Własności prawdopodobieństwa

Zdarzeń elementarnych jest $6$ (liczby od $1$ do $6$), a sprzyjające jest jedno — wyrzucenie $6$:

$$P=\frac{\text{liczba zdarzeń sprzyjających}}{\text{liczba wszystkich zdarzeń}}=\frac{1}{6}$$

Każda ściana kostki jest jednakowo prawdopodobna, więc szóstka ma takie samo prawdopodobieństwo jak każda inna liczba.

Odpowiedź: B. $\frac16$.

Sprzyjają wyniki $5$ i $6$ — dwa z sześciu:

$$P=\frac26=\frac13$$

Uwaga: „większa od $4$” nie obejmuje czwórki.

Odpowiedź: C. $\frac13$.

Krok 1 — liczba wszystkich zdarzeń: $52$ karty.

Krok 2 — zdarzenia sprzyjające. W talii są $4$ kolory po $13$ kart, więc kierów jest $13$.

Krok 3 — prawdopodobieństwo:

$$P=\frac{13}{52}=\frac14$$

Odpowiedź: $\frac14$.

Zdarzenie przeciwne dopełnia prawdopodobieństwo do jedynki:

$$P(A')=1-P(A)=1-0{,}3=0{,}7$$

Odpowiedź: $0{,}7$.

Krok 1 — wszystkie kule:

$$4+6=10$$

Krok 2 — prawdopodobieństwo białej:

$$P=\frac{4}{10}=\frac25$$

Odpowiedź: $\frac25=0{,}4$.

Wszystkich kul jest $8$, czarnych $3$:

$$P=\frac38=0{,}375$$

Odpowiedź: $\frac38$.

Zdarzenie pewne zachodzi zawsze, więc jego prawdopodobieństwo wynosi $1$.

Skala prawdopodobieństwa: zawsze $0\le P(A)\le 1$. Zdarzenie niemożliwe ma $P=0$, pewne ma $P=1$.

Odpowiedź: C. $1$.

Warunek zawęża przestrzeń zdarzeń do $B$, więc dzielimy przez $P(B)$:

$$P(A|B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)},\qquad P(B)>0$$

Odpowiedź: A. $\frac{P(A\cap B)}{P(B)}$.

Zdarzenia sprzyjające to liczby większe od $4$, czyli $5$ i $6$ — są dwa.

$$P=\frac{2}{6}=\frac13$$

Uwaga: „większa od $4$” nie obejmuje samej czwórki. Gdyby było „nie mniejsza od $4$”, doliczylibyśmy też $4$.

Odpowiedź: $\frac13$.

$$P(A|B)=\frac{0{,}2}{0{,}5}=0{,}4$$

Odpowiedź: $0{,}4$.

Krok 1 — liczba wszystkich zdarzeń. Każda kostka ma $6$ wyników, więc:

$$6\cdot6=36$$

Krok 2 — pary dające sumę $7$:

$$(1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1)$$

Jest ich $6$.

Krok 3 — prawdopodobieństwo:

$$P=\frac{6}{36}=\frac16$$

Ciekawostka: suma $7$ jest najbardziej prawdopodobna ze wszystkich sum.

Odpowiedź: $36$ zdarzeń, $P=\frac16$.

Niezależność oznacza, że zajście jednego zdarzenia nie zmienia szans drugiego:

$$P(A|B)=P(A) \iff P(A\cap B)=P(A)\cdot P(B)$$

Uwaga: odpowiedź A opisuje zdarzenia rozłączne, a to zupełnie co innego — rozłączne zdarzenia o dodatnim prawdopodobieństwie są silnie zależne.

Odpowiedź: B. $P(A\cap B)=P(A)\cdot P(B)$.

Prawdopodobieństwa zdarzenia i zdarzenia przeciwnego sumują się do $1$:

$$P(A\prime)=1-P(A)=1-0{,}3=0{,}7$$

Zastosowanie: gdy zdarzenie przeciwne jest łatwiejsze do policzenia, liczymy jego prawdopodobieństwo i odejmujemy od $1$.

Odpowiedź: A. $0{,}7$.

Sposób 1 — wprost z definicji. Niech $B$ to „orzeł w pierwszym rzucie” ($P(B)=\frac12$), a $A$ to „dwa orły” ($P(A\cap B)=\frac14$):

$$P(A|B)=\frac{1/4}{1/2}=\frac12$$

Sposób 2 — przez zawężenie. Wiedząc, że pierwszy rzut to orzeł, pytamy tylko o drugi rzut — a on jest niezależny, więc $\frac12$.

Odpowiedź: $\frac12$.

