Теория вероятностей на уроках математики. Формула полной вероятности и формула байеса
4) Имеются три одинаковые с виду урны: в первой 5 белых и 10 черных шаров; во второй 9 белых и 6 черных шаров; в третьей только черные шары. Из наугад выбранной урны достают один шар. Какова вероятность того, что этот шар черный.
Решение
Событие A – достали черный шар. Событие A
H
H
H
Так как урны с виду одинаковы, то:
A для каждой гипотезы.
Черный шар достали из первой урны:
Аналогично:
Ответ:
5) Имеются две урны: в первой 5 белых и 10 черных шаров; во второй урне 9 белых и 6 черных шаров. Из первой урны во вторую перекладывают, не глядя, один шар. После этого из второй урны достают один шар. Найти вероятность того, что этот шар будет черным.
Решение
Событие A – из второй урны достали черный шар. Событие A может произойти с одним из несовместных событий (гипотез):
H 1 – из первой урны во вторую переложили белый шар;
H 2 – из первой урны во вторую переложили черный шар.
Вероятности гипотез:
Найдем условные вероятности события A . Если из первой урны во вторую переложили белый шар, то во второй урне стало 10 белых и 6 черных шаров. Значит, вероятность достать из нее черный шар равна:
Аналогично:
По формуле полной вероятности:
Ответ:
6) Имеются три урны: в первой 5 белых и 10 черных шаров; во второй 9 белых и 6 черных шаров; в третьей урне 15 черных шаров (белых шаров нет). Из наугад выбранной урны достали один шар. Этот шар оказался черным. Найти вероятность того, что шар достали из второй урны.
Решение
Событие A – из наугад выбранной урны достали один шар.
Событие A может произойти с одним из несовместных событий (гипотез):
H 1 – шар достали из первой урны;
H 2 – шар достали из второй урны;
H 3 – шар достали из третьей урны.
Априорные вероятности гипотез равны:
В задаче 4 найдены условные вероятности события A и его полная вероятность:
Найдем по формуле Байеса апостериорную вероятность гипотезы H 2 .
Черный шар достали из второй урны:
Сравним и :
Таким образом, если известно, что достали черный шар, то вероятность того, что его достали из второй урны уменьшается (это соответствует условию – во второй урне меньше всего черных шаров).
Ответ: .
Формула Бернулли
7) В семье шесть детей. Вероятность рождения девочки равна 0,49. Найти вероятность того, что среди этих детей одна девочка.
Решение
Событие A – родилась девочка.
P = P (A ) = 0,49;
q = 1 – p = 1 – 0,49 = 0,51.
Формула Бернулли:
Всего шесть детей, значит n =6.
Надо найти вероятность того, что среди них точно одна девочка, значит m = 1.
Ответ:
8) Отрезок AB разделен точной C в отношении 2:1. На этот отрезок наудачу брошено 6 точек. Предполагается, что вероятность попадания точки на отрезок пропорциональна длине отрезка и не зависит от его расположения. Найти вероятность того, что более одной точки окажется правее точки C .
Решение
Событие A – случайная точка попала на отрезок CB (правее точки C ).
Так как C делит AB в отношении 2:1, то:
2CB =AC ;
2CB +CB =AC +CB ;
3CB =AB ;
Опираясь на геометрическое определение вероятности, получаем:
Формула Бернулли.
Рассмотрим зависимое событие
, которое может произойти лишь в результате осуществления одной из несовместных гипотез
, которые образуют полную группу
. Пусть известны их вероятности и соответствующие условные вероятности . Тогда вероятность наступления события равна:
Эта формула получила название формулы полной вероятности
. В учебниках она формулируется теоремой, доказательство которой элементарно: согласно алгебре событий
, (произошло событие и
или
произошло событие и
после него наступило событие или
произошло событие и
после него наступило событие или
…. или
произошло событие и
после него наступило событие )
. Поскольку гипотезы несовместны, а событие – зависимо, то по теореме сложения вероятностей несовместных событий
(первый шаг)
и теореме умножения вероятностей зависимых событий
(второй шаг)
:
Задача 1
Имеются три одинаковые урны. В первой урне находятся 4 белых и 7 черных шаров, во второй – только белые и в третьей – только черные шары. Наудачу выбирается одна урна и из неё наугад извлекается шар. Какова вероятность того, что этот шар чёрный?
