R16lZdWVwWZiN
Grafika przedstawia wiele niebieskich kulek, pośród których znajduje się jedna żółta.

M_R_W22_M3 Rachunek prawdopodobieństwa, cz. 2

Źródło: dostępny w internecie: maxpixel.net, domena publiczna.

3. Niezależność zdarzeń

Często wydaje nam się, że nie mamy wpływu na pewne wydarzenia, które dotyczą nas bezpośrednio.

Uważamy wręcz, że to nieunikniony los wytycza ścieżki naszej drogi życiowej. Dla niektórych jest to dobre wytłumaczenie, aby nie podejmować żadnych działań, a los niech za nas zdecyduje. Dla innych zdanie się na los, to maskowanie pokrętnych poczynań. Przykładem może być rejent Milczek, postać literacka występująca w komedii A. Fredry „Zemsta”, który tłumaczy swoje postępowanie zrządzeniem losu.

RH49d4LEP41AQ
Ludwik Solski jako Dyndalski (po lewej) i Jerzy Leszczyński jako Cześnik Maciej Raptusiewicz (po prawej) w sztuce Zemsta.
Teatr im. Juliusza Słowackiego w Krakowie, reżyseria Teofil Trzciński.
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Co los spuści, przyjąć trzeba;
Niech się dzieje wola Nieba.

Aleksander Fredro „Zemsta

W matematyce też spotykamy się ze zdarzeniami losowymi. Choć w kontekście bardziej teoretycznym niż praktycznym. W tym materiale poznamy jedno z najważniejszych pojęć rachunku prawdopodobieństwa związanego ze zdarzeniami losowymi – zdarzenia losowe niezależne. Być może przeczytawszy o zdarzeniach niezaleźnych, zastanawiasz się, czy są też zdarzenia zależne. Odpowiedź i na to pytanie znajdziesz, analizując prezentowany materiał.

Twoje cele
  • Sprawdzisz, czy dane zdarzenia są niezależne czy zależne.

  • Obliczysz iloczyn prawdopodobieństw zdarzeń losowych.

  • Obliczysz prawdopodobieńswtwo iloczynu zdarzeń losowych.

  • Uzasadnisz własności prawdopopodobieństwa iloczynu zdarzeń losowych.

Prawdopodobieństwo iloczynu dwóch zdarzeń

Przekształcając wzór PA/B=PABPB na prawdopodobieństwo warunkowe dwóch zdarzeń A, B takich, że PB>0 otrzymujemy wzór na prawdopodobieństwo iloczynu zdarzeń PAB=PB·PA/B.

Jeśli PA>0 to możemy również zapisać PAB=PA·PB/A.

Wzór na prawdopodobieństwo iloczynu dwóch zdarzeń

Niech AΩ, BΩ. Wtedy:

PAB=PB·PA/B, jeśli PB>0

PAB=PA·PB/A, jeśli PA>0

Przykład 1

Z talii 52 kart wyciągamy kolejno dwie karty bez zwracania. Obliczymy prawdopodobieństwo, że obie wylosowane karty będą asami.

Oznaczmy:
A – zdarzenie polegające na tym, że pierwsza wylosowana karta będzie asem,
B – zdarzenie polegające na tym, że druga wylosowana karta będzie asem.

Wtedy AB to zdarzenie polegające na tym, że pierwsza i druga wylosowana karta będą asami.

W talii złożonej z 52 kart są cztery asy, zatem:

PA=452

Po wylosowaniu asa, w talii zostało tylko 51 kart, w tym trzy asy, stąd:

PB/A=351

Prawdopodobieństwo iloczynu zdarzeń A i B jest równe:

PAB=452·351=1221

Odpowiedź:

Prawdopodobieństwo wylosowania dwóch asów w kolejnych losowaniach jest równe 1221.

Przykład 2

Łucznik trafia w tarczę z prawdopodobieństwem 0,4, przy czym jest 60% szansy na to, że jeśli trafi w tarczę, to trafi w środek tarczy. Obliczymy, jakie jest prawdopodobieństwo, że strzelec trafi w środek tarczy.

