Формула полной вероятности
На уроках «Умножение вероятностей» и «Независимость событий» вы находили вероятность «и» как долю от доли. Сегодня задача другая: событие может произойти несколькими разными путями, и нужно собрать его вероятность из всех путей сразу. Для этого поле исходов разбивают на части — гипотезы — и складывают вклады частей. Так получается формула полной вероятности.
Поле, разбитое на комнаты
Склад принимает партию деталей, если брака в ней не больше 4%. Детали приходят из двух цехов. Первый выпускает 75% деталей, и брак у него 2%. Второй выпускает остальные 25%, брак у него 8%. Сколько брака во всей партии и какой брак можно допустить во втором цехе, чтобы склад принимал партию? Ответим в конце урока.
Представим партию из 400 деталей как поле из 400 клеток. Первый цех дал 300 деталей, второй — 100. Проведем перегородку: поле разделилось на две комнаты. Каждая клетка лежит ровно в одной комнате: деталь сделана либо в первом цехе, либо во втором. Бракованных деталей в первой комнате $300\cdot 0{,}02=6$, во второй $100\cdot 0{,}08=8$.
Событие $H_1$ — «деталь из первого цеха», $H_2$ — «из второго». Их вероятности $P(H_1)=\frac{300}{400}=0{,}75$ и $P(H_2)=\frac{100}{400}=0{,}25$ — это доли поля, которые занимают комнаты. Назовем их весами. Веса можно найти и из отношения: если цехи выпускают детали в отношении $3:1$, то из 4 частей на первый приходится 3, и $P(H_1)=\frac34$.
Определение
События $H_1, H_2, \ldots, H_n$ образуют полную группу, если они попарно несовместны и в опыте обязательно происходит одно из них. События полной группы, через которые находят вероятность другого события, называют гипотезами. Сумма вероятностей гипотез равна единице:
$$P(H_1)+P(H_2)+\ldots+P(H_n)=1$$
Вклад комнаты — вес, умноженный на долю
Событие $A$ — «деталь бракованная». На поле это 14 клеток: 6 в первой комнате и 8 во второй, $P(A)=\frac{14}{400}=0{,}035$. Посмотрим, откуда взялось каждое слагаемое.
Шесть клеток первой комнаты — это $\frac{6}{400}=0{,}015$ поля. То же число получается как доля от доли: комната занимает $0{,}75$ поля, а брак внутри нее — $0{,}02$ комнаты. Значит, $0{,}75\cdot 0{,}02=0{,}015$. По формуле умножения это $P(A\cap H_1)=P(H_1)\cdot P(A\mid H_1)$. Для второй комнаты $0{,}25\cdot 0{,}08=0{,}02=\frac{8}{400}$.
Правило
Вклад гипотезы $H_i$ в событие $A$ — вероятность того, что произошли и $H_i$, и $A$. Он равен весу гипотезы, умноженному на долю $A$ внутри нее:
$$P(A\cap H_i)=P(H_i)\cdot P(A\mid H_i)$$
Обратите внимание: маленькая комната с большим браком дала вклад $0{,}02$, а большая с малым — $0{,}015$. Вклад зависит от обоих чисел сразу.
Складываем все пути к событию
Бракованная деталь могла попасть в партию только двумя путями: через первый цех или через второй. Нарисуем дерево. Первая развилка — выбор комнаты с весами $0{,}75$ и $0{,}25$. Вторая — брак или не брак, с долями внутри комнаты. Путь к $A$ — произведение вероятностей на ветках, а весь брак — сумма путей: $0{,}015+0{,}02=0{,}035$. Ответ совпал с подсчетом клеток.
Формула полной вероятности
Если $H_1, \ldots, H_n$ — полная группа и $P(H_i)>0$, то вероятность события $A$ равна сумме вкладов всех гипотез:
$$P(A)=P(H_1)\cdot P(A\mid H_1)+P(H_2)\cdot P(A\mid H_2)+\ldots+P(H_n)\cdot P(A\mid H_n)$$
Почему формула верна
Шаг 1. Комнаты покрывают все поле, поэтому каждая клетка $A$ лежит в какой-то комнате: $A=(A\cap H_1)\cup\ldots\cup(A\cap H_n)$.
Шаг 2. Комнаты не пересекаются, значит, не пересекаются и части $A\cap H_i$. Вероятность объединения несовместных событий равна сумме их вероятностей.
Шаг 3. Каждое слагаемое $P(A\cap H_i)$ по формуле умножения равно $P(H_i)\cdot P(A\mid H_i)$.
Пример 1
Вероятность дождя завтра $0{,}3$. В дождь автобус опаздывает с вероятностью $0{,}4$, без дождя — с вероятностью $0{,}1$. Найдите вероятность того, что автобус опоздает.
Решение. Гипотезы: $H_1$ — «дождь», $H_2$ — «без дождя». Они несовместны и одна из них обязательно произойдет. Веса: $P(H_1)=0{,}3$, $P(H_2)=1-0{,}3=0{,}7$.
Вклады: $0{,}3\cdot 0{,}4=0{,}12$ и $0{,}7\cdot 0{,}1=0{,}07$. Сумма: $P(A)=0{,}12+0{,}07=0{,}19$.
Проверка: $0{,}19$ лежит между долями $0{,}1$ и $0{,}4$ и ближе к $0{,}1$, потому что сухих дней больше.
Ответ: $0{,}19$.
Без весов получается не та вероятность
Ошибка
Решавр считает брак в партии из начала урока так: «В одном цехе 2%, в другом 8%, в среднем $\frac{2+8}{2}=5\%$».
