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附加数学 · 在限制条件下选择概率模型

用补集简化“至少”的概率

“至少一个”听起来很简单,你的和却有六项,而且其中一项还是错的。

遇到“至少”的概率,用 1 减去一个很短的补集,不要把一长串加起来。对 P(X ≥ 1),补集只有 P(X = 0) 一项。

这一课属于选择合适的概率模型。前提是你已经会写二项的一项,见计算二项概率。

补集去掉了哪些结果?

所有概率加起来是 1,所以你要的结果和不要的结果,共同占有这个总数。不要的那一组如果很小,就数它,再用 1 去减。

对 X ~ B(n, p),P(X ≥ 1) = 1 − P(X = 0) = 1 − (1 − p)ⁿ。“不要”的结果只有一个,就是没有成功。

例题:长的做法与短的做法

这是一道原创题。一包种子有 6 粒,每粒独立发芽的概率是 0.2。求至少有一粒发芽的概率。

设 X ~ B(6, 0.2)。

长的做法。 P(X ≥ 1) = P(1) + P(2) + P(3) + P(4) + P(5) + P(6)。一共六项,每一项都要算自己的 ⁶Cᵣ 和两个乘方。

短的做法。 P(X ≥ 1) = 1 − P(X = 0) = 1 − 0.8⁶。

0.8⁶ = 0.262 144,所以 P(X ≥ 1) = 1 − 0.262 144 = 0.7379(4 位小数)。

短的做法只有一个乘方和一次减法,也更容易检查,因为“六粒里至少一粒发芽”的概率是 0.74,感觉合理。

第二种类型:至少两个

边界移动的时候补集依然可用,只是要去掉两项。设 X ~ B(5, 0.3),求 P(X ≥ 2)。

P(X ≥ 2) = 1 − P(X = 0) − P(X = 1)

P(X = 0) = 0.7⁵ = 0.168 07

P(X = 1) = 5 × 0.3 × 0.7⁴ = 5 × 0.3 × 0.2401 = 0.360 15

P(X ≥ 2) = 1 − 0.168 07 − 0.360 15 = 1 − 0.528 22 = 0.4718

最容易丢分的地方

常见的失误,是把“至少一个”写成 1 − P(X = 1)。它看起来像补集,所以一眼带过就发现不了。

步骤 错误 正确
X ≥ 1 不要的结果 X = 1 X = 0
B(6, 0.2) 的过程 1 − 6(0.2)(0.8⁵) 1 − 0.8⁶
结果 0.6068 0.7379

错误的版本只去掉了恰好一次成功的情况,所以“一次都没成功”仍然留在答案里。先问:把要的结果去掉之后,剩下的是什么,再把它写出来。

求最小的 n

有些题问需要多少次试验。每次尝试成功的概率是 0.2,各次独立。需要多少次尝试 n,才能使至少成功一次的概率大于 0.9?

  1. 写出 1 − 0.8ⁿ > 0.9。
  2. 整理:0.8ⁿ < 0.1。
  3. 取对数:n log 0.8 < log 0.1。因为 log 0.8 是负数,不等号要反转:n > log 0.1 ÷ log 0.8 = 10.32。
  4. 所以 n = 11。检查:0.8¹⁰ = 0.1074,不小于 0.1,而 0.8¹¹ = 0.0859,小于 0.1。

第 4 步的检查很重要,因为把 10.32 舍去小数部分会得到错误的答案。如果对数还很慢,可以用代数步骤修复训练器 (英文)重建这一步。

自己试试

X ~ B(8, 0.1)。求 P(X ≥ 1),答案取 4 位小数。

答案

P(X ≥ 1) = 1 − P(X = 0) = 1 − 0.9⁸。

0.9⁸ = 0.430 467 21,所以 P(X ≥ 1) = 1 − 0.430 467 = 0.5695。

合理性检查:8 次尝试,每次有 10% 的机会,至少成功一次的机会应该比二分之一多一点,而 0.57 符合。

下一步学什么

下一课从数转向量。接着学从正态百分位反推原始分数,或者用练习题测试这一组技能。

如果希望老师逐行检查你“至少”题的过程,可以了解附加数学一对一线上补习。

常见问题

概率里的“至少一个”是什么意思?

意思是一个或更多,也就是 X ≥ 1。它的相反是 X = 0,只有一项。所以 P(X ≥ 1) = 1 − P(X = 0),比把从 1 起的每一项都加起来短得多。

P(X ≥ 1) 等于 1 − P(X = 1) 吗?

不等于。X ≥ 1 的补集是 X = 0,而不是 X = 1。写成 1 − P(X = 1),只去掉了恰好一次成功,把两次、三次和更多次的情况漏掉了。

什么时候补集省不了功夫?

像 P(X ≤ 2) 这样的题,把三项加起来已经很短。补集适合要的结果很多、不要的结果很少的时候。

“至少”的题还是写成一长串的和?一对一补习的老师可以请学生先写补集这一步,练到成为习惯。

  • 为孩子安排线上一对一课程,由经验丰富的老师授课。
  • 第一堂是一小时试听课,RM50 起。学费在预约前就先谈好。
  • 对老师满意就继续上课,每堂约 1.5 小时;不满意可以要求换老师。