הסתברות א. חוקיות ומקרה, כללים יסודיים, ניסוי אחיד
Transcription
הסתברות א. חוקיות ומקרה, כללים יסודיים, ניסוי אחיד
ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל פרק ראשון :הסתברות 1.1חוקיות מקרה והסתברות הבה נניח שעל שולחננו נמצאת סביבון-חץ )= ( rouletteכבציורים הבאים: אדום אדום לבן ירוק מבט אלכסוני לבן צהוב צהוב מבט מלמעלה ירוק סביבון-החץ בנוי מעיגול דיקט המחולק לארבע גזרות .שטח הגזרה הראשונה 1/12של שטח העיגול והיא צבועה לבן ,שטח הגזרה השנייה 5/12של שטח העיגול וצבעה אדום ,השלישית צבעה צהוב ושטחה 1/6של שטח העיגול והרביעית ירוקה ושטחה 1/3של שטח העיגול. 1/12 + 5/12 + 1/6 + 1/3 = 1 במרכז העיגול נעוץ מסמר ,שחודו כלפי מעלה .על חוד המסמר רוכב חץ .במרכז החץ שקערורית, שתפקידה למנוע את נפילת החץ ומכה באצבע יכולה לסובב את החץ. בדיונינו על סביבון החץ נניח שאין בו גבשושיות או מגנטים או גורמים נסתרים אחרים המשפיעים על מקום עצירתו של החץ; נניח שהמכה המסובבת את החץ חזקה די הצורך לגרום לו להסתובב כמה סיבובים לפני שהוא עוצר ,ונתעלם מהאפשרות הנדירה שהחץ יצביע על קו הפרדה באופן שאפילו זכוכית מגדלת לא תאפשר לאבחן סטיה ימינה או שמאלה מקו ההפרדה. כאשר מסובבים את החץ ,כל אחת מארבע התוצאות " -לבן"" ,צהוב"" ,אדום" ו"ירוק" -היא אפשרית ,עם זאת אין לומר שהן אפשריות באותה מידה .יש תוצאות שהן "יותר אפשריות" מתוצאות אחרות .אם יציעו לך ,למשל ,פרס אם תנחש נכונה היכן ייעצר החץ בניסוי הבא ,ברור שתעדיף לנחש "אדום" .ייתכן ,אומנם ,שלבסוף יתקבל "לבן"; אך הסבירות שיתקבל "אדום" גדולה פי-חמישה מהסבירות שיתקבל "לבן" ,שהרי הגזרה האדומה ניתנת לפירוק לחמש גזרות, שכל אחת מהן שווה ללבנה ,ולגזרות שוות יש סבירות שווה. המספרים המודדים את הסבירויות של התוצאות השונות נקראים "הסתברויות" ,והם נקבעים באופן שהסתברויותיהן של כל התוצאות האפשריות מסתכמות במספר . 1 אם xהוא ההסתברות של "לבן" ,אז בהתאם לאמור לעיל ,תהיה ההסתברות של "אדום" שווה ל ;5x-ובאופן דומה תהיה ההסתברות של "צהוב" שווה ל 2x -וההסתברות של "ירוק" היא ;4x ומכיוון שארבע התוצאות המוזכרות הן כל התוצאות האפשריות ,יהיה x+5x+2x+4x=1לכן 12x=1לכן . x = 1/12 הסתברות "לבן" היא אפוא ,1/12הסתברות "אדום" היא ,5/12הסתברות "צהוב" היא 2/12= 1/6והסתברות "ירוק" היא . 4/12 = 1/3 הקשר שבין גודליהן של הגזרות ובין ההסתברויות של התוצאות של סיבוב סביבון החץ משתקף גם במציאות החיצונית .נסיונות רבים מאוד בסביבון-חץ כמו שלנו ובסביבוני-חץ דומים לו הראו ,שאם נסובב את סביבון-החץ מספר רב של פעמים )למשל ,אלף הפעלות של הסביבון(, 7 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל תתקבל בדרך-כלל התמונה הבאה" :לבן" יתקבל מספר פעמים השווה בקירוב ל 1/12 -של מספר הנסיונות הכללי" ,אדום" בכ 5/12 -של המקרים ,בערך 1/6של התוצאות תהיינה "צהוב" והשאר ,שהם כ 1/3 -של התוצאות ,יהיו "ירוק" .