Проверка на числах. На поле 14 бракованных клеток из 400, это $3{,}5\%$, а не $5\%$.
Где сломалось рассуждение. Простое среднее молча считает комнаты одинаковыми, с весами $0{,}5$ и $0{,}5$: $0{,}5\cdot 0{,}02+0{,}5\cdot 0{,}08=0{,}05$. На деле первая комната втрое больше второй, и ее малый брак весит сильнее.
Вторая форма той же ошибки — веса, которые не дают единицу. Например, «первый цех выпускает 75%, второй 35%» — так быть не может: комнаты налезли бы друг на друга. Если же сумма меньше 1, часть поля осталась без комнаты: забыта гипотеза.
Две проверки ответа
- Веса гипотез в сумме дают 1: $P(H_1)+\ldots+P(H_n)=1$.
- Полная вероятность — взвешенное среднее долей, поэтому она лежит между наименьшей и наибольшей из долей $P(A\mid H_i)$. При равных весах она совпадает с простым средним; при разных весах ответ сдвигается к доле более тяжелой гипотезы.
Попробуйте в модели: меняйте веса цехов и доли брака и следите за вкладами комнат. Поставьте равные веса — полная вероятность совпадет со средним. Увеличьте одну комнату — ответ подтянется к ее доле.
Три цеха и обратная задача
Алгоритм
- Назвать гипотезы — комнаты, на которые разбито поле.
- Найти веса $P(H_i)$ и проверить, что их сумма равна 1.
- Для каждой гипотезы найти долю $P(A\mid H_i)$ и вклад $P(H_i)\cdot P(A\mid H_i)$.
- Сложить вклады и проверить, что ответ лежит между наименьшей и наибольшей долей.
Пример 2
Магазин получает лампы от трех цехов: 45%, 35% и 20% всех ламп. Доли брака в цехах $0{,}01$, $0{,}03$ и $0{,}06$. Найдите вероятность того, что случайно купленная лампа бракованная.
Решение. 1) Гипотезы $H_1$, $H_2$, $H_3$ — лампа из первого, второго, третьего цеха.
2) Веса $0{,}45$, $0{,}35$, $0{,}2$; проверка: $0{,}45+0{,}35+0{,}2=1$.
3) Вклады: $0{,}45\cdot 0{,}01=0{,}0045$, $0{,}35\cdot 0{,}03=0{,}0105$, $0{,}2\cdot 0{,}06=0{,}012$.
4) $P(A)=0{,}0045+0{,}0105+0{,}012=0{,}027$. Ответ лежит между $0{,}01$ и $0{,}06$. На поле из 2000 ламп это $9+21+24=54$ бракованные.
Ответ: $0{,}027$.
Формулу можно читать и в обратную сторону. Если известна полная вероятность и все числа, кроме одного, неизвестное находят из уравнения. Так ответим на вопрос склада.
Задача
Вернемся к складу. Первый цех дает 75% деталей с браком 2%, второй — 25% деталей. Сейчас брак в партии $0{,}75\cdot 0{,}02+0{,}25\cdot 0{,}08=0{,}035$, то есть $3{,}5\%$, и склад партию примет. Какой наибольший брак $x$ допустим во втором цехе, чтобы брак в партии не превышал 4%?
Решение. Вклад первой комнаты не меняется: $0{,}015$. На вторую остается $0{,}04-0{,}015=0{,}025$. Это вес второй комнаты, умноженный на ее долю: $0{,}25\cdot x=0{,}025$, откуда $x=0{,}1$.
Ответ: не больше 10%. Маленькая комната может позволить себе большой брак: ее вклад умножается на малый вес.
Гипотезы — исход первого шага
Скрыть
Гипотезами бывают и результаты первого шага опыта. В первой урне 2 белых и 2 черных шара, во второй — 1 белый и 3 черных. Из первой урны наугад перекладывают шар во вторую, затем из второй наугад вынимают шар. Какова вероятность, что он белый?
Гипотезы: $H_1$ — переложен белый шар, $H_2$ — переложен черный; $P(H_1)=P(H_2)=\frac12$. Во второй урне стало 5 шаров: при $H_1$ белых 2, при $H_2$ белый один.
$P=\frac12\cdot\frac25+\frac12\cdot\frac15=0{,}2+0{,}1=0{,}3$.
Ответ: $0{,}3$.
Вывод
Формула полной вероятности нужна, когда событие может случиться разными путями: деталь — из разных цехов, опоздание — в разную погоду, положительный тест — у больного и у здорового. Вспомнить главное поможет поле, разбитое на комнаты:
На следующем уроке — формула Байеса: известно, что деталь бракованная, и нужно понять, из какой она комнаты.
Часто задаваемые вопросы
Ищите то, от чего зависит вероятность события и что известно с весами: цех, погода, урна, результат первого шага опыта. Гипотезы должны не пересекаться и вместе покрывать все исходы — проверьте, что их веса дают 1.
Это взвешенное среднее: каждая доля умножается на вес своей гипотезы. При равных весах она совпадает со средним арифметическим, при разных — обычно нет (совпадение возможно лишь случайно, при особых числах).
Нет. Взвешенное среднее с весами, дающими 1, лежит между наименьшей и наибольшей долей. Если ответ вышел за эти границы, ошибка в весах или в вычислениях.
Нет. Тогда клетки общей части попадут в сумму дважды, и ответ окажется завышенным. Пересекающиеся события сначала перестраивают в полную группу, например «только первое», «только второе», «оба», «ни одного».
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий