7.5 Grunnhugtök líkindafræði – Stærðfræði í daglegu lífi (IS) | Námsgögn
77 Líkindafræði
7.5 Grunnhugtök líkindafræði
7.5 Grunnhugtök líkindafræði
Mynd 7.26. Þegar tveimur teningum er kastað eru sumar útkomur, svo sem summan sjö, líklegri en aðrar, svo sem summan tólf. (mynd: „Dice Isn’t Just A Game; It's A Way of Life“ eftir Leah Love/Flickr, CC BY 2.0)
Námsmarkmið
Eftir þennan hluta áttu að geta:
skilgreint líkur, þar á meðal ómögulega og örugga atburði.
reiknað einfaldar fræðilegar líkur.
reiknað einfaldar reynslulíkur.
greint fræðilegar líkur, reynslulíkur og huglægar líkur hverjar frá öðrum.
reiknað líkur fylliatburðar.
Nú ræðst allt. Monopoly-leikurinn sem hófst fyrir mörgum klukkustundum er á lokasprettinum. Systir þín hefur teningana og ef hún fær summuna 4, 5 eða 7 lendir hún á einu besta svæðinu þínu og leiknum lýkur. Hve líklegt er að leiknum ljúki í næstu umferð? Er það líklegra en ekki? Hvernig má mæla líkurnar? Í þessum hluta kynnumst við aðferð til að mæla óvissu.
Inngangur að líkindum
Óvissa er í eðli sínu óljóst hugtak. Til að afmarka hana nægilega fyrir stærðfræðilega rannsókn einbeitum við okkur að óvissu í tilraunum. Tilraun er ferli með óþekkta útkomu og úrtaksrúmið er safn allra mögulegra útkoma. Þegar fjalla á um líkur tiltekinna útkoma eru þær stundum teknar saman. Í Monopoly-dæminu höfðum við til dæmis áhuga á köstum tveggja teninga sem gæfu summuna 4, 5 eða 7. Safn útkoma sem við höfum áhuga á kallast atburður. Atburður er með öðrum orðum hlutmengi úrtaksrúms tilraunar og inniheldur oft þær útkomur sem rannsakandinn vill skoða.
Þegar atburður sem við höfum áhuga á hefur verið skilgreindur má meta hve líklegur hann er með því að úthluta honum tölu. Fyrir atburð E kallast talan líkur atburðarins og er táknuð P(E). Líkur atburðar eru tala frá 0 til 1, að báðum endapunktum meðtöldum. Ef líkurnar eru 0 er atburðurinn ómögulegur en atburður með líkur 1 er öruggur. Almennt verður atburður líklegri eftir því sem líkur hans eru hærri.
Dæmi 7.16
Öruggir og ómögulegir atburðir ákvarðaðir
Tilraun felst í að kasta venjulegum sex hliða teningi með hliðarnar merktar 1–6. Ákvarðaðu hvort eftirfarandi líkur séu 0, 1 eða þar á milli.
𝑃(roll a 4)
𝑃(roll a 7)
𝑃(roll a positive number)
𝑃(roll a13)
𝑃(roll an even number)
𝑃(roll a single-digit number)
Lausn
Byrjum á að finna úrtaksrúmið. Í einu kasti eru mögulegar útkomur {1, 2, 3, 4, 5, 6}. Notum það til að meta líkurnar:
Talan 4 er í úrtaksrúminu og getur því komið upp, en hún kemur ekki örugglega upp. Því er 0 < P(fá 4) < 1.
Talan 7 er ekki í úrtaksrúminu. Því er P(fá 7) = 0.
Allar útkomur úrtaksrúmsins eru jákvæðar tölur og atburðurinn er því öruggur. Þar af leiðandi er P(fá jákvæða tölu) = 1.
Þar sem 1/3 er ekki í úrtaksrúminu er P(fá 1/3) = 0.
Sumar útkomur úrtaksrúmsins eru sléttar, 2, 4 og 6, en aðrar ekki. Því er 0 < P(fá slétta tölu) < 1.
Allar útkomur úrtaksrúmsins eru eins stafs tölur og því er P(fá eins stafs tölu) = 1.
Þrjár leiðir til að úthluta líkum
Auðvelt er að úthluta líkum öruggra og ómögulegra atburða; þær eru 1 og 0. En hvað gerum við við atburði sem kunna að gerast eða ekki? Velja má milli þriggja aðferða við úthlutun líkinda. Við skoðum þær í röð eftir áreiðanleika.
Aðferð 1: Fræðilegar líkur
Fræðilega aðferðin gefur áreiðanlegastar niðurstöður en á ekki alltaf við. Ef úrtaksrúm tilraunar samanstendur af jafnlíklegum útkomum eru fræðilegar líkur atburðar hlutfall fjölda útkoma í atburðinum og fjölda útkoma í úrtaksrúminu.
