События
Событие. Элементарное событие.
Пространство элементарных событий.
Достоверное событие. Невозможное событие.
Тождественные события.
Сумма, произведение, разность событий.
Противоположные события. Несовместные события.
Равновозможные события.
Под событием в теории вероятностей понимают любой факт, который может произойти или не произойти в результате опыта со случайным исходом. Самый простой результат такого опыта (например, появление "орла" или "решки" при бросании монеты, попадание в цель при стрельбе, появление туза при вынимании карты из колоды, случайное выпадение числа при бросании игральной кости и т.д.) называется элементарным событием .
Множество всех элементарных событий Е называется пространством элемен тарных событий . Так, при бросании игральной кости это пространство состоит из шести элементарных событий, а при вынимании карты из колоды – из 52. Событие может состоять из одного или нескольких элементарных событий, например, появление двух тузов подряд при вынимании карты из колоды, или выпадение одного и того же числа при трёхкратном бросании игральной кости. Тогда можно определить событие как произвольное подмножество пространства элементарных событий.
Достоверным событием называется всё пространство элементарных событий. Таким образом, достоверное событие – это событие, которое обязательно должно произойти в результате данного опыта. При бросании игральной кости таким событием является её падение на одну из граней.
Невозможным событием () называется пустое подмножество пространства элементарных событий. То есть, невозможное событие не может произойти в результате данного опыта. Так, при бросании игральной кости невозможным событием является её падение на ребро.
События А и В называются тождественными ( А = В ), если событие А происходит тогда и только тогда, когда проиходит событие В .
Говорят, что событие А влечёт за собой событие В ( А В ), если из условия "произошло событие А" следует "произошло событие В" .
Событие С называется суммой событий А и В ( С = А В ), если событие С происходит тогда и только тогда, когда происходит либо А , либо В .
Событие С называется произведением событий А и В ( С = А В ), если событие С происходит тогда и только тогда, когда происходит и А , и В .
Событие С называется разностью событий А и В ( С = А – В ), если событие С происходит тогда и только тогда, когда происходит событие А , и не происходит событие В .
Событие А" называется противоположным событию А , если не произошло событие А . Так, промах и попадание при стрельбе – противоположные события.
События А и В называются несовместными ( А В = ) , если их одновременное появление невозможно. Например, выпадение и "решки", и "орла" при бросании монеты.
Если при проведении опыта могут произойти несколько событий и каждое из них по объективным условиям не является более возможным, чем другое, то такие события называются равновозможными . Примеры равновозможных событий: появление двойки, туза и валета при вынимании карты из колоды, выпадение любого из чисел от 1 до 6 при бросании игральной кости и т.п.
Определение 1. Говорят, что в некотором опыте событие А влечёт за собой появление события В , если при наступлении события А наступает и событие В . Обозначение этого определения А Ì В . В терминах элементарных событий это означает, что каждое элементарное событие, входящее в А , входит также и в В .
Определение 2. События А и В называются равными или эквивалентными (обозначается А = В) , если А Ì В и В Ì А, т.е. А и В состоят из одних и тех же элементарных событий.
Достоверное событие представляется объемлющим множеством Ω, а невозможное событие – пустым подмножеством Æ в нём. Несовместность событий А и В означает, что соответствующие подмножества А и В не пересекаются: А ∩В = Æ.
Определение 3. Суммой двух событий А и В (обозначается С = А + В ) называется событие С , состоящее в наступлении по крайней мере одного из событий А или В (союз «или» для суммы является ключевым словом), т.е. наступает или А , или В , или А и В вместе.
Пример. Пусть два стрелка стреляют в мишень одновременно, и событие А состоит в том, что в мишень попадает 1-й стрелок, а событие B – в том, что в мишень попадает 2-й стрелок. Событие A + B означает, что мишень поражена, или, иначе, что в мишень попал хотя бы один из стрелков (1-й стрелок или 2-й стрелок, или оба стрелка).
Аналогично, суммой конечного числа событий А 1 , А 2 , …, А n (обозначается А = А 1 + А 2 + … + А n) называется событие А , состоящее в наступлении хотя бы одного из событий А i (i = 1, … , n ), или произвольной совокупности А i (i = 1, 2, … , n ).
Пример. Суммой событий А, В, С является событие, состоящее в появлении одного из следующих событий: А , В, С, А и В , А и С , В и С , А и В и С , А или В , А или С , В или С , А или В или С .
Определение 4. Произведением двух событий А и В называется событие С (обозначается С = А ∙ В ), состоящее в том, что в результате испытания произошли и событие А, и событие В одновременно. (Союз «и» для произведения событий является ключевым словом).