Krok 1 — liczby podzielne przez $3$ w zakresie od $1$ do $20$:

$$3,\ 6,\ 9,\ 12,\ 15,\ 18$$

Jest ich $6$ (można to policzyć jako $\lfloor 20:3\rfloor=6$).

Krok 2 — prawdopodobieństwo:

$$P=\frac{6}{20}=\frac{3}{10}$$

Odpowiedź: $\frac{3}{10}=0{,}3$.

Zawężamy przestrzeń do kart czerwonych — jest ich $26$. Asów czerwonych jest $2$ (kier i karo):

$$P=\frac{2}{26}=\frac{1}{13}$$

Obserwacja: to tyle samo, co $P(\text{as})=\frac{4}{52}=\frac{1}{13}$ bez warunku — kolor i figura są tu niezależne.

Odpowiedź: $\frac{1}{13}$.

Każdy rzut daje $2$ wyniki (orzeł lub reszka), a rzuty są niezależne, więc mnożymy:

$$2\cdot2\cdot2=2^3=8$$

Wypisanie wszystkich: OOO, OOR, ORO, ORR, ROO, ROR, RRO, RRR — osiem możliwości.

Odpowiedź: D. $8$.

Dodając $P(A)$ i $P(B)$, część wspólną liczymy dwa razy — dlatego trzeba ją odjąć.

Odpowiedź A jest prawdziwa tylko dla zdarzeń rozłącznych, gdy $P(A\cap B)=0$.

Odpowiedź: D. $P(A)+P(B)-P(A\cap B)$.

Krok 1 — wszystkie wyniki: $2^3=8$.

Krok 2 — wyniki z dokładnie dwoma orłami:

$$OOR,\ ORO,\ ROO$$

Są trzy takie układy.

Krok 3 — prawdopodobieństwo:

$$P=\frac{3}{8}$$

Uwaga: „dokładnie dwa” oznacza dwa i tylko dwa — wynik OOO (trzy orły) nie jest sprzyjający.

Odpowiedź: $\frac{3}{8}$.

Krok 1 — suma:

$$P(A\cup B)=0{,}6+0{,}5-0{,}3=0{,}8$$

Krok 2 — test niezależności:

$$P(A)\cdot P(B)=0{,}6\cdot0{,}5=0{,}3=P(A\cap B) \ ✔$$

Odpowiedź: $P(A\cup B)=0{,}8$; zdarzenia są niezależne.

Krok 1 — wszyscy uczniowie:

$$15+10=25$$

Krok 2 — prawdopodobieństwo wyboru chłopca:

$$P=\frac{10}{25}=\frac25$$

Sprawdzenie przez zdarzenie przeciwne: $P(\text{dziewczyna})=\frac{15}{25}=\frac35$, a $\frac25+\frac35=1$ ✔

Odpowiedź: $\frac25=0{,}4$.

Wszystkich wyników jest $36$. Sumę $7$ dają pary: $(1,6)$, $(2,5)$, $(3,4)$, $(4,3)$, $(5,2)$, $(6,1)$ — sześć możliwości:

$$P=\frac{6}{36}=\frac16$$

Ciekawostka: siódemka jest najczęstszą sumą przy dwóch kostkach.

Odpowiedź: B. $\frac16$.

Dla zdarzeń rozłącznych (wykluczających się) prawdopodobieństwo sumy to suma prawdopodobieństw:

$$P(A\cup B)=P(A)+P(B)=0{,}3+0{,}4=0{,}7$$

Uwaga: wzór ten działa tylko dla zdarzeń rozłącznych. W ogólnym przypadku odejmujemy jeszcze $P(A\cap B)$, ale tu ta część wspólna jest zerowa.

Odpowiedź: B. $0{,}7$.

Korzystamy z reguły mnożenia dla prawdopodobieństw warunkowych:

$$P=\frac{4}{10}\cdot\frac{3}{9}=\frac{12}{90}=\frac{2}{15}$$

Dlaczego drugi ułamek jest inny: po wyjęciu jednej białej zostaje $3$ białe z $9$ kul — losowanie bez zwracania zmienia warunki.

Odpowiedź: $\frac{2}{15}\approx0{,}133$.

Korzystamy z reguły mnożenia dla losowania bez zwracania.

Krok 1 — pierwsza kula biała. Białych jest $3$ z $5$:

$$P_1=\frac{3}{5}$$

Krok 2 — druga kula biała. Po wyjęciu jednej białej zostają $2$ białe z $4$ kul:

$$P_2=\frac{2}{4}=\frac12$$

Krok 3 — mnożymy:

$$P=\frac{3}{5}\cdot\frac{1}{2}=\frac{3}{10}$$

Kluczowe: bez zwracania liczby w drugim losowaniu maleją — inaczej niż przy losowaniu ze zwracaniem.

