Теоретическая и экспериментальная вероятность
Навигация
Что вы узнаете
  • Что такое вероятность с разных точек зрения: с субъективной, экспериментальной и теоретической
  • Научитесь решать простые задачи на вероятности
  • Расширите своё понимание вероятностей
  • Узнаете, что такое ожидаемое число успехов, и научитесь его вычислять
Одним словом, вы познакомитесь с понятием «вероятность» и научитесь выбирать подходящий метод расчёта вероятностей в зависимости от ситуации, а также применять вероятность в жизни.
Quiz перед уроком
Ответьте на вопросы, чтобы вспомнить базовые навыки:
Умеете делить числа?
Введение
Вероятность - это синоним слова шанс. Вероятность - это мера возможности того, что определённое событие произойдёт. Вероятность имеет три основных вида:

  1. субъективная,
  2. экспериментальная,
  3. теоретическая.
1. Субъективная вероятность
Когда мы говорим о вероятностях в повседневной жизни, мы в основном опираемся на свой субъективный опыт и общие соображения, а не на строгие вычисления. Например, когда оцениваем вероятность дождя, мы смотрим на приметы: насколько облачно, как ощущается воздух, как низко летят птицы и так далее. И на основании этого делаем вывод "скорее всего будет дождь" или "дождя скорее всего не будет".
Опр 1. Субъективная вероятность — это субъективная или интуитивная оценка возможности наступления события.

Такая вероятность отличается от других видов вероятности тем, что может сильно варьироваться от человека к человеку. Два разных человека, исходя из своего опыта и убеждений, могут по-разному оценивать шансы одних и тех же событий.
Пример 1.1.

Порефлексируйте о том, насколько вероятны следующие события:

A. Следующим победителем чемпионата мира по футболу будет сборная Англии.
B. Люди организуют колонию на Марсе к 2040 году.
C. Завтра не будет дождя.
D. Случайно выбранная цифра в десятичной записи дроби $\frac{1}{11}$ окажется 9.
E. В период с 2030 по 2050 на Земле не будет вооружённых конфликтов между странами.
F. Стоимость 1 биткоина достигнет отметки \$1 000 000 к 2030 году.

Оцените вероятности по шкале от $0$ до $1$, где:
$0$ — невероятное событие,
$1$ — событие точно произойдёт,
$0.5$ — событие настолько же вероятно, как и невероятно (как орёл и решка).
0 Невероятно 0.5 50/50 1 Достоверно
0 Невероятно 0.5 50/50 1 Достоверно E A B D F C
Сравните свои оценки с оценками других людей. Предложите друзьям и близким тоже оценить эти вероятности и обсудите результаты. Вы можете заметить, что ваши числа отличаются от оценок других.

Вопрос для размышления: Чьи оценки оказались ближе всего к вашим и почему?
2. Экспериментальная вероятность
Экспериментальная вероятность (ее еще называют статистической или эмпирической) определяется на основе реальных наблюдений и экспериментов.

Давайте введем необходимые понятия, чтобы понимать о чем идет речь:
Опр 2.

  • Эксперимент (experiment) - опыт, некоторое действие, процедура, наблюдение, которое можно повторять. Сложный эксперимент может состоять из нескольких других экспериментов.
  • Попытка (trial) - единичное проведение эксперимента. Например, один бросок монеты - это одна попытка.
  • Исход (outcome) - возможный результат одного эксперимента. Орел и решка - два исхода броска монеты.
  • Событие (event) - конкретный исход или набор исходов, которые нас интересуют. Например, событие "выпало четное число" при броске игральной кости.
  • Пространство исходов (sample space) - множество всех возможных исходов эксперимента (обозначается как $U$ или $\Omega$). При броске монеты $\{\text{орел}, \text{решка}\}$ - множество всех исходов.

Давайте разберемся с тем, что такое экспериментальная вероятность на конкретном примере.
Пример 2.1.

Возьмём необычную двенадцатигранную игральную кость (додекаэдр) с гранями, пронумерованными от 1 до 12. Проведём эксперимент: поместим этот кубик в стакан, потрясем, опрокинем и посмотрим на выпавшее число. Этот эксперимент достаточно эффективен и исключает какое-либо влияние на результат, чистая случайность, рандом.

Повторим эксперимент $100$ раз, то есть у нас будет $100$ попыток, и посмотрим какие числа выпадают. В результате мы заметим, что может выпасть любое число от $1$ до $12$, то есть всего $12$ возможных исходов. Эти исходы формируют пространство исходов - множество $\{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12\}$.

Мы также можем уточнить, что нас интересует какое-то конкретное событие, например $A$ = "выпало простое число" или $B$ = "выпало четное число". Событие $A$ состоит из чисел $\{2, 3, 5, 7, 11\}$, а событие $B$ из чисел $\{2, 4, 6, 8, 10, 12\}$.