Аналогично произведением конечного числа событий А 1 , А 2 , …, А n (обозначается А = А 1 ∙А 2 ∙…∙ А n) называется событие А , состоящее в том, что в результате испытания произошли все указанные события.
Пример. Если события А , В , С есть появление «герба» в первом, во втором и третьем испытании соответственно, то событие А × В × С есть выпадение «герба» во всех трех испытаниях.
Замечание 1. Для несовместных событий А и В справедливо равенство А ∙ В = Æ, где Æ – невозможное событие.
Замечание 2. События А 1 , А 2, … , А n образуют полную группу попарно несовместных событий, если .
Определение 5. Противоположными событиями называются два единственно возможных несовместных события, образующие полную группу. Событие, противоположное событию А, обозначается . Событие противоположное событию А , является дополнением к событию А до множества Ω.
Для противоположных событий одновременно удовлетворяются два условия А ∙ = Æ и А + = Ω.
Определение 6. Разностью событий А и В (обозначается А – В ) называется событие, состоящее в том, что событие А наступит, а событие В – нет и оно равна А – В = А × .
Отметим, что события А + В, А ∙ В, , А – В удобно трактовать в графическом виде с помощью диаграмм Эйлера – Венна (рис. 1.1).
|
Рис. 1.1. Операции над событиями: отрицание, сумма, произведение и разность |
Сформулируем пример так: пусть опыт G заключается в проведении стрельбы наугад по области Ω, точ-ки которого являются элементар-ными событиями ω. Пусть попа-дание в область Ω есть достоверное событие Ω, а попадание в области А и В – соответственно события А и В . Тогда события , А+В (или А È В – светлая область на рисунке), А ∙ В (или А Ç В – область в центре), А – В (или А \ В – светлые подобласти) будут соответствовать четырем изображениям на рис. 1.1. В условиях предыдущего примера со стрельбой двух стрелков по мишени произведением событий А и В будет событие С = А Ç В , состоящее в попадании в мишень обоими стрелками.
Замечание 3. Если операции над событиями представить как операции над множествами, а события представить как подмножества некоторого множества Ω, то сумме событий А+В соответствует объединение А ÈВ этих подмножеств, а произведению событий А ∙ В - пересечение А ∩В этих подмножеств.
Таким образом, операции над событиями можно поставить в соответствие операцию над множествами. Это соответствие приведено в табл. 1.1
Таблица 1.1
|
Обозначения |
Язык теории вероятностей |
Язык теории множеств |
|
Пространство элемент. событий |
Универсальное множество |
|
|
Элементарное событие |
Элемент из универсального множества |
|
|
Случайное событие |
Подмножество элементов ω из Ω |
|
|
Достоверное событие |
Множество всех ω |
|
|
Невозможное событие |
Пустое множество |
|
|
А Ì В |
А влечёт В |
А – подмножество В |
|
А+В (А ÈВ ) |
Сумма событий А и В |
Объединение множеств А и В |
|
А × В (А Ç В ) |
Произведение событий А и В |
Пересечение множеств А и В |
|
А – В (А \ В ) |
Разность событий |
Разность множеств |
Действия над событиями обладают следующими свойствами:
А + В = В + А, А ∙ В = В ∙ А (переместительное);
(А + В ) ∙ С = А × С + В × С, А ∙ В + С = (А + С ) × (В + С ) (распределительное);
(А + В ) + С = А + (В + С ), (А ∙ В ) ∙ С = А ∙ (В ∙ С ) (сочетательное);
А + А = А, А ∙ А = А ;
А + Ω = Ω, А ∙ Ω = А ;
Сумма всех вероятностей событий выборочного пространства равняется 1. Например, если экспериментом является подбрасывание монеты при Событии А = «орел» и Событии В = «решка», то А и В представляют собой все выборочное пространство. Значит, Р(А) +Р(В) = 0.5 + 0.5 = 1 .
Пример. В ранее предложенном примере вычисления вероятности извлечения из кармана халата красной ручки (это событие А), в котором лежат две синих и одна красная ручка, Р(А) = 1/3 ≈ 0.33, вероятность противоположного события – извлечения синей ручки – составит
Прежде чем перейти к основным теоремам, введем еще два более сложных понятия - сумма и произведение событий. Эти понятия отличны от привычных понятий суммы и произведения в арифметике. Сложение и умножение в теории вероятностей - символические операции, подчиненные определенным правилам и облегчающие логическое построение научных выводов.
