教材 · 数学 Course 1 · 概率与统计 · 场合数与概率

条件概率与乘法定理

条件付き確率と乗法定理

5 場合の数と確率 / 条件付き確率
一句话结论

已知 AA 发生,就把全体缩小成 AA,BB 的条件概率是 A∩BA\cap B 在 AA 里占的比例。反过来乘上去就是乘法定理 P(A∩B)=P(A)PA(B)P(A\cap B)=P(A)P_A(B):先发生 AA、再在此前提下发生 BB,沿着顺序一步步相乘。

8 张签里有 2 张中奖,甲先抽、乙后抽,抽过的不放回。乙常觉得吃亏:好签可能已经被甲抽走了。可甲也可能抽走一张空签,让乙的机会变大。把两种可能都算进去,要用条件概率(条件付き確率):在「已知某件事发生了」的前提下重新算概率。算完你会看到,乙中奖的概率和甲一样,都是 14\dfrac{1}{4}。

为什么是这样

已知 AA 发生,等于把所有可能的结果缩小到 AA 里面,而这些结果之间仍然等可能。BB 现在的概率,就是 AA 里同时属于 BB 的那部分占 AA 的比例:n(A∩B)n(A)\dfrac{n(A\cap B)}{n(A)}。分子分母都除以全体的个数,就是 P(A∩B)P(A)\dfrac{P(A\cap B)}{P(A)}。

两边乘 P(A)P(A),得到乘法定理。图把全体画成面积为 1 的正方形:先按选哪个袋竖着切,宽度是 P(A)P(A);每一列里再按红球的比例横着切,高度是条件概率。涂色块的面积 = 宽 × 高,正是 P(A)PA(红)P(A)P_A(\text{红})。已知取出红球,就只看涂色部分,问来自哪个袋,就是比较涂色块的面积。

回到抽签。甲乙都中:28×17=256\dfrac{2}{8}\times\dfrac{1}{7}=\dfrac{2}{56};甲不中乙中:68×27=1256\dfrac{6}{8}\times\dfrac{2}{7}=\dfrac{12}{56}。两种互斥,乙中奖共 1456=14\dfrac{14}{56}=\dfrac{1}{4},和甲相同。不知道前面的结果时,第几个抽都一样。

如果 PA(B)=P(B)P_A(B)=P(B),知道 AA 发生并不改变 BB 的概率,称 AA、BB 独立(独立),乘法定理就变成上一节的 P(A∩B)=P(A)P(B)P(A\cap B)=P(A)P(B);不相等时称从属(従属)。独立时把 AA、BB 中任一个或两个换成对立事件(如 A‾\overline{A}),仍然独立。

面积图:宽是选到各袋的概率,高是袋中红球的比例,红色块面积=两者之积;已知取出红球时只看红色块袋 A:1/3袋 B:2/3红 3/5=1/5白 2/5红 1/4 面积 1/6白 3/4整个正方形面积为 1(全部可能)① 宽 × 高 = 面积袋 A 那一列:1/3 × 3/5 = 1/5袋 B 那一列:2/3 × 1/4 = 1/6这就是乘法定理:P(A∩红) = P(A)·PA(红)② 已知取出红球 → 只看红色块红色合计 1/5 + 1/6 = 11/30其中属于袋 A 的是 1/5P红(A) = 1/5 ÷ 11/30 = 6/11袋 A 只占 1/3 的机会,但红色块更大,所以知道是红球后来自袋 A 的可能过半。

定量表达

定义和乘法定理见公式块,分母永远是已知发生了的那个事件。也可以直接在缩小后的范围里数:已知甲抽到空签,剩下 7 张里有 2 张中奖,乙中奖就是 27\dfrac{2}{7}。

结果有几条来路时,按来路拆成互斥的情况再相加:P(R)=P(A)PA(R)+P(A‾)PA‾(R)P(R)=P(A)P_A(R)+P(\overline{A})P_{\overline{A}}(R)。反过来问「已知结果是 RR,来路是 AA 的概率」,按定义写成 PR(A)=P(A)PA(R)P(R)P_R(A)=\dfrac{P(A)P_A(R)}{P(R)}:分子是经过 AA 到达 RR 的那一枝,分母是所有到达 RR 的枝之和。这就是「原因の確率」,不用另背公式。

数据零散(如给出 P(A)P(A)、PA(B)P_A(B)、PA‾(B‾)P_{\overline{A}}(\overline{B}))时,把全体分成 A∩BA\cap B、A∩B‾A\cap\overline{B}、A‾∩B\overline{A}\cap B、A‾∩B‾\overline{A}\cap\overline{B} 四块,用 P(A∩B‾)=P(A)−P(A∩B)P(A\cap\overline{B})=P(A)-P(A\cap B) 之类的关系逐块填出来。

PA(B)=P(A∩B)P(A)P(A∩B)=P(A) PA(B)P_A(B)=\dfrac{P(A\cap B)}{P(A)}\qquad P(A\cap B)=P(A)\,P_A(B)
AA
已知发生了的事件(条件)
BB
要求概率的事件
PA(B)P_A(B)
AA 发生的条件下 BB 发生的概率(条件概率),也写作 P(B∣A)P(B\mid A)
A∩BA\cap B
AA 与 BB 同时发生(积事件)
PP
概率
适用条件
  • P(A)>0P(A)>0。分母是作为条件的那个事件,不是全体
  • PA(B)P_A(B) 与 PB(A)P_B(A) 一般不相等:前者分母是 P(A)P(A),后者分母是 P(B)P(B)
  • 三步以上照样连乘:P(A∩B∩C)=P(A) PA(B) PA∩B(C)P(A\cap B\cap C)=P(A)\,P_A(B)\,P_{A\cap B}(C)

怎么用

先判断:题里出现「……であったとき」,是条件概率,分母是那个已知的结果。前一步会改变后一步(不放回、把球移进另一个袋、按颜色往袋里加球、输了就退出的猜拳),就画树形图(樹形図):每根枝上写条件概率,沿枝相乘,满足要求的末端相加。

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