Verjetnostni račun - teorija

Verjetnostni račun - teorija

Avtor: Skupina NAUK

Učni cilji: Spoznati osnovne pojme verjetnostnega računa. Spoznati različne verjetnosti, razlikovati med njimi in jih primerjati. Uporabljati definicijo matematične verjetnosti. Računati verjetnosti dogodkov.

Osnovni pojmi verjetnostnega računa

Glavni pojem verjetnostnega računa je dogodek. Dogodek je tisto, kar se zgodi ali pa ne zgodi, ko delamo nek poskus. Poskus je dejanje, možni izidi (rezultati) tega dejanja pa so dogodki. Ko se poskus konča, so se nekateri dogodki zgodili, nekateri pa ne. Če poskus ponavljamo, lahko štejemo, kateri dogodki in kolikokrat se zgodijo.

Primer dogodka:

Ko mečemo kovanec, lahko ta pristane s cifro ali grbom navzgor. Možna sta torej dva dogodka, cifra in grb. Izberemo si recimo dogodek "kovanec pristane s cifro navzgor". Ko mečemo kovanec, se ta dogodek lahko zgodi (pade cifra) ali pa se ne zgodi (pade grb). Če mečemo kovanec večkrat zaporedoma, lahko štejemo, kolikokrat se zgodi dogodek "pade cifra".

Metu kovanca iz primera rečemo poskus. Poskus je neko dejanje, ki ga naredimo. Pomembno je, da se poskus vedno zgodi pod istimi pogoji. To je pomembno zato, da lahko poskus ponavljamo in štejemo dogodke. Če bi se pogoji spremenili, potem bi bil to drugačen poskus.

Že preden izvedemo poskus nas lahko zanima, ali se bo izbrani dogodek zgodil ali ne. Številu, ki nam to pove, rečemo verjetnost dogodka. To število lahko dobimo na različne načine, ki si jih bomo ogledali v nadaljevanju.

NEKAJ PRIMEROV

Met kocke

Primer

Vlečenje karte iz kupa

Primer

(roka_kovanec.png)

Mečemo kocko, ki ima na stranicah od 1 do 6 pik. Poskus je met kocke. Da bo poskus vedno enak, ne smemo spreminjati pogojev. Pogoji so na primer nagnjenost mize, ista kocka. Možni dogodki so na primer "pade 5 pik", "pade sodo število pik", "kocka pade z mize", "kocka se ustavi na robu". Izberemo si enega izmed vseh možnih dogodkov in gledamo, ali se v poskusu zgodi. Izberemo si recimo dogodek "pade 5 pik". Če je padlo 5 pik, se je dogodek zgodil, če ne, se dogodek ni zgodil.

Imamo kup 52 igralnih kart. Poskus je vlečenje ene karte iz kupa. Primer dogodka je "izvlečemo pikovega kralja".

Dogodki in množice

Dogodke si lahko predstavljamo kot množice.

Izvajamo poskus met kocke. "Padejo 3 pike" je dogodek. Ta dogodek si lahko predstavljamo kot množico z enim elementom, elementom 3 pike. Tako kot množice označujemo z velikimi tiskanimi črkami z začetka abecede, A, B, C, ..., tako tudi dogodke označujemo na enak način. Rečemo lahko torej, "pade 3 pike" je dogodek A in potem namesto "zgodil se je dogodek 'pade 3 pike'", lahko rečemo zgodil se je dogodek A.

(elementarni_dogodek.png)
Elementarni dogodek A
(sestavljeni_dogodek.png)
Sestavljeni dogodek B

Dogodek v istem poskusu je tudi "pade sodo število pik". Tudi ta dogodek lahko ponazorimo z množico, le da ima tukaj množica več elementov, element 2 piki, element 4 pike in element 6 pik.