Решение
: рассмотрим событие – из наугад выбранной урны будет извлечён чёрный шар. Данное событие может произойти в результате осуществления одной из следующих гипотез:
– будет выбрана 1-ая урна;
– будет выбрана 2-ая урна;
– будет выбрана 3-я урна.
Так как урна выбирается наугад, то выбор любой из трёх урн равновозможен
, следовательно:
Обратите внимание, что перечисленные гипотезы образуют полную группу событий
, то есть по условию чёрный шар может появиться только из этих урн, а например, не прилететь с бильярдного стола. Проведём простую промежуточную проверку:
, ОК, едем дальше:
В первой урне 4 белых + 7 черных = 11 шаров, по классическому определению
:
– вероятность извлечения чёрного шара при условии
, что будет выбрана 1-ая урна.
Во второй урне только белые шары, поэтому в случае её выбора появления чёрного шара становится невозможным : .
И, наконец, в третьей урне одни чёрные шары, а значит, соответствующая условная вероятность извлечения чёрного шара составит (событие достоверно) .
По формуле полной вероятности:
– вероятность того, что из наугад выбранной урны будет извлечен чёрный шар.
Ответ :
Задача 2
В тире имеются 5 различных по точности боя винтовок. Вероятности попадания в мишень для данного стрелка соответственно равны 
и 0,4. Чему равна вероятность попадания в мишень, если стрелок делает один выстрел из случайно выбранной винтовки?
Задача 3
В пирамиде 5 винтовок, три из которых снабжены оптическим прицелом. Вероятность того, что стрелок поразит мишень при выстреле из винтовки с оптическим прицелом, равна 0,95; для винтовки без оптического прицела эта вероятность равна 0,7. Найти вероятность того, что мишень будет поражена, если стрелок производит один выстрел из наудачу взятой винтовки.
Решение
: в этой задаче количество винтовок точно такое же, как и в предыдущей, но вот гипотезы всего две:
– стрелок выберет винтовку с оптическим прицелом;
– стрелок выберет винтовку без оптического прицела.
По классическому определению вероятности
: 
.
Контроль:
Задача 4
Двигатель работает в трёх режимах: нормальном, форсированном и на холостом ходу. В режиме холостого хода вероятность его выхода из строя равна 0,05, при нормальном режиме работы – 0,1, а при форсированном – 0,7. 70% времени двигатель работает в нормальном режиме, а 20% – в форсированном. Какова вероятность выхода из строя двигателя во время работы?
Следствием обеих основных теорем – теоремы сложения вероятностей и теоремы умножения вероятностей – является так называемая формула полной вероятности.
Пусть требуется определить вероятность некоторого события , которое может произойти вместе с одним из событий:
образующих полную группу несовместных событий. Будем эти события называть гипотезами.
Докажем, что в этом случае
, (3.4.1)
т.е. вероятность события вычисляется как сумма произведений вероятности каждой гипотезы на вероятность события при этой гипотезе.
Формула (3.4.1) носит название формулы полной вероятности.
Доказательство. Так как гипотезы образуют полную группу, то событие может появиться только в комбинации с какой-либо из этих гипотез:
Так как
гипотезы несовместны,
то и комбинации 
также
несовместны; применяя к ним теорему сложения, получим:
Применяя к событию теорему умножения, получим:
,
что и требовалось доказать.
Пример 1. Имеются три одинаковые на вид урны; в первой урне два белых и один черный шар; во второй – три белых и один черный; в третьей – два белых и два черных шара. Некто выбирает наугад одну из урн и вынимает из нее шар. Найти вероятность того, что этот шар белый.
Решение. Рассмотрим три гипотезы:
Выбор первой урны,
Выбор второй урны,
Выбор третьей урны
и событие – появление белого шара.
Так как гипотезы, по условию задачи, равновозможные, то
.
Условные вероятности события при этих гипотезах соответственно равны:
По формуле полной вероятности
.