Суммой нескольких событий является событие, заключающееся в появлении хотя бы одного из них. То есть, суммой двух событий А и В называется событие С, состоящее в появлении или события А, или события В, или событий А и В вместе.
Например, если пассажир ждет на остановке трамваев какой-либо из двух маршрутов, то нужное ему событие заключается в появлении трамвая первого маршрута (событие А), или трамвая второго маршрута (событие В), или в совместном появлении трамваев первого и второго маршрутов (событие С). На языке теории вероятностей это значит, что нужное пассажиру событие D заключается в появлении или события А, или события В, или события С, что символически запишется в виде:
D = A + B + C
Произведением двух событий А и В является событие, заключающееся в совместном появлении событий А и В . Произведением нескольких событий называется совместное появление всех этих событий.
В приведенном примере с пассажиром событие С (совместное появление трамваев двух маршрутов) представляет собой произведение двух событий А и В , что символически записывается следующим образом:
Допустим, что два врача порознь осматривают пациента с целью выявления конкретного заболевания. В процессе осмотров возможно появление следующих событий:
Обнаружение заболеваний первым врачом (А );
Необнаружение заболевания первым врачом ();
Обнаружение заболевания вторым врачом (В );
Необнаружение заболевания вторым врачом ().
Рассмотрим событие, которое заключается в том, что заболевание будет обнаружено в процессе осмотров ровно один раз. Это событие может реализоваться двумя способами:
Заболевание обнаружит первый врач (А ) и не обнаружит второй ();
Заболеваний не обнаружит первый врач () и обнаружит второй (B ).
Обозначим рассматриваемое событие через и запишем символически:
Рассмотрим событие, которое заключается в том, что заболевание будет обнаружено в процессе осмотров дважды (и первым, и вторым врачом). Обозначим это событие через и запишем: .
Событие, заключающееся в том, что ни первый, ни второй врач заболевания не обнаружит, обозначим через и запишем: .
Основные теоремы теории вероятности
Вероятность суммы двух несовместных событий равняется сумме вероятностей этих событий.
Запишем теорему сложения символически:
Р(А + В) = Р(А)+Р(В) ,
где Р - вероятность соответствующего события (событие указывается в скобках).
Пример . У больного наблюдается желудочное кровотечение. Этот симптом регистрируется при язвенной эрозии сосуда (событие А), разрыве варикозно-расширенных вен пищевода (событие В), раке желудка (событие С), полипе желудка (событие D), геморрагическом диатезе (событие F), механической желтухе (событие Е) и конечном гастрите (событие G ).
Врач, основываясь на анализе статистических данных, присваивает каждому событию значение вероятности:
Всего врач имел 80 больных с желудочным кровотечением (n = 80), из них у 12 была язвенная эрозия сосуда (), у 6 - разрыв варикозно-расширенных вен пищевода (), у 36 - рак желудка () и т. д.
Для назначения обследования врач хочет определить вероятность того, что желудочное кровотечение связано с заболеванием желудка (событие I):
Вероятность того, что желудочное кровотечение связано с заболеванием желудка, достаточно высока, и врач может определить тактику обследования, исходя из предположения о заболевании желудка, обоснованном на количественном уровне с помощью теории вероятностей.
Если рассматриваются совместные события, вероятность суммы двух событий равна сумме вероятностей этих событий без вероятности совместного их наступления.
Символически это записывается следующей формулой:
Если представить себе, что событие А заключается в попадании при стрельбе в мишень, заштрихованную горизонтальными полосами, а событие В - в попадании в мишень, заштрихованную вертикальными полосами, то в случае несовместных событий по теореме сложения вероятность суммы равна сумме вероятностей отдельных событий. Если же эти события совместны, то есть некоторая вероятность, соответствующая совместному наступлению событий А и В . Если не ввести поправку на вычитаемое Р(АВ) , т.е. на вероятность совместного наступления событий, то эта вероятность будет учтена дважды, так как площадь, заштрихованная и горизонтальными, и вертикальными линиями, является составной частью обеих мишеней и будет учитываться как в первом, так и во втором слагаемом.
На рис. 1 дана геометрическая интерпретация, наглядно иллюстрирующая данное обстоятельство. В верхней части рисунка помещены непересекающиеся мишени, являющиеся аналогом несовместных событий, в нижней части - пересекающиеся мишени, являющиеся аналогом совместных событий (одним выстрелом можно попасть сразу и в мишень А, и в мишень В).
Прежде чем перейти к теореме умножения, необходимо рассмотреть понятия независимых и зависимых событий и условной и безусловной вероятностей.