Dogodek, ki ga lahko ponazorimo samo kot množico z enim elementom, imenujemo elementaren dogodek. Dogodek, ki ga lahko ponazorimo kot množico z več elementi, imenujemo sestavljen dogodek.

Primeri elementarnih dogodkov:

  • število pik na kocki (6 elementarnih dogodkov),
  • določena karta (toliko elementarnih dogodkov, kolikor je različnih kart v kupu).

PREMISLITE

Kako dobimo sestavljen dogodek?

Odgovor

Kaj so elementarni in sestavljeni dogodki pri metu dveh kock?

Odgovor

Množica, ki predstavlja sestavljen dogodek, je unija več množic, ki predstavljajo elementarne dogodke.

(elem_sest.png)
Z unijo elementarnih dogodkov dobimo sestavljen dogodek.

Zaporedoma vržemo dve kocki. Zapišimo možne elementarne dogodke. Prvo število v paru predstavlja število pik na prvi kocki, drugo število pa število pik na drugi kocki.

Elementarni dogodki: 11, 12, 21, 13, 31, ... , 56, 65, 66.

Primer sestavljenega dogodka je dogodek , da "na obeh kockah pade enako število pik". Ta dogodek je sestavljen iz elementarnih dogodkov

Poglejmo še dogodek , da "na prvi kocki padejo 3 pike in na drugi 4 pike". Ta dogodek je elementaren, ker se lahko zgodi na samo en način



Če bi kocki metali sočasno, potem bi se dogodek glasil "na eni kocki padejo 3 pike in na drugi 4 pike", ker pri sočasnem metu ne poznamo vrstnega reda. V tem primeru bi bil dogodek sestavljen, saj bi se lahko zgodil na dva načina

Računanje z dogodki

Dogodke A, B, C, ... lahko med seboj kombiniramo in tako dobimo nove dogodke.

Vsota dogodkov:

Vsota dveh dogodkov je dogodek, ki se zgodi, če se zgodi vsaj en od dogodkov. Vsoto dogodkov A in B označimo

Produkt dogodkov:

Produkt dveh dogodkov je dogodek, ki se zgodi, če se zgodita oba dogodka hkrati v istem poskusu. Produkt dogodkov A in B označimo

Nasprotni dogodek:

Nasprotni dogodek k dogodku A je dogodek, ki se zgodi, če se dogodek A ne zgodi. Nasprotni dogodek k dogodku A označimo

Zgled:

Mečemo kocko. Dogodek A je, da pade 5 pik, dogodek B je, da pade 6 pik, dogodek C je pade praštevilo pik, dogodek D je, da pade sodo število pik.

PREMISLITE

Kateri operaciji med množicami je podobna vsota dogodkov?

Odgovor

Kateri operaciji med množicami je podoben produkt dogodkov?

Odgovor

Kakšna je povezava med vsoto dogodkov in sestavljenim dogodkom?

Odgovor

Vsoto dogodkov lahko ponazorimo z unijo množic.

Produkt dogodkov lahko ponazorimo s presekom množic.

Sestavljen dogodek je dogodek, ki se da zapisati kot vsota dogodkov.

Posebni dogodki

Običajno gledamo dogodek, ki se lahko zgodi ali pa ne zgodi. Imamo pa tudi dogodke, ki se vedno zgodijo, in dogodke, ki se nikoli ne zgodijo.

Dogodek, ki se vedno zgodi, imenujemo gotov dogodek. Pri metu kocke je gotov dogodek recimo "pade število pik, ki je večje od 0". Dogodek, ki se nikoli ne zgodi, imenujemo nemogoč dogodek. Pri metu ene kocke je nemogoč dogodek recimo "pade 7 pik". Dogodek, ki se včasih zgodi, včasih pa ne, imenujemo slučajen dogodek. Pri metu kocke je slučajen dogodek recimo "pade 5 pik".