סטיות גדולות ממתכונת תוצאות זו מתקבלות רק לעיתים נדירות ביותר. נסכם המקריות של התוצאות מתוארת תיאור מספרי על-ידי ההסתברויות של התוצאות השונות. ממבנה סביבון החץ שלנו עולה ,שההסתברויות הן כבטבלה הבאה: התוצאה הסתברותה לבן 1/12 צהוב 1/6 אדום 5/12 ירוק 1/3 אם מנסים את הסביבון מספר רב של פעמים ,מתקבלת לרוב התאמה די טובה בין מספרי התוצאות השונות ובין ההסתברויות שלהן. תחזית מזג-האוויר וסביבון-חץ כותב שורות אלה מקווה ,שבעתיד הלא-רחוק לא נשמע יותר תחזית מזג-אוויר המנוסחת במילים "בהרי ירושלים ייתכן הלילה שלג" ,ובמקום זאת נשמע נוסח מפורט יותר ,כגון "ההסתברות שיירד הלילה שלג בהרי ירושלים היא ."1/3פירושו של דבר יהיה ,שלפי הנתונים שבידי החזאי ,דומה האפשרות שיירד שלג לאפשרות שבסיבוב סביבון-החץ שלנו יתקבל "ירוק". ידיעת ההסתברויות יכולה לעזור לאנשים בתכנון מעשיהם .בדוגמת השלג ,אם ההסתברות לשלג היא ,1/3אז מן הראוי להביא לירושלים מפלסות גם אם הן עסוקות כעת בעבודות-עפר רחוק מן העיר ,אך אם ההסברות היא 1/10בלבד ,מן הראוי להכין רק את המפלסות הנמצאות בקרבת מקום )אלה תשמשנה בשלב הראשון לפינוי הכבישים החיוניים ביותר( ולא להביא את המפלסות המרוחקות ,אלא אם יתברר שיש צורך בהן. תחרות השחמט בדוגמה זאת נטפל במקרה שבו חישוב ההסתברויות מתוחכם קצת יותר מאשר אצל סביבונים. נפתח בסיפור רקע: לשלב הגמר של תחרות שחמט ארצית לבתי-ספר תיכוניים הגיעו שני שחקנים ,דוד ויצחק .לפי כללי התחרות ,עליהם לשחק זה עם זה סדרת משחקים ,והראשון שיגיע לחמישה נצחונות יוכרז אלוף .משחקים המסתיימים בתיקו אינם נספרים .היו לדוד ארבעה נצחונות וליצחק שלושה, ובגלל עייפות השחקנים ,נדחה המשך התחרות ליום המחרת. במשחק נכחו קבוצת חברים של דוד וקבוצת חברים של יצחק .כל אחת היתה גאה ביותר בנציגה ורצתה שיזכה באליפות ,ובדרך-הטבע התפתחה ביניהם שיחה על ההסתברות של כל שחקן לזכות באליפות. כולם הסכימו שיצחק ודוד הם שחקנים שקולים ,ופירושו של דבר הוא ,שהסתברויות הניצחון שלהם במשחק בודד שוות זו לזו ) 1/2ו .(1/2 -כמו-כן הסכימו כולם ,שבמצב העניינים הנוכחי, סביר יותר שדוד יזכה באליפות .חילוקי-הדעות נגעו רק במשמעות ההסתברותית המדויקת של המצב הנוכחי. 8 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל אמרו חבריו של יצחק :דוד ניצח 4פעמים ויצחק ניצח 3פעמים ,ולכן יחס הסתברויות האליפות הוא ,3:4לכן ההסתברות שדוד יהיה האלוף היא 4/7וההסתברות שיצחק יזכה באליפות היא . 3/7 חבריו של דוד אמרו :לדוד חסר רק ניצחון אחד וליצחק חסרים שני נצחונות ,לכן יחס ההסתברויות הוא ,1:2לכן הסתברות האליפות של דוד היא 2/3ושל יצחק רק .1/3 בשלב זה הגיעה למקום דרורה ,וכשהציגו לפניה את הבעיה ,ענתה: בהתאם לכללי התחרות ,תיתכנה מחר שלוש תוצאות: א .במשחק הראשון ינצח דוד )ואז לא יתקיים משחק נוסף ,כי דוד הגיע ל 5 -נצחונות והוא האלוף( . ב .במשחק הראשון ינצח יצחק ובשני ינצח דוד )וגם אז יהיה דוד האלוף( . ג .יצחק ינצח בשני המשחקים )ויהיה האלוף( . מכיוון שיצחק ודוד הם שחקנים שקולים )זו הההנחה שעל-פיה ביקשתם שאחשב את ההסתברויות( ,הרי שההסתברות שבמשחק הראשון ינצח דוד שווה להסתברות שבמשחק זה ינצח יצחק .לכן ההסתברות של תוצאה א היא 1/2וגם ההסתברות של "המאורע" }ב,ג{ ,הכולל את שתי התוצאות האחרות ,היא . 