Odpowiedź: $\frac{3}{10}=0{,}3$.

Liczymy przez zdarzenie przeciwne — „ani jednego orła”, czyli same reszki:

$$P(\text{same reszki})=\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$$

$$P(\text{co najmniej jeden orzeł})=1-\tfrac18=\tfrac78$$

Dlaczego tak liczymy: wprost trzeba by dodać przypadki „dokładnie jeden”, „dokładnie dwa” i „trzy” — dopełnienie to jeden rachunek zamiast trzech.

Odpowiedź: $\frac78=0{,}875$.

Strzały są niezależne, więc prawdopodobieństwa mnożymy:

$$P=0{,}8\cdot0{,}8=0{,}64$$

Dla porównania — co najmniej jedno trafienie (przez zdarzenie przeciwne):

$$1-0{,}2\cdot0{,}2=1-0{,}04=0{,}96$$

Uwaga: „za każdym razem” to koniunkcja zdarzeń — stąd mnożenie, a nie dodawanie.

Odpowiedź: $0{,}64$.

Dla zdarzeń rozłącznych $P(A\cap B)=0$. Gdyby były niezależne, musiałoby zachodzić $P(A)P(B)=0$, czyli jedno z prawdopodobieństw byłoby zerem — a założyliśmy, że oba są dodatnie.

Intuicja: jeśli zaszło $A$, to $B$ na pewno nie zaszło — to najsilniejsza możliwa zależność.

Odpowiedź: C. nigdy nie są niezależne.

Część wspólna $A\cap B$ to zdarzenia spełniające oba warunki naraz.

Liczby parzyste: $2$, $4$, $6$. Większe od $4$: $5$, $6$.

Wspólna jest tylko liczba $6$:

$$P(A\cap B)=\frac{1}{6}$$

Odpowiedź: C. $\frac16$.

Przez zdarzenie przeciwne — dwa chybienia:

$$P(\text{dwa pudła})=0{,}2\cdot0{,}2=0{,}04$$

$$P(\text{co najmniej raz})=1-0{,}04=0{,}96$$

Odpowiedź: $0{,}96$.

To schemat Bernoulliego: $n=4$ prób, $k=3$ sukcesy, prawdopodobieństwo sukcesu $p=\frac12$.

Wzór:

$$P=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}$$

Krok 1 — symbol Newtona:

$$\binom{4}{3}=4$$

Krok 2 — podstawiamy:

$$P=4\cdot\left(\frac12\right)^3\cdot\left(\frac12\right)^1=4\cdot\frac{1}{16}=\frac{4}{16}=\frac14$$

Sprawdzenie: spośród $16$ wyników cztery mają dokładnie trzy orły — zgadza się.

Odpowiedź: $\frac14$.

Zdarzenie $A$ rozbijamy na przypadki według tego, które z $B_i$ zaszło, i sumujemy iloczyny „prawdopodobieństwo gałęzi razy prawdopodobieństwo warunkowe”.

Obrazowo: to sumowanie po wszystkich ścieżkach drzewa stochastycznego prowadzących do $A$.

Odpowiedź: A. $P(A|B_1)P(B_1)+P(A|B_2)P(B_2)$.

Informacja „wypadła liczba parzysta” zawęża przestrzeń zdarzeń do zbioru $\{2,\,4,\,6\}$.

Wzór na prawdopodobieństwo warunkowe:

$$P(A|B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)}$$

Rozumowanie wprost: wśród $3$ jednakowo prawdopodobnych liczb parzystych sprzyjająca jest jedna ($6$):

$$P=\frac{1}{3}$$

Porównanie: bez warunku prawdopodobieństwo szóstki wynosiłoby $\frac16$ — dodatkowa informacja podwoiła je.

Odpowiedź: $\frac13$.

Krok 1 — gałęzie drzewa. Wybór urny: po $\frac12$ na każdą.

Krok 2 — prawdopodobieństwa warunkowe:

$$P(B|U_1)=\tfrac35,\qquad P(B|U_2)=\tfrac15$$

Krok 3 — prawdopodobieństwo całkowite:

$$P(B)=\tfrac12\cdot\tfrac35+\tfrac12\cdot\tfrac15=\tfrac{3}{10}+\tfrac{1}{10}=\tfrac{4}{10}=0{,}4$$

Kontrola sensu: wynik leży między $\frac15$ a $\frac35$ — musi tak być, bo to średnia ważona obu gałęzi.