Независимым от события В называется такое событие А, вероятность появления которого не зависит от появления или непоявления события В.
Зависимым от события В называется такое событие А, вероятность появления которого зависит от появления или непоявления события В.
Пример . В урне находятся 3 шара, 2 белых и 1 черный. При выборе шара наугад вероятность выбрать белый шар (событие А) равна: Р(А) = 2/3, а черный (событие В)Р(В) = 1/3. Мы имеем дело со схемой случаев, и вероятности событий рассчитываются строго по формуле. При повторении опыта вероятности появления событий А и В остаются неизменными, если после каждого выбора шар возвращается в урну. В этом случае события А и В являются независимыми. Если же выбранный в первом опыте шар в урну не возвращается, то вероятность события (А) во втором опыте зависит от появления или непоявления события (В) в первом опыте. Так, если в первом опыте появилось событие В (выбран черный шар), то второй опыт проводится при наличии в урне 2 белых шаров и вероятность появления события А во втором опыте равна: Р(А) = 2/2= 1.
Если же в первом опыте не появилось событие В(выбран белый шар), то второй опыт проводится при наличии в урне одного белого и одного черного шаров и вероятность появления события А во втором опыте равна: Р(А)=1/2. Очевидно, в этом случае события А и В тесно связаны и вероятности их появления являются зависимыми.
Условной вероятностью события А называется вероятность его появления при условии, что появилось событие В. Условная вероятность символически обозначается Р(А/В).
Если вероятность появления события А не зависит от появления события В , то условная вероятность события А равна безусловной вероятности:
Если вероятность появления события А зависит от появления события В, то условная вероятность никогда не может быть равна безусловной вероятности:
Выявление зависимости различных событий между собой имеет большое значение в решении практических задач. Так, например, ошибочное предположение о независимости появления некоторых симптомов при диагностике пороков сердца по вероятностной методике, разработанной в Институте сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева, обусловило около 50% ошибочных диагнозов.
Сумма всех вероятностей событий выборочного пространства равняется 1. Например, если экспериментом является подбрасывание монеты при Событии А = «орел» и Событии В = «решка», то А и В представляют собой все выборочное пространство. Значит, Р(А) +Р(В) = 0.5 + 0.5 = 1 .
Пример. В ранее предложенном примере вычисления вероятности извлечения из кармана халата красной ручки (это событие А), в котором лежат две синих и одна красная ручка, Р(А) = 1/3 ≈ 0.33, вероятность противоположного события – извлечения синей ручки – составит
Прежде чем перейти к основным теоремам, введем еще два более сложных понятия - сумма и произведение событий. Эти понятия отличны от привычных понятий суммы и произведения в арифметике. Сложение и умножение в теории вероятностей - символические операции, подчиненные определенным правилам и облегчающие логическое построение научных выводов.
Суммой нескольких событий является событие, заключающееся в появлении хотя бы одного из них. То есть, суммой двух событий А и В называется событие С, состоящее в появлении или события А, или события В, или событий А и В вместе.
Например, если пассажир ждет на остановке трамваев какой-либо из двух маршрутов, то нужное ему событие заключается в появлении трамвая первого маршрута (событие А), или трамвая второго маршрута (событие В), или в совместном появлении трамваев первого и второго маршрутов (событие С). На языке теории вероятностей это значит, что нужное пассажиру событие D заключается в появлении или события А, или события В, или события С, что символически запишется в виде:
D = A + B + C
Произведением двух событий А и В является событие, заключающееся в совместном появлении событий А и В . Произведением нескольких событий называется совместное появление всех этих событий.
В приведенном примере с пассажиром событие С (совместное появление трамваев двух маршрутов) представляет собой произведение двух событий А и В , что символически записывается следующим образом:
Допустим, что два врача порознь осматривают пациента с целью выявления конкретного заболевания. В процессе осмотров возможно появление следующих событий:
Обнаружение заболеваний первым врачом (А );
Необнаружение заболевания первым врачом ();
Обнаружение заболевания вторым врачом (В );
Необнаружение заболевания вторым врачом ().
Рассмотрим событие, которое заключается в том, что заболевание будет обнаружено в процессе осмотров ровно один раз. Это событие может реализоваться двумя способами:
Заболевание обнаружит первый врач (А ) и не обнаружит второй ();
Заболеваний не обнаружит первый врач () и обнаружит второй (B ).