1/2 לשתי התוצאות ב ו-ג הסתברויות שוות ,כי הן נבדלות זו מזו רק במשחק השני ,וגם במשחק זה השחקנים שקולים .לכן הסתברות ב וגם הסתברות ג הן . 1/4 את המסקנות שהעלתה עד כה סיכמה דרורה בטבלה: ב א ג התוצאה ¼ ¼ הסתברותה ½ ומכאן עברה לתשובה לשאלתם של החברים: קבוצת התוצאות }א,ב{ היא המאורע "דוד אלוף" והסתברותה ,1/2 + 1/4 = 3/4ואילו המאורע "יצחק אלוף" מכיל את התוצאה ג בלבד והסתברותו 1/4בלבד. הערה :בעיה דומה לבעייתנו שימשה במאה ה 17-נושא להתכתבות בין המתמטיקאים Fermat )קרי :פרמָ ה( ו .Laplace -קבלת השיקולים "של דרורה" היתה צעד חשוב בהתפתחותה של תורת ההסתברות. תרגילים .1סביבון-חץ מחולק לארבע גזרות ,שצבעיהן וגודליהן כבטבלה הבאה: צבע זוית )במעלות( הסתברות אדום 45 כתום 90 כחול 45 ירוק 180 א .כתוב בטבלה את ההסתברות לקבלת כל צבע )בסיבוב אחד(. ב .אם מסובבים את הסביבון פעם אחת ,מהי ההסתברות לקבלת "צבע חם" )כלומר ,אדום או כתום(. .2חזאי מזג-האוויר מודיע :מחר ייתכן גשם ,ייתכנו עננים ללא גשם וייתכן שהשמים יהיו בהירים; וההסתברויות הן 0.6 ,0.1ו ,0.3-בהתאמה .אדם שאינו יודע מאומה על הסתברות 9 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל אמר :אינני מבין מה מחדש לנו החזאי .הרי ברור שבכל יום חורפי ייתכן גשם ,ייתכנו עננים ללא גשם וייתכן שלא יהיו עננים. שרטט סביבון-חץ ,שבעזרתו יהיה אפשר להסביר לאותו אדם את פשר דבריו של החזאי) .גזרות בגודל מתאים .בגזרה אחת כתוב "גשם" ,באחת כתוב "עננים ללא גשם" ובאחת כתוב "בהיר"(. .3א .מהן הזוויות המרכזיות של הגזרות בסביבון-חץ בעל שלוש גזרות ,אם ההסתברות של גזרה א היא 1/4וההסתברות של גזרה ב שווה להסתברות של גזרה ג. ב .בסביבון זה ,מה ההסתברות שהחץ יעצור בגזרה ב? .4להמשך התחרות שנדונה לעיל בא דוד כשהוא מצונן ,וההסתברות שינצח את יצחק במצב זה במשחק בודד היא ) 1/3וההסתברות שיצחק ינצח היא ,לכן.( 2/3 , מהן הסתברויות האליפות של דוד ושל יצחק במצב זה? .5כנ"ל ,אך יצחק הוא זה שהצטנן. תרגילים נוספים .6בכד 3כדורים לבנים ו 4-שחורים ,וכולם שווים בגודלם ובמשקלם .מוציאים כדור אחד מן הכד בעיניים עצומות .נמק את הטענה שההסתברות שהכדור המוצא יהיה לבן היא .3/7 .7סביבון-חץ מחולק לשלוש גזרות שוות ,המסומנות א ,ב ו-ג .סובבו את החץ 15פעמים .ב6- מהן התקבל א ,ב 5-התקבל ב ,ב 4-פעמים התקבל ג. לקראת הסיבוב ה ,16-אמר אחד השחקנים" :עכשיו יתקבל כנראה ג .מספרי התוצאות השונות צריכים לשקף את ההסתברויות ,ומכיוון שעד כה התקבל ג פחות מ-א ומ-ב ,יש לצפות שבעתיד יתקבל ג פעמים רבות יותר". אמר שחקן שני" :לסביבון אין זיכרון וממילא אין לו התחייבויות .מכיוון שהוא חלק ואחיד והגזרות שוות ,יש לכל תוצאה הסתברות 1/3גם בסיבוב הבא". השחקן השלישי אמר" :מכיוון שעד כה התקבל ג פחות מ-א ופחות מ-ב ,אני משער שיש בסביבון משהו נסתר מעינינו ,המקטין את ההסתברות של ג .לכן אני חושב שההסתברות שבפעם הבאה יתקבל ג קטנה מ." 1/3- מה דעתך? 1.2המושגים היסודיים של תורת ההסתברות ניסוי הסתברותי ומרחב התוצאות תורת ההסתברות עוסקת בניסויים שבהם אנו מכירים את כל התוצאות האפשריות ,אך טבע הניסוי אינו מאפשר לדעת איזו מן התוצאות האפשריות תתרחש בפועל. קבוצת התוצאות של ניסוי הסתברותי מסוים נקראת "מרחב התוצאות" ומסומנת Ω )קרי :אומגה (.Omega דוגמאות: (1סיבוב החץ שנידון בסעיף הקודם הוא ניסוי הסתברותי. בניסוי זה Ωהיא הקבוצה }אדום ,צהוב ,ירוק ,לבן{ . 