Odpowiedź: $0{,}4$.

Krok 1 — pierwsza osoba wygrywa. Wygrywających jest $2$ z $5$:

$$P_1=\frac{2}{5}$$

Krok 2 — druga osoba wygrywa. Po wyjęciu jednego wygrywającego zostaje $1$ wygrywający z $4$ losów:

$$P_2=\frac{1}{4}$$

Krok 3 — mnożymy (reguła mnożenia):

$$P=\frac{2}{5}\cdot\frac{1}{4}=\frac{2}{20}=\frac{1}{10}$$

Odpowiedź: $\frac{1}{10}=0{,}1$.

Krok 1 — dane jako prawdopodobieństwa:

$$P(L_1)=0{,}7,\quad P(W|L_1)=0{,}02,\qquad P(L_2)=0{,}3,\quad P(W|L_2)=0{,}05$$

Krok 2 — prawdopodobieństwo całkowite:

$$P(W)=0{,}7\cdot0{,}02+0{,}3\cdot0{,}05=0{,}014+0{,}015=0{,}029$$

Odpowiedź: braki stanowią $2{,}9\%$ produkcji.

Sposób przez zdarzenie przeciwne — łatwiej policzyć, kiedy iloczyn jest nieparzysty.

Krok 1 — iloczyn nieparzysty zachodzi tylko wtedy, gdy obie liczby są nieparzyste ($1$, $3$, $5$). Możliwości: $3\cdot3=9$.

Krok 2 — prawdopodobieństwo iloczynu nieparzystego:

$$P(\text{nieparzysty})=\frac{9}{36}=\frac14$$

Krok 3 — zdarzenie przeciwne (iloczyn parzysty):

$$P(\text{parzysty})=1-\frac14=\frac34$$

Dlaczego przez dopełnienie: iloczyn jest parzysty, gdy choć jedna liczba jest parzysta — takich przypadków jest dużo więcej, więc wygodniej policzyć dopełnienie.

Odpowiedź: $\frac34$.

To pytanie odwrotne — stosujemy wzór Bayesa:

$$P(L_1|W)=\frac{P(W|L_1)\cdot P(L_1)}{P(W)}$$

Podstawiamy (mianownik policzyliśmy poprzednio):

$$P(L_1|W)=\frac{0{,}7\cdot0{,}02}{0{,}029}=\frac{0{,}014}{0{,}029}\approx0{,}483$$

Interpretacja: mimo że pierwsza linia produkuje ponad dwa razy więcej, to wśród braków jej udział spada poniżej połowy — bo jest wyraźnie mniej awaryjna.

Kontrola: $P(L_2|W)=\frac{0{,}015}{0{,}029}\approx0{,}517$, a suma obu wynosi $1$ ✔

Odpowiedź: około $0{,}48$.

To schemat Bernoulliego z $n=3$, $k=3$, prawdopodobieństwem sukcesu $p=\frac14$.

Sposób bezpośredni. Zgadnięcia są niezależne, więc mnożymy:

$$P=\frac14\cdot\frac14\cdot\frac14=\left(\frac14\right)^3=\frac{1}{64}$$

Sprawdzenie wzorem Bernoulliego:

$$\binom{3}{3}\left(\frac14\right)^3\left(\frac34\right)^0=1\cdot\frac{1}{64}\cdot1=\frac{1}{64}$$

Interpretacja: tylko $1$ na $64$ losowych zestawów odpowiedzi jest w pełni poprawny — zgadywanie się nie opłaca.

Odpowiedź: $\frac{1}{64}$.

Krok 1 — oznaczenia. $C$ — osoba chora, $T$ — wynik dodatni:

$$P(C)=0{,}01,\quad P(T|C)=0{,}99,\quad P(T|C')=0{,}02$$

Krok 2 — prawdopodobieństwo całkowite wyniku dodatniego:

$$P(T)=0{,}01\cdot0{,}99+0{,}99\cdot0{,}02=0{,}0099+0{,}0198=0{,}0297$$

Krok 3 — wzór Bayesa:

$$P(C|T)=\frac{0{,}0099}{0{,}0297}=\frac13\approx0{,}333$$

Dlaczego wynik jest tak niski: zdrowych jest $99$ razy więcej niż chorych, więc nawet niewielki odsetek fałszywych alarmów daje w liczbach bezwzględnych dwa razy więcej wyników dodatnich niż wykrycia prawdziwe. To klasyczny „paradoks testu” — przy rzadkiej chorobie dodatni wynik nie oznacza jeszcze diagnozy.

Odpowiedź: tylko około $33\%$.