Если мы хотим записать вероятность этих событий математически, то мы можем сделать это так $P(\text{выпало простое число})$, $P(\text{выпало четное})$ или вот так $P(A)$, $P(B)$, где $A=\{2, 3, 5, 7, 11\}$ и $B=\{2, 4, 6, 8, 10, 12\}$.

Попробуйте приблизительно оценить, насколько часто будет появляться каждая грань двенадцатигранного кубика из нашего примера.

Часто в таких задачах на игральные кости, кубики, монеты, вероятности всех исходов принимаются одинаковыми. В таком случае обычно пишут, что кубик, кость, монета - симметричные или честные (fair). Однако эксперимент может показать отклонения.

Такое возможно, если кубик несбалансирован, тогда некоторые грани будут выпадать статистически чаще. Или просто так совпало, что в результате именно вашего эксперимента, в результате случайностей, даже при симметричности кубика, какие-то грани выпадают чаще других.

Попробуйте подбросить монетку 10 раз. Не обязательно количество выпавших орлов и решек разделится поровну. Скорее всего будет 5 на 5, или 4 на 6, или 6 на 4, может быть даже 3 на 7 или 2 на 8... Строго говоря может быть что угодно. Только вот при увеличении количества проведенных экспериментов вы можете наблюдать, как вероятности стремятся к своим "идеальным" значениям. Чуть позже это продемонстрируем.

Однако, как с помощью эксперимента определить насколько симметричен кубик и как оценить вероятность каждой грани?
Для этого мы должны сделать следующее:

1. Повторить эксперимент с броском кубика $100$ или больше раз
2. Записать результаты в таблицу
3. Посчитать частоту каждого исхода
Опр 3. Относительная частота (экспериментальная вероятность) вычисляется как:
$$
P_{\text{экспериментальная}} = \frac{k}{n},
$$
где $k$ - количество раз которое выполнилось событие $А$ при $n$ повторениях, $n$ = общее число проведенных экспериментов.
Вопросы для размышления:
На практике, если бы кубик был бы не идеальным, то есть имел бы смещенный центр масс, то какие-то из его граней имели бы сильно другие вероятности. Как с бутербродом - обычный кусок хлеба одинаково часто падает на любую сторону, а бутерброд с сыром почти всегда (у меня лично всегда) на сторону с сыром.

Интересно, кто-нибудь рассчитает эту вероятность экспериментально?

Хочется также отметить тот факт, что эксперимент может быть комбинированный, т.е. состоять из нескольких экспериментов.
Пример 2.2.

Рассмотрим эксперимент, состоящий из двух бросков монеты.
Что может выпасть в результате двух бросков?
Как проанализировать этот эксперимент?
Один бросок имеет два исхода: орел и решка.
В нашем случае два броска - это один эксперимент. Значит в результатах будут последовательности из орлов и решек:
- Орел на первом броске, Орел на втором
- Орел на первом броске, Решка на втором
- Решка на первом броске, Орел на втором
- Решка на первом броске, Решка на втором
Эти исходы можно записать коротко, в виде последовательности двух букв (ОО, ОР, РО, РР):
Поставим $100$ таких экспериментов и посмотрим что получится:
Экспериментальная вероятность используется в том числе и для оценки численности популяций различных видов животных.

Дело в том, что мы не всегда имеем возможность выловить всех рыб из водоема, собрать всех птиц в одном месте, посчитать каждую букашку в траве. Однако есть способы как можно обойтись без этого.

Пример 2.3.
Попробуйте сами
3. Теоретическая вероятность
Экспериментальный подход требует проделать много работы - повторять опыты, записывать результаты, рассчитывать вероятности. И не факт, что эксперимент поставлен правильно, то есть на вероятности не влияют дополнительные факторы.

Теоретическая вероятность позволяет рассчитать вероятность события без проведения эксперимента, если мы знаем что все исходы равновероятны.
Опр 4. Теоретическая вероятность определяется как
$$
P(A) = \frac{n(A)}{n(U)},
$$
где:

- $n(A)$ — количество исходов, удовлетворяющих событию $A$
- $n(U)$ — общее число всех возможных исходов эксперимента.
Это определение работает только в случае, когда все исходы эксперимента равновероятны.

Другими словами нам уже незачем повторять эксперимент тысячи раз. Если мы уверены в том, что все исходы имеют одинаковые вероятности, то достаточно найти количество подходящих исходов (успехов) и разделить на общее число исходов.

Продолжим пример с двенадцатигранной костью.

Событие $A$ = "выпало простое число" включает 5 исходов $\{2, 3, 5, 7, 11\}$ из 12 возможных. Если кубик честный, то теоретическая вероятность $P(A) = \frac{5}{12} \approx 0.417 \approx 41.7\%$.