10 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל (2בהטלת קוביית-משחק מתקבל תמיד אחד המספרים השלמים שבין 1ל . 6 -לכן בניסוי הסתברותי זה }.Ω = {1,2,3,4,5,6 (3גם על המשחקים שעל יצחק ודוד לשחק על מנת לסיים את תחרות השחמט שלהם אפשר להסתכל כעל ניסוי הסתברותי .התוצאות האפשריות הן: א = "דוד מנצח במשחק הראשון ואין משחק שני" ב = "יצחק מנצח במשחק הראשון ודוד במשחק השני" ג = "יצחק מנצח בשני המשחקים". בניסוי הסתברותי זה } א ,ב ,ג {= . Ω (4הניסוי הוא זה :לוקחים קופסת גפרורים )יבשים( מן הסוג הרגיל בארץ ,ומסלקים ממנה את הגפרורים הנראים חריגים בעין בלתי-מזוינת )כגון אותם גפרורים דקיקים הנוצרים כאשר מכונת החיתוך מגיעה לקצה בול העץ( אחר-כך בוחרים בעצימת עיניים חמישה גפרורים ומוצאים את משקלם הכולל .בניסוי זה Ωהיא קבוצת המשקלים האפשריים שבין 0.4ו0.6 - גרם )גפרור בודד שוקל כעשירית הגרם(. התוצאות הקרובות ביותר ל 0.4 -ול 0.6 -הן ,ככל הנראה ,בלתי-אפשריות .העדפנו לכלול גם אותן ב ,Ω-ולא להסתפק ,למשל ,בתחום שבין 0.41ו ,0.59-בגלל הפשטות ,ומשום שאיננו יודעים את הגבול המדויק שבין התוצאות האפשריות ובין התוצאות שאינן אפשריות. שאלה :כמה תוצאות נכללות ב Ω -של דוגמה ? 4 תשובה :הדבר תלוי במידת הדיוק של המאזניים השוקלים את הגפרורים. אם ,למשל ,מדייקים מאזניים אלה עד אלפית הגרם ,לא יבחין הניסוי שלנו בין המקרה שבו משקלם האמיתי של הגפרורים הוא 0.51733ובין המקרה שבו משקלם 0.51712ובין המקרה שבו המשקל הוא .0.51685בכל שלושת המקרים האלה תראה השקילה את התוצאה .0.517 Ωהיא אפוא הקבוצה הכוללת רק את המשקלים 0.403 , 0.402 , 0.400 , 0.401וכו' ,עד 0.600ומספר איבריה הוא . 201 אפשר ,אומנם ,לדבר על מאזניים תיאורטיים ,השוקלים גפרורים תיאורטיים בדיוק מוחלט ומאפשרים מספר אינסופי של תוצאות .אכן ,חלקים נכבדים למדי של תורת ההסתברות עוסקים במקרה שבו Ωהיא קבוצה אינסופית .בספר הנוכחי נימנע ,בדרך-כלל ,מהתייחסות למרחבי-תוצאות אינסופיים .הביטוי "מרחב תוצאות" סתם פירושו ,בספר זה" ,מרחב תוצאות סופי". מאורעות והתרחשותם הגדרה :קבוצה של תוצאות מתוך Ωנקראת מאורע. הגדרה :אם Aהוא מאורע ,אז הביטויים "המאורע Aהתרחש" " ,המאורע Aקרה" ו" -קרה "A פירושם :בניסוי ההסתברותי התקבלה תוצאה הכלולה ב. A - תורת ההסתברות עוסקת במאורעות )ולא רק בתוצאות בודדות( משתי סיבות. סיבה א :לפעמים קל יותר למצוא את ההסתברות להתרחשותו של מאורע מאשר למצוא את ההסתברויות של כל אחת מהתוצאות הנכללות במאורע זה .לדוגמה :בסיפור תחרות השחמט 11 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל מצאנו תחילה שהסתברות הקבוצה }ב,ג{ היא ,1/2ורק בעזרת זאת מצאנו שההסתברות של ב היא 1/4וההסתברות של ג היא . 1/4 סיבה ב :הסתברותה של קבוצת תוצאות חשובה לפעמים יותר מהסתברות כל תוצאה הנכללת בה .