Пример 2. По самолету производится три одиночных выстрела. Вероятность попадания при первом выстреле равна 0,4, при втором – 0,5, при третьем 0,7. Для вывода самолета из строя заведомо достаточно трех попаданий; при одном попадании самолет выходит из строя с вероятностью 0,2, при двух попаданиях – с вероятностью 0,6. Найти вероятность того, что в результате трех выстрелов самолет будет выведен из строя.
Решение. Рассмотрим четыре гипотезы:
В самолет не попало ни одного снаряда,
В самолет попал один снаряд,
В самолет попало два снаряда,
В самолет попало три снаряда.
Пользуясь теоремами сложения и умножения, найдем вероятности этих гипотез:
Условные вероятности события (выход самолета из строя) при этих гипотезах равны:
Применяя формулу полной вероятности, получим:
Заметим, что первую гипотезу можно было бы и не вводить в рассмотрение, так как соответствующий член в формуле полной вероятности обращается в нуль. Так обычно и поступают при применении формулы полной вероятности, рассматривая не полную группу несовместных гипотез, а только те из них, при которых данное событие возможно.
Пример 3. Работа двигателя контролируется двумя регуляторами. Рассматривается определенный период времени , в течение которого желательно обеспечить безотказную работу двигателя. При наличии обоих регуляторов двигатель отказывается с вероятностью , при работе только первого из них – с вероятностью , при работе только второго - , при отказе обоих регуляторов – с вероятностью . Первый из регуляторов имеет надежность , второй - . Все элементы выходят из строя независимо друг от друга. Найти полную надежность (вероятность безотказной работы) двигателя.
Если событие А может произойти только совместно с одним из событий ,, …,, образующих полную группу несовместных событий (эти события называют гипотезами), то вероятность появления события А вычисляют по формулеполной вероятности :
. (4.1)
Пусть в описанной выше схеме событие А произошло и требуется выяснить вероятность того, что оно произошло вместе с одной из гипотез . Такую вероятностьвычисляют поформулам Байеса :
,
.
(4.2)
Образцы решения задач
Пример 1 ‑ Имеется три одинаковые на вид урны; в первой 2 белых и 3 черных шара, во второй – 4 белых и 1 черный шар, в третьей – 3 белых шара. Наугад выбирается одна из урн и из нее вынимается один шар. Найти вероятность того, что этот шар будет белым.
Решение
Опыт предполагает три гипотезы:
‑выбор первой урны, ;
‑выбор второй урны, ;
‑выбор третьей урны, .
Рассмотрим интересующее событие А – вынутый шар белый. Данное событие может произойти только совместно с одной из гипотез:
По формуле полной вероятности (4.1) получаем
Ответ: .
Пример 2 ‑ Два автомата производят одинаковые детали, которые поступают на общий конвейер. Производительность первого автомата вдвое больше производительности второго. Первый автомат производит в среднем 60 % деталей отличного качества, а второй – 84 %. Наудачу взятая с конвейера деталь оказалась отличного качества. Найти вероятность того, что эта деталь произведена первым автоматом.
Решение
Можно сделать два предположения (гипотезы): ‑ деталь произведена первым автоматом, причем (поскольку первый автомат производит вдвое больше деталей, чем второй);‑ деталь произведена вторым автоматом, причем .
Условная вероятность того, что деталь будет отличного качества, если она произведена первым автоматом, , если произведена вторым автоматом.
Вероятность того, что наудачу взятая деталь окажется отличного качества, по формуле полной вероятности (4.1) равна:
Искомая вероятность того, что взятая отличная деталь произведена первым автоматом, по формуле Байеса равна:
.
Ответ: .
Задачи для самостоятельного решения
1 В группе спортсменов 20 лыжников, 6 велосипедистов и 4 бегуна. Вероятность выполнить квалификационную норму такова: для лыжника – 0,9, для велосипедиста – 0,8 и для бегуна – 0,75. Найти вероятность того, что спортсмен, выбранный наудачу, выполнит норму.
2 Из урны, содержащей 5 белых и 3 черных шара, извлекается наудачу один шар и перекладывается в другую урну, которая до этого содержала 2 белых и 7 черных шаров. Цвет перекладываемого шара не фиксируется. Из второй урны наудачу извлекается один шар. Какова вероятность, что этот шар окажется белым?