(nemogoca1.png) (nemogoca2.png)


Posebne dogodke imamo tudi, kadar gledamo dva dogodka. Običajno dva dogodka v enem poskusu nista povezana, včasih se zgodita hkrati, včasih ne. Imamo pa posebne pare dogodkov, ki so vedno, ko naredimo poskus, v isti relaciji (torej, da se vedno zgodita hkrati ali nikoli ne zgodita hkrati).

Dogodka, ki se nikoli ne zgodita hkrati, imenujemo nezdružljiva dogodka. Če bi to izrazili z množicami, bi napisali, da je njun presek prazen Pri metu ene kocke se dogodka "pade 5 pik" in "pade 6 pik" nikoli ne zgodita hkrati.

PREMISLITE

Naštejte kakšen gotov dogodek pri metu kovanca!

Odgovor

Naštejte kakšen nemogoč dogodek pri vlečenju dveh kart iz običajnega kompleta!

Odgovor

Pri metu kovanca se lahko zgodita dva elementarna dogodka, "pade grb" ali "pade cifra". Nikoli se ne zgodita hkrati, se pa vedno zgodi eden od njiju. Gotov dogodek je torej "pade grb ali cifra". To je sestavljen dogodek.

Pri vlečenju dveh kart hkrati je nemogoč dogodek recimo "izvlečemo dve karini dami". V običajnem kompletu kart so vse karte različne, zato ne moremo izvleči dveh enakih kart.

Seveda pa bi se ta dogodek lahko zgodil, če bi vlekli karte zaporedoma in izvlečene karte vračali na kup. Potem dogodek "izvlečemo dve karini dami" ne bi bil nemogoč dogodek.

Vidimo lahko, da so gotovi in nemogoči dogodki zelo odvisni od poskusa, ki ga izvajamo.

Verjetnost dogodka

Verjetnost dogodka je število, ki nam pove, ali se bo dogodek zgodil ali ne oziroma koliko možnosti imamo, da se bo dogodek v enem poskusu zgodil.

Verjetnost označujemo z veliko črko . Verjetnost dogodka zapišemo kot

Primer:

Mečemo kocko. Kolikšna je verjetnost dogodka , da "padejo 4 pike"?

Verjetnost dogodka je


Število lahko dobimo na dva različna načina, ki si ju bomo ogledali v nadaljevanju. Ena metoda določanja verjetnosti je statistična, druga pa matematična. Poglejmo torej, kako izračunamo in kakšno je sploh lahko to število.

PREMISLITE

Zakaj označujemo verjetnost s črko ?

Odgovor

Črka P je začetna črka latinske besede probabilitas, kar pomeni verjetnost.

Statistična definicija verjetnosti

Poskus velikokrat ponovimo in štejemo, kolikokrat se je dogodek zgodil. Verjetnost dogodka je razmerje med številom, kolikokrat se je dogodek zgodil in številom poskusov:




Zgled:

Kovanec mečemo 20-krat. Cifra je padla v 8 poskusih. Statistična verjetnost dogodka "pade cifra" je

PREMISLITE

Ali je statistična verjetnost dogodka vedno enaka?

Odgovor

Statistična verjetnost dogodka se spreminja s številom poskusov, ki jih izvedemo. Poglejmo konkreten primer. Po 20 metih kovanca dobimo naslednje zaporedje cifer (C) in grbov (G): C G C G G C G G C C G G G C G C G C G G.

  • Če bi pogledali statistično verjetnost po prvem poskusu, bi dobili
  • Če bi pogledali statistično verjetnost po dveh poskusih, bi dobili
  • ...
  • Če bi pogledali statistično verjetnost po desetih poskusih, bi dobili

Matematična definicija verjetnosti

Preštejemo vse elementarne dogodke poskusa. Verjetnost dogodka je razmerje med številom zanj ugodnih elementarnih dogodkov in med številom vseh elementarnih dogodkov:




Zgled 1:

Kovanec ima dva elementarna dogodka, cifra in grb. Število ugodnih elementarnih dogodkov za to, da "pade cifra", je 1. Število vseh elementarnih dogodkov je 2. Matematična verjetnost, da pade cifra je



Zgled 2:

V posodi imamo 3 bele, 4 rdeče in 2 črni kroglici. Hkrati izvlečemo 4 kroglice. Kolikšna je verjetnost dogodka , da "izvlečemo 2 beli, 1 rdečo in 1 črno kroglico"?