לדוגמה :בסיפור תחרות השחמט היה חשוב לחבריו של דוד לדעת שהסתברות המאורע }א,ב{ היא ,3/4שהרי אם יתרחש מאורע זה ,יזכה דוד באליפות .לעובדה שהמספר 3/4 התקבל כסכום 1/4 + 1/2היתה ,בעיניהם ,חשיבות משנית בלבד. לפעמים מתארים מאורע על-ידי כתיבת כל התוצאות הכלולות בו בסוגריים מסולסלות, ולפעמים על-ידי כתיבת תכונה המאפיינת אותן. דוגמאות: (1בסיפור תחרות השחמט יתואר המאורע } ב ,ג { במילים "יצחק מנצח במשחק הראשון" והמאורע } א ,ב { הוא המאורע "דוד זוכה באליפות". (2בהטלת קובייה ,המאורע "לא "3הוא המאורע }. {1,2,4,5,6 לסימון מאורעות משתמשים באותיות הגדולות של תחילת האלף-בית הלטיני C ,B ,Aוכו'. הסתברות ההסתברות של מאורע )או של תוצאה( הוא מספר המעריך באיזו מידה צפויה התרחשות של המאורע )או התוצאה(. לדוגמה :הסתברותו של מאורע היא המספר 1/3אם הוא צפוי בדיוק באותה מידה שבה ניתן לצפות שבסיבוב הרולטה שלנו תתקבל התוצאה "ירוק" )נזכיר לקורא שברולטה שלנו שליש של שטח העיגול ירוק(. ודאות מלאה מתוארת על-ידי ההסתברות .1הסתברות 1/2מבטאת סבירות שווה להתרחשותו ולאי-התרחשותו של המאורע .למאורע בלתי-אפשרי הסתברות . 0 הסתברותו של מאורע Aמסומנת )) P(Aקרי P :של . Aהאות Pבאה מן המלה ,Probability שמשמעה הסתברות( . לדוגמה :בניסוי ההסתברותי של סיבוב החץ בסביבון שלנו ,יהי Aהמאורע "לא אדום" ,כלומר }לבן ,צהוב ,ירוק{ .הגזרה המתאימה למאורע זה היא 7/12של הרולטה; לכן הסתברותו היא ;7/12לכן נכתוב . P(A)= 7/12 במקום האות המסמנת את המאורע ,אפשר לכתוב כאן גם את התכונה המאפיינת את המאורע או את רשימת התוצאות הנכללות במאורע .האמור לעיל ייכתב אפוא גם בצורה ) =7/12לא אדום( Pוגם בצורה }) = 7/12לבן,צהוב,ירוק{(. P אם מאורע מכיל תוצאה יחידה ,הסתברותו שווה להסתברות התוצאה הזאת. ) = 1/3ירוק(}) = Pירוק{(P לדוגמה: אם מאורע מכיל מספר תוצאות ,הסתברותו היא סכום הסתברויותיהן. לדוגמה: = )ירוק() + Pצהוב() + Pלבן(}) = Pלבן,צהוב,ירוק{(P = 1/12 + 2/12 + 4/12 = 7/12 12 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל תרגילים .1תלמיד ,שהתלבט בשאלה כיצד לבלות את הערב ,החליט לערוך ניסוי הסתברותי של הטלת מטבע ולפעול בדרך הבאה :אם יראה המטבע "מספר" -יצפה בטלוויזיה; אם יראה המטבע "ציור" -ילך לקולנוע; אם יעמוד המטבע על צידו -יישב להכין את שיעורי-הבית. א .מהו מרחב התוצאות Ωבניסוי ההסתברותי הנידון )מנקודת-המבט המיוחדת של אותו תלמיד(. ב .מהי ,לדעתך ,הסתברותה של כל אחת מהתוצאות. .2בניסוי הסתברותי מסוים }.Ω = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 לפניך רשימה של מאורעות: =Aמתקבל מספר אי-זוגי הנמצא בין 2ו8- =Bמתקבל מספר שהשורש שלו הוא מספר שלם = Cמתקבל מספר ראשוני גדול מ2 - {4,5,6,7} = D {2,3,5,7,8} = E א .כתוב את המאורעות B , Aו C -בכתיב-קבוצות )כמו שכתובים כאן המאורעות Dו.(E - ב .כתוב שמות של מאורעות ) B , Aוכדומה ( במקומות המתאימים. )לפעמים יש יותר מתשובה אחת ,ואז מספיק לכתוב תשובה אחת(. ___ ( Iו ___ הם אותו מאורע. ___ ( IIו ___ הם מאורעות שונים ,אך יש להם מספר שווה של איברים )תוצאות( . (IIIל ____ -ול ____ -אין שום איבר משותף )הם מאורעות זרים(. (IVלמאורע ____ ולמאורע ____ יש בדיוק שני איברים משותפים. ( Vהמאורע ____ מכיל את כל התוצאות שבמאורע ____ וגם תוצאות נוספות. .3בניסוי ההסתברותי של הטלת קובייה )תקינה( ,כל שש התוצאות האפשריות צפויות במידה שווה .