3 В пирамиде 5 винтовок, три из которых снабжены оптическим прицелом. Вероятность того, что стрелок поразит мишень при выстреле из винтовки с оптическим прицелом, равна 0,95; для винтовки с обычным прицелом эта вероятность равна 0,7. Найти вероятность того, что мишень будет поражена, если стрелок произведет один выстрел из наудачу взятой винтовки.
4 В условиях предыдущей задачи стрелок попал в мишень. Определить вероятность того, что он стрелял: из винтовки с оптическим прицелом; из винтовки с обычным прицелом.
5 Для участия в студенческих отборочных спортивных соревнованиях выделено из первой группы курса 4 студента, из второй – 6, из третьей – 5. Вероятности того, что студент первой, второй и третьей групп попадает в сборную института, соответственно равны 0,9; 0,7 и 0,8. Наудачу выбранный студент в итоге соревнования попал в сборную. К какой из групп вероятнее всего принадлежал этот студент?
6 В первой урне содержится 10 шаров, из них 8 белых; во второй урне 20 шаров, из них 4 белых. Из каждой урны наудачу извлекли по одному шару, а затем из этих двух шаров наудачу взят один шар. Найти вероятность того, что взят белый шар.
7 В группе из 10 студентов, пришедших на экзамен, 3 подготовлены на отлично, 4 – хорошо, 2 – посредственно, 1 – плохо. В экзаменационных билетах имеется 20 вопросов. Отлично подготовленный студент знает все 20 вопросов, хорошо подготовленный – 16, посредственно подготовленный – 10 и двоечник – 5. Вызванный наугад студент ответил на три произвольно заданных вопроса. Найти вероятность того, что этот студент подготовлен: отлично; плохо.
8 В каждой из трех урн содержится 6 черных и 4 белых шара. Из первой урны наудачу извлечен один шар и переложен во вторую урну, после чего из второй урны наудачу извлечен один шар и переложен в третью урну. Найти вероятность того, что шар, наудачу извлеченный из третьей урны, окажется белым.
9 По объекту производится три одиночных независимых выстрела. Вероятность попадания при первом выстреле равна 0,4; при втором – 0,5; при третьем – 0,7. Для вывода объекта из строя заведомо достаточно трех попаданий, при двух попаданиях он выходит из строя с вероятностью 0,6; при одном – с вероятностью 0,2. Найти вероятность того, что в результате трех выстрелов объект будет выведен из строя.
10 Три стрелка произвели залп, причем две пули поразили мишень. Найти вероятность того, что третий стрелок поразил мишень, если вероятности попадания в мишень первым, вторым и третьим стрелками соответственно равны 0,6; 0,5 и 0,4.
Домашнее задание.
1 Повторение испытаний. Формулы Бернулли и Пуассона. Локальная и интегральная теоремы Лапласа.
2 Решить задачи.
Задача 1 . Имеются две урны. В первой урне два белых и три черных шара, во второй – три белых и пять черных. Из первой и второй урн, не глядя, берут по одному шару и кладут их в третью урну. Шары в третьей урне перемешивают и берут из нее наугад один шар. Найти вероятность того, что этот шар белый.
Задача 2 . Один из трех стрелков вызывается на линию огня и производит выстрел. Цель поражена. Вероятность попадания в мишень при одном выстреле для первого стрелка равна 0,3, для второго – 0,5, для третьего – 0,8. Найти вероятность того, что выстрел произведен вторым стрелком.
Задача 3 . С первого автомата на сборку поступает 40 %, со второго – 35 %, с третьего – 25 % деталей. Среди деталей первого автомата 0,2 % бракованных, второго – 0,3 %, третьего – 0,5 %. Найти вероятность того, что:
а) поступившая на сборку деталь бракованная;
б) деталь, оказавшаяся бракованной, изготовлена на втором автомате.
Задача 4 . В группе из 20 стрелков пять отличных, девять хороших и шесть посредственных. При одном выстреле отличный стрелок попадает в мишень с вероятностью 0,9, хороший – с вероятностью 0,8 и посредственный – с вероятностью 0,7. Наугад выбранный стрелок выстрелил дважды; отмечено одно попадание и один промах. Каким, вероятнее всего, был этот стрелок: отличным, хорошим или посредственным?