Теперь сделаем $100$ бросков и посмотрим на то, как связаны экспериментальная и теоретическая вероятности события $A$ = "выпало простое число". В таблицу запишем только первые $28$ бросков.
Теперь давайте разберем простые примеры нахождения теоретических вероятностей.
Пример 3.1.
Пример 3.2.
Визуально это можно представить в виде такой таблицы:
Так что даем ответ сразу на два вопроса:
a. Результат - это последовательность чисел $ab$, где $a$ - результат первого броска, $b$ -результат второго.

b. Исходов получается $6 \cdot 6 = 36$, так как существует $6$ вариантов первого числа и $6$ вариантов второго.

c. Можем посмотреть внимательно на таблицу с исходами двух бросков и увидеть, что только $11$ из них содержат хотя бы одну $6$.

Таким образом вероятность $P(\text{хотя бы одна 6})=\frac{11}{36} \approx 0.306$.

d. Сумма двух чисел равна $7$ при следующих исходах: $\{61, 52, 43, 34, 25, 16\}$, их всего 6.
Следовательно $P(\text{сумма 7})=\frac{6}{36} = \frac{1}{6} \approx 0.167$.

Ключевые моменты:

  • Экспериментальная вероятность:
$$
  • P(A)=\frac{\text{количество успешных экспериментов}}{\text{общее количество экспериментов}}
$$
  • Теоретическая вероятность:
$$
  • P(A)=\frac{n(A)}{n(U)},
$$
  • где $n(A)$ - число исходов в событии $A$,  $n(U)$ - общее количество всевозможных исходов эксперимента.
Попробуйте сами
4. Ожидаемое число успехов
Теперь познакомимся с понятием ожидаемого числа успехов. Эта величина показывает, сколько раз в среднем произойдет интересующее нас событие при заданном количестве повторений эксперимента.

Вернемся к нашему примеру с 12-гранной костью. Вероятность выпадения числа $7$ при одном броске равна $\frac{1}{12} \approx 0.0833$. Если вы бросите кость $12$ раз, то можно ожидать, что число $7$ выпадет примерно один раз. Если же мы бросим её $36$ раз, то можно ожидать, что число $7$ выпадет уже $36\cdot\frac{1}{12} = 3$ раза.
Опр 5. Таким образом ожидаемое число успехов находится как $n \cdot P$, где $n$ - количество проведенных экспериментов, $P$ - вероятность успеха события.
Далее будем обозначать ожидаемое число успехов как $E_n$.
Проще говоря, умножаем количество попыток на вероятность успеха. Получаем, сколько успехов можно ожидать в среднем. Разумеется, фактическое число успехов в конкретном опыте может отличаться, но при больших $n$ результат часто оказывается близок к $E_n$.

Что если мы бросим нашу 12-гранную кость $100$ раз, сколько из $100$ раз мы ожидаем увидеть простое число? Мы уже делали таблицу, сделаем ещё раз:
Видно, что простое число выпало $43$ раза, что приблизительно соответствует математически посчитанному ожидаемому числу успехов
$$
E_n = 100\cdot\frac{5}{12} = \frac{125}{3} = 41\frac{2}{3} \approx 41.3.
$$

Пример 4.1
Пример 4.2
Пример 4.3
Консерватория имени П. И. Чайковского собрала статистику частоты посещения концертов в 2023 году.
Данные посещения представлены в таблице ниже:

Попробуйте сами
5. Ключевые моменты по всему уроку
Субъективная вероятность — это субъективная или интуитивная оценка возможности наступления события.
Эксперимент (experiment) - опыт, некоторое действие, процедура, наблюдение, которое можно повторять.
Попытка (trial) - единичное проведение эксперимента.
Исход (outcome) - возможный результат одного эксперимента.
Событие (event) - конкретный исход или набор исходов, которые нас интересуют.
Пространство исходов (sample space) - множество всех возможных исходов эксперимента (обозначается как $U$ или $\Omega$).
Относительная частота (экспериментальная вероятность) вычисляется по формуле:
$$
P = \frac{\text{частота события }A}{\text{общее число экспериментов}}
$$
Вероятность может принимать значения от $0$ до $1$, где $0$ - невероятное событие, $1$ - гарантированное (достоверное) событие.
Сумма вероятностей всех исходов эксперимента всегда равна $1$.
Больше повторений эксперимента = больше точность. Экспериментальная вероятность при увеличении числа повторений будет стремиться к теоретической вероятности.
Теоретическая вероятность определяется как
$$
P(A) = \frac{n(A)}{n(U)},
$$
где:
- $n(A)$ — количество исходов, удовлетворяющих событию $A$
- $n(U)$ — общее число всех возможных исходов эксперимента.
Ожидаемое число успехов вычисляется по формуле $E_n = n \cdot P$, где $n$ - количество проведенных экспериментов, $P$ - вероятность успеха.
6. Упражнения для самостоятельного решения
7. Оцените свое понимание
После завершения этого урока используйте данный чек-лист, чтобы оценить, насколько вы освоили цели урока:
Вопрос: Ознакомившись с чек-листом, чувствуете ли вы себя готовым к следующему разделу? Почему да или почему нет?