לכן, א .ההסתברות של כל תוצאה היא ____ ב. P({1,2,3,4}) = ________ . ג) =_________ .מספר זוגי(. P ד. P({1,2,3,4,5,6}) = ________ . ה ) = ________ .מספר גדול מ. P(100 - ו .אילו מן התשובות לשאלות א-ה נשארות נכונות גם אם הקובייה מזויפת? )לאחת מפינותיה הוזרקה טיפת כספית ,וכתוצאה מזה ,יש תוצאות שהסתברותן גדולה משל התוצאות האחרות(. .4משה ,דינה ,מרים ,שלמה ואברהם נבחרו פה-אחד לוועד הכיתה .הם החליטו שיושב-ראש הוועד ייבחר בהגרלה ,שתיעשה כך :בשלב הראשון יטילו מטבע תקין והתוצאה תקבע אם היו"ר יהיה בן או בת .אם יתקבל בן ,יגרילו בין הבנים בעזרת סביבון-חץ שבו שלוש גזרות שוות .אם תתקבל בת יגרילו בין הבנות על-ידי מטבע נוסף. _______ = ) בת( ) = _______ Pבן(P כתוב את ההסתברויות הבאות: _______ = ) דינה() = _______ Pמשה(P ________ = ) שם היו"ר מתחיל ב -מ (P .5מרחב התוצאות בניסוי הסתברותי מסוים הוא }א,ב,ג,ד,ה,ו,ז,ח{=, Ω Aהוא המאורע }א,ב,ג,ד{ P(A)=0.6 , ,ולכל התוצאות שב A-הסתברויות שוות. 13 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל Bהוא המאורע }ה,ו,ז,ח{ P(B)=0.4 , ,ולכל התוצאות שב B-הסתברויות שוות. _____ = )} א,ג,ו,ז{(P _____ = )}ז,ה,ב{(P _____ = )}א,ח,ו,ז,ה{(P .6שמוניון משוכלל הוא גוף המוגבל על-ידי שמונה פאות שכל אחת מהן היא משולש שווה צלעות )אפשר לבנותו משתי פירמידות שבסיסן ריבוע ופאותיהן הצדדיות הן משולשים שוי צלעות( .מהמבנה הסימטרי שלו נובע שכאשר מטילים אותו על שולחן יש לפיאותיו הסתברויות שוות להיות הפאה העליונה המקבילה לפני השולחן. על פיאותיו של שמוניון משוכלל כתובים המספרים הטבעיים 7 ,6 ,5 ,4 ,3 ,2 ,1ו.8- בהטלת השמוניון, _____ =)זוגי()= _____ , Pמתחלק ב)= _____ , P(3-ראשוני(P _____ =)גדול מ)= _____ , P(5-מחלק את P(15 1.3ניסויים הסתברותיים אחידים הגדרה :ניסוי הסתברותי שלכל התוצאות שלו הסתברות שווה נקרא "ניסוי הסתברותי עם מרחב תוצאות אחיד" ,ובקצרה" ,ניסוי הסתברותי אחיד") .לפעמים משתמשים גם בביטוי "ניסוי הסתברותי אלמנטרי"(. לדוגמה ,סיבוב סביבון-החץ שבראש סעיף 1.1הוא ניסוי הסתברותי שאינו אחיד ,שהרי לארבע התוצאות שלו הסתברויות שונות .לעומת-זאת ,הטלת קובייה תקינה היא ניסוי הסתברותי אחיד ,שהרי קובייה תקינה אינה אלא קובייה שלכל שש התוצאות האפשריות של הטלתה יש אותה הסתברות. מכאן ואילך ,בכל מקום שבו נדבר על קובייה או על מטבע ,נתכוון לקובייה תקינה ולמטבע תקין ,אלא אם נציין במפורש שאין הם תקינים או שאיננו יודעים אם הם תקינים אם לאו. משפט :בניסוי הסתברותי אחיד ,אם Aהוא מאורע הכולל mתוצאות ואם מספר התוצאות הכללי )= מספר התוצאות שב (Ω -הוא ,nאז P(A) = m/nובפרט -לתוצאה יחידה ההסתברות . 1/n הוכחה :על פי ההגדרה ,לכל התוצאות בניסוי זה הסתברות שווה .