Najprej moramo izračunati, koliko je za dogodek ugodnih dogodkov () in koliko je vseh možnih dogodkov ():

Ko imamo ta dva podatka, pa samo še uporabimo formulo za računanje verjetnosti:

PREMISLITE

Zakaj se statistična in matematična verjetnost istega dogodka razlikujeta?

Odgovor

Kako dobimo število ugodnih in vseh dogodkov?

Odgovor

Statistična verjetnost se računa glede na število ugodnih dogodkov v nekem zaporedju poskusov. To število se spreminja s številom poskusov, zato se tudi statistična verjetnost spreminja. Matematična verjetnost dogodka pa je vedno enaka. Zato se ti dve števili razlikujeta.

Če bi naredili dovolj veliko število poskusov, bi se statistična verjetnost dogodka izenačila z matematično verjetnostjo.

Število ugodnih dogodkov in število vseh dogodkov izračunamo s pomočjo kombinatoričnih pravil in formul.

Preden v zgledu 2 lahko izračunamo verjetnost dogodka A, lahko to nalogo razdelimo na dve kombinatorični nalogi:

  • Na koliko načinov lahko izmed 3 belih, 4 rdečih in 2 črnih izberemo 2 beli, 1 rdečo in 1 črno kroglico ()?
  • Na koliko načinov lahko izmed 9 kroglic izberemo 4 kroglice ()?

Lastnosti verjetnosti

Verjetnost dogodka je realno število med 0 in 1:

Posebni dogodki imajo tudi posebne verjetnosti:

  • verjetnost nemogočega dogodka je 0:
  • verjetnost gotovega dogodka je 1:
  • verjetnost nasprotnega dogodka dogodku A je 1 - verjetnost dogodka A:
  • verjetnost vsote dveh dogodkov A in B je:



Zgled 1:

V posodi imamo 10 kroglic, 6 je belih, 4 so črne. Izvlečemo 4 kroglice hkrati. Kolikšna je verjetnost, da je vsaj ena kroglica črna?


(kocka_zoga4.png)


Zgled 2:

Imamo komplet 52 kart. Kolikšna je verjetnost, da potegnemo srčevo karto ali asa?

PREMISLITE

Zakaj verjetnost dogodka ne more biti večja od 1?

Odgovor

Kakšna je verjetnost vsote dveh dogodkov, če sta dogodka nezdružljiva?

Odgovor

Kdaj računamo verjetnost dogodka po formuli za verjetnost nasprotnega dogodka?

Odgovor

Verjetnost dogodka računamo tako, da vzamemo razmerje med ugodnimi in vsemi dogodki. Ugodnih dogodkov je manj ali enako kot vseh dogodkov, zato je to razmerje število, ki je manjše od 1.

Nezdružljiva dogodka se ne moreta zgoditi hkrati, njun produkt je To pomeni, da je verjetnost njunega produkta Torej je

Verjetnost dogodka računamo po formuli za verjetnost nasprotnega dogodka takrat, kadar je to hitrejše kot po formuli za verjetnost vsote dogodkov.

Poglejmo primerjavo kar na zgledu 1 iz prejšnje strani: V posodi imamo 10 kroglic, 6 je belih, 4 so črne. Izvlečemo 4 kroglice hkrati. Kolikšna je verjetnost, da je vsaj ena kroglica črna?

Računanje po formuli za verjetnost nasprotnega dogodka:

Računanje po formuli za verjetnost vsote dogodkov:

0%
0%