看狗的烦恼:一道概率热身题

原标题The Perils of Dogsitting: A Probability Warm-Up

Sawyer 提出一道为期五晚的看狗谜题,并用硬币和骰子复习独立事件、重叠事件与补事件。

SaSawyer讲者 · Jane Street
频道
Jane Street
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2020年6月6日
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6:50
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幻灯片
4
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英语
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摘要

30 秒看懂

在 Real Numbers 第一集中,Sawyer 提出一个问题:照看一只贵宾犬时,如果它每晚独立地以 2/3 的概率叫醒看护者,那么至少有两晚睡眠不受打扰的概率是多少?他将谜题留给观众,并用硬币和骰子复习解决问题所需的概率规则。

  1. 1与 Fluffy 共度五晚Fluffy 每晚独立地以 2/3 的概率叫醒看护者。题目要求计算五晚中至少有两晚睡个整觉的概率。
  2. 2独立事件的概率相乘公平硬币出现正面且公平骰子掷出 1 的联合概率为 1/2 × 1/6 = 1/12。
  3. 3互斥事件的概率相加一次掷骰不可能同时得到 5 和 6,因此两者概率之和为 1/3。
  4. 4减去重叠部分掷出正面或骰子出现 1 的概率为 1/2 + 1/6 − 1/12 = 7/12。
  5. 5使用补事件同一概率也等于 1 减去出现反面且骰子不是 1 的概率,结果同样是 7/12。

要点建议

  1. 独立事件同时发生的概率可以将各自概率相乘。
  2. 互斥事件的概率可以相加。
  3. 对有重叠的事件,应减去一次交集以避免重复计算。
  4. 事件发生的概率等于 1 减去其补事件的概率。
  5. 看狗问题需要考虑五个夜晚各自独立的结果。
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01

看狗挑战

Sawyer 问五晚中至少有两晚睡个整觉的概率。狗每晚独立地以 2/3 的概率叫醒看护者。

欢迎来到 Real Numbers,这是一档通过分析和解决现实问题来探索数学的每周节目。我是 Sawyer。每一集都会提出一道本周问题;下一集我们会讨论不同的解法。

你的朋友要离开五晚,请你照看他的贵宾犬 Fluffy。等朋友远行后,你才知道 Fluffy 在三分之二的夜晚会叫醒你,要求出去散步。假设每晚的情况相互独立:五晚中你至少有两晚睡个整觉的概率是多少?提交答案时请展示解题过程。

五晚看狗问题
幻灯片 1 / 4五晚看狗问题题目给出每晚独立的 2/3 叫醒概率,询问至少有两晚睡个整觉的概率。

本集接下来的内容复习概率,也就是研究随机或不确定事件的数学。它与统计学、组合数学和离散数学有关,为我们提供了一种对未知未来的问题建模的方法。

02

独立事件与互斥事件

公平硬币和骰子说明独立性与乘法规则。同一骰子的互斥结果则说明加法规则。

考虑一枚公平硬币和一颗公平骰子。正面和反面出现的概率各为 1/2;骰子六个数字中每个出现的概率都是 1/6。如果同时抛硬币和掷骰子,得到正面且掷出 1 的概率是多少?

这两个事件相互独立:得知其中一个结果,不会改变另一个的概率。例如,揭示硬币是反面不会改变骰子结果的分布。因此,我们将正面和掷出 1 的概率相乘:1/2 × 1/6 = 1/12。

现在来问下一次掷骰得到 5 或 6 的概率。这两个事件互斥:一次掷骰不可能同时得到两个数字。把它们的概率相加,得到 1/6 + 1/6 = 1/3。

03

重叠事件与补事件

维恩图解释了为什么必须减去交集。补事件提供了得到同一结果的另一种方法。

正面或掷出 1 的情况不同,因为两个事件可以同时发生。对于任意事件 A 和 B,P(A 或 B) = P(A) + P(B) − P(A 且 B)。维恩图说明了原因:将两个圆的概率相加,会把重叠区域计算两次,因此必须减去一次。

两个事件的加法规则
幻灯片 2 / 4两个事件的加法规则公式从各自概率之和中减去交集的概率。
维恩图中的重叠事件
幻灯片 3 / 4维恩图中的重叠事件图中展示了硬币正面和骰子掷出 1 的重叠部分;如果不减去,它会被计算两次。

对于硬币和骰子,结果是 1/2 + 1/6 − 1/12 = 7/12。还可以使用补事件来计算:对于任意事件 A,P(非 A) = 1 − P(A),因为 A 和非 A 中恰好有一个会发生。

计算补事件
幻灯片 4 / 4计算补事件用 1 减去掷出反面且骰子不是 1 的概率,得到 7/12。

“正面或掷出 1”的补事件是“反面且掷出的数字不是 1”。根据独立性,P(正面或 1) = 1 − (1/2 × 5/6) = 7/12,与第一种方法的结果一致。

04

试着解题

Sawyer 回到五晚的挑战,邀请观众展示解题过程。答案留待下一集讨论。

请仔细运用这些规则解决本周问题:如果 Fluffy 每晚独立地以 2/3 的概率叫醒你,那么五晚中至少有两晚不受打扰的概率是多少?祝你解题顺利,记得展示过程。我们下周会讨论一种解法。

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