Oznaczmy:
A – zdarzenie polegające na tym, że strzelec trafi w środek tarczy,
B – zdarzenie polegające na tym, że strzelec trafi w tarczę.

PB=0,4

PA/B=0,6

Korzystając ze wzoru na prawdopodobieństwo iloczynu zdarzeń otrzymujemy:

PAB=0,4·0,6=0,24

Odpowiedź:

Prawdopodobieństwo tego, że strzelec trafi w środek tarczy jest równe 0,24.

Zdarzenia niezależne

Zawodnicy A i B rzucają piłkami do kosza. Wynik rzutu zawodnika A nie zależy od wyniku rzutu zawodnika B i odwrotnie. Rezultaty rzutów są od siebie niezależne.

Jeżeli AΩ, BΩ i zajście zdarzenia A nie zależy od zajścia zdarzenia B, to o takich zdarzeniach mówimy, że są niezależne.

Wówczas PA=PA/B=PABPB, czyli PAB=PA·PB.

Zdarzenia losowe niezależne
Definicja: Zdarzenia losowe niezależne

Zdarzenia AΩ, BΩ nazywamy niezależnymi wtedy i tylko wtedy, gdy

PAB=PA·PB

Z powyższej definicji wynika, że aby sprawdzić, czy dane zdarzenia AB są niezależne, wystarczy sprawdzić, czy zachodzi równość PAB=PA·PB.

Przykład 3

Spośród liczb naturalnych od 1 do 50 losujemy jedną liczbę.

Oznaczmy:
A – zdarzenie polegające na tym, że wylosowana liczba jest podzielna przez 8,
B – zdarzenie polegające na tym, że wylosowana liczba jest podzielna przez 10.

Zauważmy, że liczba 40 jest podzielna zarówno przez 8, jak i przez 10, więc przypuszczamy, że zdarzenia A i B nie są niezależne.

Sprawdzimy nasze przypuszczenia, obliczając prawdopodobieństwa odpowiednich iloczynów.

Zdarzeniu A sprzyjają liczby:

8, 16, 24, 32, 40, 48.

Zatem: PA=650.

Zdarzeniu B sprzyjają liczby:

10, 20, 30, 40, 50.

Zatem: PB=550.

Zdarzeniu AB sprzyja liczba 40.

Zatem: PAB=150.

Wtedy:

PA·PB=650·550=302500150

Czyli: PA·PBPAB

Zdarzenia A i B nie są niezależne. O takich zdarzeniach mówimy, że są zależne.

Przykład 4

W koszyku jest 10 grzybów, w tym 6 dobrych i 4 robaczywe. Z koszyka wypadły dwa grzyby. Sprawdzimy, czy niezależne są zdarzenia:

A – wypadł co najwyżej jeden grzyb dobry,
B – wypadł co najwyżej jeden grzyb robaczywy.

Z koszyka wypadły dwa grzyby spośród dziesięciu, które znajdowały się w koszyku.

Ω=102=45

Zdarzeniu A sprzyja wypadnięcie dwóch grzybów robaczywych lub jednego dobrego i jednego robaczywego.

A=42+61·41=6+24=30

Zdarzeniu B sprzyja wypadnięcie dwóch dobrych grzybów lub wypadnięcie jednego grzyba dobrego i jednego robaczywego.

B=62+61·41=15+24=39

Zdarzeniu AB sprzyja wypadnięcie jednego grzyba dobrego i jednego robaczywego.

AB=61·41=24

Wynika z tego, że PA·PB=3045·3945PAB=2445.

Czyli: PA·PBPAB.

Zdarzenia A i B są zależne.

Korzystając z prawdopodobieństwa warunkowego, definicję zdarzeń niezależnych można określić nieco inaczej.