נסמן אותה ב .x-ב Ω -יש n תוצאות ,לכן P(Ω) = x + x + … + x = nx nמחוברים מצד שני ,ביצוע הניסוי ייתן תמיד תוצאה מתוך ,Ωלכן Ωהוא מאורע ודאי, .P(Ω) = 1 לכן משני שוויונות אלה יוצא ש ,nx = 1 -לכן . x = 1/n ב A -יש אפוא mתוצאות ,שהסתברות כל אחת מהן היא ,1/xלכן P(A) = 1/n + 1/n + … + 1/n =m/n mמחוברים 14 ■ ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל הערה :יש להבדיל בין משפטנו ובין העובדה הבאה :אם Aהוא מאורע בניסוי הסתברותי ,ואם בוחרים מספר nגדול כלשהו ,מבצעים את הניסוי ההסתברותי הנידון nפעמים ,ומסמנים בm - את מספר הפעמים שבהם קרה המאורע ,Aאז בדרך-כלל יהיה m/nקרוב להסתברות ). P(A ההבדלים: א .המשפט מדבר גם על nקטן )למשל 6 -התוצאות האפשריות בהטלת קובייה( ואילו העובדה הנסיונית מדברת רק על nגדול )למשל 1000 -ניסויים בהטלת קובייה(. ב .המשפט נותן את ההסתברות המדויקת ואילו העובדה הנסיונית מצביעה רק על אומדנים מקורבים של ההסתברות) .מהמשפט נקבל ,שבהטלת קובייה תקינה ,ההסתברות של המאורע " 3או " 4היא ,2/6 = 1/3ואילו בניסוי נקבל רק קירוב כגון ,338/1000ולפעמים אפילו רק קירוב כגון (.357/1000 ג .המשפט מדבר רק על ניסוי הסתברותי אחיד ,בעוד שהעובדה הנסיונית מתקבלת גם בניסויים בעלי מרחב תוצאות לא אחיד. תרגיל :1מספרי הילדים במשפחות שביישוב מסוים מובאים בטבלה הבאה: 6 5 4 3 2 1 0 מספר הילדים 1 5 6 13 15 3 2 בכמה משפחות א .בחרו באקראי כרטיס אחד מכרטסת הילדים שבמרפאה .מהי ההסתברות שזה כרטיס של בכור )או בכורה(? ב .פגשו ילד ברחוב באותו יישוב .האם ההסתברות שהוא בכור גדולה ,להערכתך ,שווה או קטנה מזו שבשאלה א? נמק את הערכתך! ג .ילד נבחר באקראי )מהכרטסת( .מהי ההסתברות שהוא ממשפחה בת 5או 6ילדים? ד .משפחה נבחרה באקראי .מהי ההסתברות שיש לה 5או 6ילדים? הטלת שתי מטבעות חוסר-הבחנה בין ניסוי הסתברותי אחיד וניסוי שאינו אחיד היה אחת ממחלות-הילדות של תורת ההסתברות בשלבי התפתחותה הראשונים .נדגים זאת בניסויים הסתברותיים דומים ונפתח בניסוי שלא גרם לטעויות. הניסוי :מטילים שני מטבעות זו אחר זו. התוצאות האפשריות: א .המטבע הראשון נופל על "ציור" וגם השני על "ציור". ב .הראשון על "ציור" והשני על "מספר". ג .הראשון על "מספר" וגם השני על "מספר". ד .הראשון על "מספר" והשני על "ציור". אם נפל המטבע הראשון על "ציור" ,אין הדבר מגדיל את ההסתברות שהשני יפול על "ציור" ואינו מקטין הסתברות זאת .לכן התוצאות "ציור-ציור" ו"ציור-מספר" סבירות במידה שווה .גם התוצאות "ציור-מספר" ו"-מספר-מספר" שוות-הסתברות ,שהרי אפילו אם ידע המטבע הראשון שהשני עתיד ליפול על "מספר" ,לא היה הדבר מניע אותו להעדיף את אחת מצורות הנפילה על-פני חברתה .לבסוף" ,מספר-מספר" שוות-הסתברות לתוצאה הרביעית, 15 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל "מספר-ציור" ,מסיבה דומה .מרחב התוצאות הוא אפוא מרחב אחיד .לפי משפטנו ,יש לכל אחת מארבע התוצאות הסתברות . 1/4 הניסוי השני: שמו שני מטבעות זהים בקופסה ,טלטלו אותה ,ואחר-כך הפכו אותה והניחו למטבעות ליפול על השולחן .בניסוי זה אין אפשרות להבחין בין "ציור-מספר" ובין "מספר-ציור" ,לכן יש רק שלוש תוצאות: .1פעמיים "ציור". .2פעמיים "מספר". .3פעם "ציור" ופעם "מספר". ההנחה המוטעית שגם מרחב זה הוא אחיד הוליכה אנשים למסקנה ,שלכל תוצאה בניסוי זה הסתברות .1/3מסקנה זאת מוזרה ביותר לאור העובדה ,שכל ההבדל בין ניסוי זה ובין הניסוי הקודם הוא רק ביכולתו של המסתכל להבחין בין המטבעות .