情况。

事实上,在上述多次选择的游戏中,主持人每打开一个空箱子都提供了新的有用信息,抽奖人需要不断根据这些信息,利用贝叶斯公式计算出(新的)后验概率,并据此修正自己的选择以提高成功的概率。这种不断改进和校正决策的过程非常近似于人类的学习和思维模式,也是贝叶斯方法许多应用的关键。正是由于这个特点,贝叶斯方法在人工智能领域发挥了非常重要的作用,已经成为学习型人工智能的理论基础。

曾经被人们津津乐道的围棋人工智能系统阿尔法狗(AlphaGo)系列就是学习型人工智能成功应用的典型例子。在战胜人类高手之前,阿尔法狗结合人类自古以来积累的数百万部棋谱,进行了几个月的自我学习训练,最终超越了世界顶尖棋手。作为阿尔法狗的升级版,阿尔法狗零(AlphaGo Zero)则不再需要人类积累的围棋数据,它通过自我博弈进行学习。经过几天的训练后,阿尔法狗零就轻松地击败了此前所有版本的阿尔法狗。阿尔法狗零之所以有如此强大的自学能力,是因为采用了一种叫做强化学习的新模式。它从一个对围棋技术一无所知的神经网络开始,结合一个强力搜索算法,在自我对弈中调整升级,循环往复,不断提高,在几天内就走完了人类几千年的围棋历史,并探索出了不少新的招法和策略。人们认为,围棋人工智能系统象征着计算机技术已进入人工智能的新信息技术时代,其特征就是大数据、大计算、大决策,三位一体。贝叶斯方法在当今最先进的科技领域中扮演着重要角色,你是否感到非常神奇?是否觉得现在的学习很有意义?

请你上网查阅有关资料,进一步了解人工智能方面的最新发展.