Dwa zdarzenia losowe niezależne
Definicja: Dwa zdarzenia losowe niezależne
  • Niech AΩ, BΩPB>0. Zdarzenia A i B nazywamy niezależnymi, gdy PA/B=PA.

  • Niech AΩ, BΩPA>0. Zdarzenia A i B nazywamy niezależnymi, gdy PB/A=PB.

Przykład 5

Na przystanku Zakładowa – Fabryczna stają dwa miejskie autobusy – autobus linii 64 i autobus linii 75. Autobusy te jeżdżą niezależnie od siebie. Prawdopodobieństwo, że w ciągu najbliższych pięciu minut nadjedzie autobus linii 64 jest równe 0,6. Prawdopodobieństwo, że w ciągu najbliższych pięciu minut nadjedzie autobus linii 75 jest równe 0,3. Obliczymy prawdopodobieństwo tego, że w ciągu najbliższych pięciu minut nadjedzie co najmniej jeden z tych autobusów.

Oznaczmy:
A – zdarzenie polegające na tym, że nadjedzie co najmniej jeden autobus,
B – zdarzenie polegające na tym, że nie nadjedzie żaden autobus.

Najpierw obliczymy prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia B.

Prawdopodobieństwo tego, że w ciągu najbliższych pięciu minut nie nadjedzie autobus linii 64 jest równe 1-0,6=0,4.

Prawdopodobieństwo tego, że w ciągu najbliższych pięciu minut nie nadjedzie autobus linii 75 jest równe 1-0,3=0,7.

Zatem: PB=0,4·0,7=0,28.

Zauważmy, że zdarzenia A i B są zdarzeniami przeciwnymi.

Czyli:

PA=1-PB

PA=1-0,28=0,72

Odpowiedź:

Prawdopodobieństwo tego, że w ciągu najbliższych pięciu minut nadjedzie co najmniej jeden z autobusów jest równe 0,72.

Przykład 6

Zdarzenia AΩ, BΩ są niezależne i PA=13PB=35. Obliczymy PAB.

Przekształcamy wzór na prawdopodobieństwo sumy zdarzeń, uwzględniając równość

PAB=PA·PB

PAB=PA+PB-PAB=PA+PB-PA·PB

PAB=13+35-13·35=1115

Podamy teraz ważne twierdzenie, określające niektóre własności zdarzeń niezależnych. Udowodnimy jedną z podanych równości. Pozostałe równości pozostawiamy Tobie do udowodnienia.

Zdarzenia A i B są niezależne
Twierdzenie: Zdarzenia A i B są niezależne

Jeżeli zdarzenia A i B są niezależne, to również niezależne są zdarzenia:

A i B'

A'B

A'B'

Dowód

Udowodnimy ostatni z tych związków. Mamy wykazać, że:

P ( A B ) = P ( A ) P ( B )

Skorzystamy ze wzorów de Morgana i ze wzoru na prawdopodobieństwo zdarzenia przeciwnego.

P ( A B ) = P [ ( A B ) ] = 1 [ P ( A ) + P ( B ) P ( A B ) ]
PA'B'=1-PA-PB+PAB
PA'B'=1-PA-PB+PA·PB
PA'B'=1-PA·1-PB=PA'·PB'
Przykład 7

Dwaj strzelcy strzelają do tej samej tarczy. Prawdopodobieństwo, że pierwszy trafi w tarczę jest równe 0,7, a prawdopodobieństwo, że drugi trafi w tarczę jest równe 0,6. Prawdopodobieństwa trafienia w tarczę przez każdego ze strzelców są zdarzeniami niezależnymizdarzenia losowe niezależnezdarzeniami niezależnymi.

Obliczymy prawdopodobieństwo, że tarcza zostanie raz trafiona.

Oznaczmy:
A – pierwszy strzelec trafi w tarczę,
B – drugi strzelec trafi w tarczę,
C – tarcza zostanie trafiona dokładnie raz.

Zdarzenie C zajdzie, gdy pierwszy strzelec trafi, a drugi nie trafi lub odwrotnie – pierwszy strzelec spudłuje, a drugi trafi.