תוצאה 1שבניסוי השני מקבילה לתוצאה א בניסוי הראשון ,תוצאה 2מקבילה לתוצאה ג ותוצאה 3שבניסוי השני מקבילה למאורע }ב,ד{ שבניסוי הראשון. לאור זה ,ההסתברויות בניסוי השני הן , 1/4 , 1/4ו. 1/2 - אכן ,בחזרות רבות על הניסוי השני התקבלה התוצאה 3בכמחצית מן המקרים ,וכל אחת מהתוצאות 1ו 2 -התקבלה בכרבע מן המקרים. מהאמור כאן עולים מוסר-השכל וגם מסקנה חישובית. מוסר ההשכל :אין להניח שניסוי הסתברותי הוא אחיד ללא שיקול שיבטיח זאת. המסקנה החישובית נוגעת בניסויים הסתברותיים דומים לנסיון ההטלה של שני מטבעות ,כגון הטלת שלושה מטבעות או הטלת שתי קוביות .גם כאשר המטבעות או הקוביות זהים בצורתם עדיף להניח שאנו יכולים להבחין בין מטבע ראשון ,מטבע שני ומטבע שלישי או בין קובייה ראשונה וקובייה שנייה .הנחה כזאת לא תשנה את ההסתברויות של המאורעות המעניינים אותנו ,אבל תהפוך את הניסוי לאחיד ,ובזאת תקל על חישוב ההסתברויות. תרגילים (2הטבלה הבאה מתייחסת לניסוי של הטלת שלושה מטבעות .השלם אותה. המאורע התוצאות הנכללות בו אין "ציור" "ציור" אחד בלבד הסתברותו 1/8 מספר-ציור-מספר ציור-מספר-מספר מספר-מספר-ציור פעמיים "ציור" שלוש פעמים "ציור" יותר "ציור" מאשר "מספר" שוויון בין "ציור" ו"מספר" שלושת המטבעות מראים אותו דבר במטבע הראשון יצא "ציור" )זהירות !(ׂ 16 ע .ארליך הסתברות וסטטיסטיקה ל 3-יח"ל (3בהטלת שתי קוביות )שניתן להבחין ביניהן ולכן ,למשל ,שונה התוצאה 6-5מהתוצאה (5-6 א .הסבר מדוע מספר כל התוצאות האפשריות הוא . 36 ב .כתוב את כל התוצאות שבמאורע "מתקבלות בסה"כ 7נקודות". ג .השלם את הטבלה: מספר נקודות ההסתברות לקבלתו 2 3 4 5 7 6 1 6 = 8 9 10 11 12 6 36 בדוק אם סכום ההסתברויות הוא אומנם .1 .4בכד אחד 7כדורים לבנים ו 3-שחורים .גם בכד אחר 7כדורים לבנים ,אך מספר הכדורים השחורים שם הוא .6עומדים להוציא כדור מאחד הכדים )בלי להסתכל פנימה( .האם נכון לומר ,שאם יוציאו כדור מהכד השני ,גדולה ההסתברות שהוא יהיה שחור כפליים מההסתברות לכדור שחור כאשר מוציאים כדור מהכד הראשון? נמק! .5על פיאותיה של קובייה תקינה אחת כתובים המספרים 0, 1, 2, 3, 4, 5ועל הפיאות של קובייה תקינה אחרת כתובים . 0, 6, 12, 18, 24, 30 הניסוי :מטילים את שתי הקוביות ומחברים את שני המספרים שהתקבלו. א .מהו מרחב התוצאות ?Ω ב .הסבר מדוע הניסוי הוא ניסוי הסתברותי אחיד! הנחיה :בכמה אופנים אפשר לקבל בניסוי זה את התוצאה ? 27 * .6הצע דרך לכתוב מספרים על פיאותיהן של שתי קוביות תקינות באופן שהטלתן וחיבור התוצאות יתנו את המספרים 12 ... ,3 ,2 1בהסתברויות שוות. .7הנסיון בסביבון-החץ שבראש הספר אינו ניסיון הסתברותי אחיד .כיצד ניתן לשנות את סביבון החץ באופן שהנסיון יהיה אחיד ,והתוצאות של הניסוי הישן תהיינה מאורעות של הניסוי החדש עם הסתברויות כמקודם ? .8מטילים שני מטבעות של 5אגורות ומטבע אחד של 10אגורות ומחברים את המספרים שהתקבלו .מהי ההסתברות לקבל ?0לקבל ?5לקבל ?10לקבל ?15לקבל ?20 17