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01 事件与概率 ​

本章把随机现象翻译成集合问题,再在有限等可能模型下用计数求概率。讲义中配对问题、生日问题、二项分布和超几何分布都是这一章的核心例子。

1. 随机试验、样本空间与事件 ​

随机试验的特点:

  • 可以在相同条件下重复。
  • 每次结果事先不能确定。
  • 所有可能结果在试验前可以描述。

样本空间记为 Ω,它的元素 ω 称为样本点。事件是样本空间的子集,记为 A,B,…。

常用事件运算:

语言集合表达含义
A 发生ω∈A结果属于 A
非 AAcA 不发生
A 且 BA∩B两者同时发生
A 或 BA∪B至少一个发生
A 蕴含 BA⊂BA 发生则 B 发生
互不相容A∩B=∅不能同时发生

De Morgan 公式:

(A∪B)c=Ac∩Bc,(A∩B)c=Ac∪Bc.

对事件列 {An}:

(⋃n=1∞An)c=⋂n=1∞Anc,(⋂n=1∞An)c=⋃n=1∞Anc.

2. 概率的基本性质 ​

概率是事件的数值化刻画。初等阶段可以先记住三条:

0≤P(A)≤1,P(Ω)=1,A∩B=∅⇒P(A∪B)=P(A)+P(B).

由此推出:

P(Ac)=1−P(A).

若 A⊂B,则:

P(B−A)=P(B)−P(A),P(A)≤P(B).

两个事件的加法公式:

P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B).

有限个事件的容斥公式:

P(⋃i=1nAi)=∑iP(Ai)−∑i<jP(Ai∩Aj)+∑i<j<kP(Ai∩Aj∩Ak)−⋯+(−1)n+1P(⋂i=1nAi).

上界常用并集界:

P(⋃i=1nAi)≤∑i=1nP(Ai).

这个不等式在估计“至少一个坏事件发生”的概率时非常常用。

3. 古典概型 ​

古典概型的两个条件:

  • Ω 有限。
  • 每个样本点等可能。

于是:

P(A)=|A||Ω|.

古典概型的解题核心不是概率公式,而是把 |Ω| 和 |A| 数对。

基本计数方法:

方法公式使用场景
加法原理m+n分类互斥
乘法原理mn分步完成
排列Pnk=n!(n−k)!有顺序抽取
组合Cnk=(nk)=n!k!(n−k)!无顺序抽取
可重复排列nk每步有 n 种选择
多项分配n!n1!⋯nr!分成 r 类,类内无序

选择样本空间时要让“等可能”成立。比如抽牌问题中,“先抽第一张再抽第二张”的有序样本空间和“直接抽两张”的无序样本空间都可以,但分子分母必须使用同一套空间。

4. 配对问题 ​

典型问题:n 个人各自有一顶帽子,随机打乱后发回,求没有人拿到自己帽子的概率。

样本空间大小:

|Ω|=n!.

设 Ai 为第 i 个人拿到自己帽子。没有人拿对是:

⋂i=1nAic.

错排数记为 Dn。由容斥公式:

Dn=n!∑k=0n(−1)kk!.

所以没有人配对成功的概率为:

P(无人拿对)=Dnn!=∑k=0n(−1)kk!→e−1.

至少一人拿对:

P(至少一人拿对)=1−Dnn!→1−e−1.

题型要点:

  • “至少一个”常用补事件。
  • “恰好 r 个拿对”先选出拿对的人,再让其余人错排:
P(恰好 r 人拿对)=(nr)Dn−rn!.

5. 生日问题 ​

典型问题:n 个人生日独立且均匀分布在 365 天,求至少两人同生日的概率。

补事件是所有生日都不同:

P(生日全不同)=365⋅364⋯(365−n+1)365n=(365)n365n.

因此:

P(至少两人同生日)=1−(365)n365n.

当 n 不太大时,可以用近似:

(365)n365n=∏k=0n−1(1−k365)≈exp⁡(−n(n−1)2⋅365).

所以至少两人同生日的近似概率:

P(至少两人同生日)≈1−exp⁡(−n(n−1)730).

这个问题的直觉陷阱是低估“配对数量”。n 个人之间有 (n2) 对,只要任意一对相同就发生事件。

6. 二项分布 ​

如果试验重复 n 次,每次成功概率为 p,失败概率为 q=1−p,且各次独立,则成功次数 ξ 满足二项分布:

P(ξ=k)=(nk)pkqn−k,k=0,1,…,n.

记作:

ξ∼B(n,p).

二项分布来自“有放回、独立、每次两种结果”的模型。

归一化检查:

∑k=0n(nk)pkqn−k=(p+q)n=1.

常见题型:

  • 恰好成功 k 次。
  • 至少成功一次: 1−qn。
  • 成功次数落在区间: ∑k=ab(nk)pkqn−k。
  • 用二项分布近似抽样概率,前提是总体大、抽样比例小。

7. 超几何分布 ​

总体中有 N 个对象,其中 M 个为“成功类”,不放回抽取 n 个,抽中成功类个数为 ξ,则:

P(ξ=k)=(Mk)(N−Mn−k)(Nn).

取值范围要同时满足:

max(0,n−(N−M))≤k≤min(n,M).

记作:

ξ∼H(N,M,n).

超几何分布来自“不放回、抽样之间相关”的模型。

和二项分布的区别:

模型抽样方式每次成功概率分布
二项分布有放回或独立重复不变B(n,p)
超几何分布不放回会改变H(N,M,n)

当 N 很大、n/N 很小时,超几何分布可近似为二项分布:

H(N,M,n)≈B(n,MN).

8. 事件题的标准路线 ​

  1. 明确随机试验。
  2. 选择样本空间,检查等可能。
  3. 把目标事件写成集合运算。
  4. 判断用直接计数、补事件、容斥还是递推。
  5. 写出分子分母,并检查取值范围。

常用判断:

  • 看到“至少一个”,优先考虑补事件。
  • 看到“没有任何一个”,考虑容斥或错排。
  • 看到“恰好 k 个”,考虑先选位置,再安排剩余对象。
  • 看到“不放回”,优先考虑组合和超几何。
  • 看到“独立重复”,优先考虑二项分布。

9. 本章易错点 ​

  • 样本空间不等可能。例如“两枚骰子点数和为 2,…,12”不是等可能样本空间。
  • 有序和无序混用。分子用排列、分母用组合会导致错误。
  • 忘记取值范围。超几何分布的 k 不能只写 0≤k≤n。
  • “至少一个”直接相加。事件不互斥时不能简单相加。
  • 错排问题中, Dn 不是 n!−n。

10. 本章小结 ​

第 1 章建立的是概率论的入口语言:随机试验给出样本空间,事件是样本空间的子集,概率是事件的数值。古典概型把概率问题转为计数问题,而配对问题和生日问题说明了补事件、容斥和近似估计的威力。二项分布与超几何分布则是后续随机变量分布的两个最早模型。