Na podstawie powyższego twierdzenia wnioskujemy, że zdarzenia A i B' oraz A'B są niezależne.

Zatem:

PC=0,7·1-0,6+1-0,7·0,6=0,46

Odpowiedź:

Prawdopodobieństwo, że tarcza zostanie trafiona dokładnie raz jest równe 0,46.

Pojęcie niezależności dwóch zdarzeń losowych można uogólnić na dowolną skończoną ich liczbę. My ograniczymy się tylko do trójki zdarzeń losowych.

Trzy zdarzenia losowe niezależne
Definicja: Trzy zdarzenia losowe niezależne

Dane są zdarzenia AΩ, BΩ, CΩ. Zdarzenia A, BC nazywamy zdarzeniami niezależnymi, jeżeli zdarzenia A i B, A i C, B i C są niezależne i PABC=PA·PB·PC.

Zatem trzy zdarzenia są niezależne (lub stanowią niezależny układ zdarzeń), jeśli:

PAB=PA·PB i
PBC=PB·PC i
PAC=PA·PC i
PABC=PA·PB·PC.

Przykład 8

Rzucamy jednocześnie trzema monetami. Obliczymy prawdopodobieństwo tego, że na każdej monecie wypadnie orzeł.

Oznaczmy:
A – zdarzenie polegające na tym, że na pierwszej monecie wypadł orzeł,
B – zdarzenie polegające na tym, że na drugiej monecie wypadł orzeł,
C – zdarzenie polegające na tym, że na trzeciej monecie wypadł orzeł.

Wtedy:

ABC – zdarzenie polegające na tym, że na każdej monecie wypadł orzeł.

Zdarzenia A, B, C są wzajemnie niezależne i PA=PB=PC=0,5.

Zatem:

PABC=PA·PB·PC

PABC=0,5·0,5·0,5=0,125

Odpowiedź:

Prawdopodobieństwo tego, że na każdej monecie wypadnie orzeł jest równe 0,125.

Polecenie 1

Zapoznaj się z filmem, który przybliży Ci jedno z kluczowych pojęć rachunku prawdopodobieństwa – pojęcie zdarzeń niezależnych. Zwróć uwagę na różnice między zdarzeniami niezależnymi a zależnymi.

R3SWKHDXwSlYY
Film nawiązujący do treści lekcji dotyczącej niezależnych zdarzeń losowych.
Polecenie 2

Rzucamy dwa razy monetą. Niech A oznacza zdarzenie polegające na tym, że w pierwszym rzucie wypadł orzeł. Niech B oznacza zdarzenie, że w drugim rzucie wypadła reszka. Ustal, czy zdarzenia A, B są niezależne.