Обозначим рассматриваемое событие через и запишем символически:
Рассмотрим событие, которое заключается в том, что заболевание будет обнаружено в процессе осмотров дважды (и первым, и вторым врачом). Обозначим это событие через и запишем: .
Событие, заключающееся в том, что ни первый, ни второй врач заболевания не обнаружит, обозначим через и запишем: .
Виды случайных событий
События называют несовместными , если появление одного из них исключает появление других событий в одном и том же испытании.
Пример 1.10. Из ящика с деталями наугад извлечена деталь. Появление стандартной детали исключает появление нестандартной детали. События {появилась стандартная деталь} и {появилась нестандартная деталь}-несовместные .
Пример 1.11. Брошена монета. Появление "герба" исключает появление цифры. События {появился герб} и {появилась цифра} - несовместные .
Несколько событий образуют полную группу , если в результате испытания появится, хотя бы одно из них. Другими словами, появление хотя бы одного из событий полной группы есть достоверное событие. В частности, если события, образующие полную группу, попарно несовместны, то в результате испытания появится одно и только одно из этих событий. Этот частный случай представляет для нас наибольший интерес, поскольку используется далее.
Пример 1.12. Приобретены два билета денежно-вещевой лотереи. Обязательно произойдет одно и только одно из следующих событий: {выигрыш выпал на первый билет и не выпал на второй}, {выигрыш не выпал на первый билет и выпал на второй}, {выигрыш выпал на оба билета}, {на оба билета выигрыш не выпал}. Эти события образуют полную группу попарно несовместных событий.
Пример 1.13. Стрелок произвел выстрел по цели. Обязательно произойдет одно из следующих двух событий: попадание или промах. Эти два несовместных события образуют полную группу .
События называют равновозможными , если есть основания считать, что ни одно из них не является более возможным, чем другое.
3. Операции над событиями: сумма (объединение), произведение (пересечение) и разность событий; диаграммы Вьенна.
Операции над событиями
События обозначаются заглавными буквами начала латинского алфавита A, B, C, D, …, снабжая их при необходимости индексами. Тот факт, что элементарный исход х содержится в событии А, обозначают .
Для понимания удобна геометрическая интерпретация при помощи диаграмм Виенна: представим пространство элементарных событий Ω в виде квадрата, каждой точке которого соответствует элементарное событие. Случайные события А и В, состоящие из совокупности элементарных событий х i и у j , соответственно, геометрически изображаются в виде некоторых фигур, лежащих в квадрате Ω (рис. 1-а, 1-б).
Пусть опыт состоит в том, что внутри квадрата, изображенного на рисунке 1-а, выбирается наугад точка. Обозначим через А событие, состоящее в том, что {выбранная точка лежит внутри левой окружности} (рис.1-а), через В – событие, состоящее в том, что {выбранная точка лежит внутри правой окружности} (рис. 1-б).
Достоверному событию благоприятствует любое , поэтому достоверное событие будем обозначать тем же символом Ω.
Два события тождественны друг другу (А=В) тогда и только тогда, когда эти события состоят из одних и тех же элементарных событий (точек).
Суммой (или объединением) двух событий А и В называется событие А+В (или ), происходящее тогда и только тогда, когда происходит или А, или В. Сумме событий А и В соответствует объединение множеств А и В (рис. 1-д).
Пример 1.15. Событие, состоящее в выпадении четного числа, является суммой событий: выпало 2, выпало 4, выпало 6. То есть, {х=четное }= {х=2 }+{х=4 }+{х=6 }.
Произведением (или пересечением) двух событий А и В называется событие АВ (или ), происходящее тогда и только тогда, когда происходит и А, и В. Произведению событий А и В соответствует пересечение множеств А и В (рис. 1-е).
Пример 1.16 . Событие, состоящее в выпадении 5, является пересечением событий: выпало нечетное число и выпало больше 3-х, то есть, A{x=5}=B{x-нечетное}∙C{x>3}.
Отметим очевидные соотношения:
Событие называется противоположным к А, если оно происходит тогда и только тогда, когда А не происходит. Геометрически – это множество точек квадрата, не входящее в подмножество А (рис. 1-в). Аналогично определяется событие (рис. 1-г).
Пример 1.14. . События, состоящие в выпадении четного и нечетного чисел, - события противоположные.
Отметим очевидные соотношения:
Два события называются несовместными , если их одновременное появление в опыте невозможно. Следовательно, если А и В несовместны, то их произведение – невозможное событие:
Введенные ранее элементарные события, очевидно, попарно несовместны, то есть
Пример 1.17 . События, состоящие в выпадении четного и нечетного чисел, - события несовместные.