R1Z44L6DaLYve1
Ćwiczenie 1
Zaznacz poprawną odpowiedź. Rzucamy czterema jednakowymi kostkami do gry w kształcie czworościanów foremnych. Na ściankach każdego z czworościanów zapisane są liczby odpowiednio jeden, dwa, trzy, cztery. Prawdopodobieństwo zdarzenia polegającego na tym, że ścianka z zapisaną liczbą trzy wypadnie tylko na trzeciej kostce jest równe: Możliwe odpowiedzi: 1. początek ułamka, dwadzieścia siedem, mianownik, dwieście pięćdziesiąt sześć, koniec ułamka, 2. początek ułamka, osiemdziesiąt jeden, mianownik, dwieście pięćdziesiąt sześć, koniec ułamka, 3. początek ułamka, dziesięć, mianownik, dwieście pięćdziesiąt sześć, koniec ułamka, 4. początek ułamka, jeden, mianownik, dwieście pięćdziesiąt sześć, koniec ułamka
RQCJnpCn2Ssxo1
Ćwiczenie 2
Zaznacz poprawną odpowiedź. Na odcinku długości pięć km samochód przejeżdża przez trzy skrzyżowania z sygnalizacją świetlną niezsynchronizowaną. Zdarzenia polegające na tym, że samochód nie zatrzyma się na poszczególnych skrzyżowaniach są od siebie niezależne. Ich prawdopodobieństwa są równe odpowiednio zero przecinek pięć; zero przecinek siedem i zero przecinek osiem. Prawdopodobieństwo tego, że samochód przejedzie rozważany odcinek drogi bez zatrzymania się jest równe: Możliwe odpowiedzi: 1. zero przecinek trzy pięć, 2. zero przecinek pięć sześć, 3. zero przecinek dwa osiem, 4. zero przecinek cztery zero
RLuzzxCXWJANl2
Ćwiczenie 3
Zdarzenia A, jest podzbiorem, OMEGA, B, jest podzbiorem, OMEGA są niezależne i P nawias, A, zamknięcie nawiasu, większy niż, zero, P nawias, B, zamknięcie nawiasu, większy niż, zero, P nawias, A, zamknięcie nawiasu, nie równa się, P nawias, B, zamknięcie nawiasu.
Zaznacz wszystkie zdania prawdziwe. Możliwe odpowiedzi: 1. P nawias, A, zamknięcie nawiasu, równa się, P nawias, A / B, zamknięcie nawiasu, 2. P nawias, B, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, P nawias, A iloczyn zbiorów B, zamknięcie nawiasu, mianownik, P nawias, A, zamknięcie nawiasu, koniec ułamka, 3. P nawias, B, zamknięcie nawiasu, równa się, P nawias, A / B, zamknięcie nawiasu, 4. P nawias, A, zamknięcie nawiasu, plus, P nawias, B, zamknięcie nawiasu, równa się, P nawias, A, zamknięcie nawiasu, razy, P nawias, B, zamknięcie nawiasu
RtEbMfam5fOuv2
Ćwiczenie 4
Wymyśl pytanie na kartkówkę związane z tematem materiału.
R1NkTS7ixM1gN2
Ćwiczenie 5
Dostępne opcje do wyboru: początek ułamka, trzy, mianownik, dwadzieścia, koniec ułamka, początek ułamka, jeden, mianownik, cztery, koniec ułamka, początek ułamka, dwa, mianownik, pięć, koniec ułamka, początek ułamka, cztery, mianownik, pięć, koniec ułamka, początek ułamka, dwa, mianownik, trzy, koniec ułamka, początek ułamka, trzy, mianownik, cztery, koniec ułamka. Polecenie: W sekretariacie stoją trzy telefony, które dzwonią niezależnie od siebie. Prawdopodobieństwo, że między godziną osiem, podzielić na, zero a dziewięć, podzielić na, zero zadzwoni pierwszy telefon jest równe początek ułamka, jeden, mianownik, trzy, koniec ułamka, że zadzwoni drugi telefon jest równe początek ułamka, jeden, mianownik, cztery, koniec ułamka, że zadzwoni trzeci jest równe początek ułamka, jeden, mianownik, pięć, koniec ułamka. Oblicz prawdopodobieństwo zdarzenia A – między godziną osiem, podzielić na, zero a dziewięć, podzielić na, zero zadzwonią dokładnie dwa telefony i zdarzenia B – nie zadzwoni żaden telefon.
Uzupełnij rozwiązanie zadania, przeciągając odpowiednie liczby. P nawias, A, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, trzy, koniec ułamka, razy luka do uzupełnienia razy, początek ułamka, cztery, mianownik, pięć, koniec ułamka, plus, początek ułamka, jeden, mianownik, trzy, koniec ułamka, razy luka do uzupełnienia razy, początek ułamka, jeden, mianownik, pięć, koniec ułamka, plus luka do uzupełnienia razy, początek ułamka, jeden, mianownik, cztery, koniec ułamka, razy, początek ułamka, jeden, mianownik, pięć, koniec ułamka, równa się luka do uzupełnienia

P nawias, B, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, dwa, mianownik, trzy, koniec ułamka, razy, początek ułamka, trzy, mianownik, cztery, koniec ułamka, razy luka do uzupełnienia równa się luka do uzupełnienia
2
Ćwiczenie 6

Rzucamy jednocześnie trzema kostkami do gry. Oznaczmy przez A zdarzenie polegające na tym, że na każdej kostce wypadła nieparzysta liczba oczek, przez B zdarzenie polegające na tym, że suma liczb oczek, które wypadły na trzech kostkach jest równa 5. Wykaż, że zdarzenia AB są zależne.

RYwfwSD8v5F2t3
Ćwiczenie 7
Ze zbioru nawias klamrowy, minus, cztery, przecinek, minus, trzy, przecinek, minus, dwa, przecinek, minus, jeden, przecinek, jeden, przecinek, dwa, przecinek, trzy, przecinek, cztery, przecinek, pięć, przecinek, sześć, zamknięcie nawiasu klamrowego losujemy dwie liczby ze zwracaniem. Niech A oznacza zdarzenie, że pierwsza wylosowana liczba jest ujemna, B – druga wylosowana liczba jest podzielna przez dwa. Sprawdź, czy zdarzenia A i B są niezależne.
Poukładaj w odpowiedniej kolejności rozwiązanie zadania.

Obliczamy moc zbioru zdarzeń elementarnych. Elementy do uszeregowania: 1. P nawias, A, zamknięcie nawiasu, razy, P nawias, B, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, dwa, mianownik, pięć, koniec ułamka, razy, początek ułamka, jeden, mianownik, dwa, koniec ułamka, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, pięć, koniec ułamka, 2. Wyznaczamy liczbę zdarzeń sprzyjających zajściu zdarzenia A., 3. wartość bezwzględna z, A iloczyn zbiorów B, koniec wartości bezwzględnej, równa się, cztery, razy, pięć, równa się, dwadzieścia, 4. wartość bezwzględna z, B, koniec wartości bezwzględnej, równa się, dziesięć, razy, pięć, równa się, pięćdziesiąt, 5. Wyznaczamy liczbę zdarzeń sprzyjających zajściu zdarzenia A iloczyn zbiorów B., 6. Wyznaczamy prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia A iloczyn zbiorów B., 7. P nawias, A iloczyn zbiorów B, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, dwadzieścia, mianownik, sto, koniec ułamka, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, pięć, koniec ułamka, 8. Formułujemy wniosek: zdarzenia A i B są niezależne., 9. Wyznaczamy prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia A., 10. Porównujemy wyznaczone prawdopodobieństwa., 11. Wyznaczamy iloczyn prawdopodobieństwa zajścia zdarzenia A przez prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia B., 12. wartość bezwzględna z, A, koniec wartości bezwzględnej, równa się, cztery, razy, dziesięć, równa się, czterdzieści, 13. Wyznaczamy prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia B., 14. P nawias, A, zamknięcie nawiasu, razy, P nawias, B, zamknięcie nawiasu, równa się, P nawias, A iloczyn zbiorów B, zamknięcie nawiasu, 15. P nawias, A, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, czterdzieści, mianownik, sto, koniec ułamka, równa się, początek ułamka, dwa, mianownik, pięć, koniec ułamka, 16. wartość bezwzględna z, OMEGA, koniec wartości bezwzględnej, równa się, dziesięć indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, równa się, sto, 17. P nawias, B, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, pięćdziesiąt, mianownik, sto, koniec ułamka, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, dwa, koniec ułamka, 18. Wyznaczamy liczbę zdarzeń sprzyjających zajściu zdarzenia B.
3
Ćwiczenie 8

Wykaż, że jeżeli AΩ, BΩ, PB>0, PB'>0PA/B=PA/B' to zdarzenia AB są niezależne.

Słownik

zdarzenia losowe niezależne
zdarzenia losowe niezależne

zdarzenia AΩ, BΩ nazywamy niezależnymi wtedy i tylko wtedy, gdy

PAB=PA·PB