Dæmi 7.17
Fræðilegar líkur reiknaðar
Venjulegur spilastokkur hefur 52 ólík spil sem hvert ber spilgildi, heiltölurnar 2–10 ásamt J, Q, K og A, og sort, , , eða . Stokknum er blandað vandlega og eitt spil dregið af handahófi, þannig að öll spil eru jafnlíkleg. Finndu fræðilegar líkur eftirfarandi atburða:
Spilið er .
Spilið er hjarta .
Spilið er kóngur (K).
Lausn
Í stokknum eru 52 spil og því hefur úrtaksrúm hverrar þessara tilrauna 52 stök. Það verður nefnari allra líkinda hér.
Aðeins eitt 10 ♠ er í stokknum og atburðurinn inniheldur því eina útkomu. Því er P(10 ♠) = 1/52.
Í stokknum eru 13 hjörtu ♡ og því er P(♡) = 13/52 = 1/4.
Fjögur spil eru af hverju spilgildi og því er P(K) = 4/52 = 1/13.
Dæmi 7.18
Töflur notaðar til að finna fræðilegar líkur
Í inngangi að grunnhugtökum líkindafræði skoðuðum við Monopoly-leik þar sem þú vinnur ef systir þín fær summuna 4, 5 eða 7 með tveimur venjulegum teningum. Hverjar eru líkur þessa atburðar? Notaðu töflur til að finna svarið.
Lausn
Líta má á tilraunina sem tvö þrep: (1) eitt teningakast og síðan (2) annað. Þótt köstin gerist yfirleitt samtímis eru þau óháð og því má meðhöndla þau sitt í hvoru lagi.
Skref 1: Úr því að þrepin eru tvö og óháð setjum við upp töflu (mynd 7.27), sem er sennilega hagkvæmasta leiðin til að finna úrtaksrúmið.
Mynd 7.27. Mynd 7.27
Hver hinna 36 röðuðu tvennda í töflunni táknar jafnlíklega útkomu.
Skref 2: Til að auðvelda greininguna skiptum við hverri raðaðri tvennd út fyrir summuna (mynd 7.28).
Mynd 7.28. Mynd 7.28
Skref 3: Atburðurinn sem við skoðum samanstendur af summunum 4, 5 og 7. Skyggjum þær í töflunni (mynd 7.29).
Mynd 7.29. Mynd 7.29
Atburðurinn inniheldur 13 útkomur og líkurnar á að systir þín fái summu sem veldur því að hún tapi eru því .
Dæmi 7.19
Líkindatré notuð til að reikna fræðilegar líkur
Óhlutdrægum peningi er kastað upp þrisvar. Hverjar eru líkur hvers atburðar? Notaðu líkindatré.
Framhlið kemur nákvæmlega tvisvar upp.
Framhlið kemur einhvern tíma tvisvar í röð upp.
Öll þrjú köstin gefa sömu útkomu.
Lausn
Byggjum líkindatré til að finna úrtaksrúmið (mynd 7.30).
Mynd 7.30. Mynd 7.30
Úrtaksrúmið er {HHH, HHT, HTH, HTT, THH, THT, TTH, TTT} og hefur átta stök.
Nákvæmlega tvæ framhliðarköst koma fyrir í þremur útkomum, HHT, HTH og THH, og líkurnar eru því .
Tvö framhliðarköst í röð koma fyrir í þremur útkomum: HHH, HHT og THH. Líkurnar eru því .
Tvær útkomur sýna sömu niðurstöðu í öllum köstum, HHH og TTT. Líkurnar eru því .
Aðferð 2: Reynslulíkur
Fræðilegar líkur eru nákvæmar en ekki alltaf reiknanlegar. Ef útkomur úrtaksrúmsins eru ekki jafnlíklegar dugir aðferðin ekki. Segjum að þú horfir á hafnaboltaleik og uppáhaldsleikmaðurinn þinn sé að fara að slá. Hverjar eru líkurnar á að hann nái höggi?
Hér er úrtaksrúmið {högg, ekki högg}. Það merkir ekki að líkur á höggi séu , því útkomurnar eru ekki jafnlíklegar. Fræðilega aðferðin á því ekki við. Í staðinn má skoða frammistöðu leikmannsins það sem af er tímabili: 122 högg í 531 tilraun. Þá mætti meta líkur á höggi í næstu ferð á slag sem . Þegar fyrri endurtekningar tilraunar eru notaðar til að úthluta líkum næstu endurtekningar eru skilgreindar reynslulíkur. Þær eru hlutfall fjölda skipta sem atburðurinn gerðist í fyrri tilraunum af heildarfjölda þeirra.
Reynslulíkur eru ekki nákvæmar en þegar fyrri endurtekningar eru margar má búast við að þær nálgist réttar líkur. Ef fyrri tilraunir voru ekki gerðar við sömu aðstæður verða reynslulíkurnar óáreiðanlegri. Fyrir hafnaboltaleikmanninn mætti til dæmis bæta matið með því að skoða aðeins frammistöðu hans gegn örvhentum eða rétthentum kösturum, eftir því hvorhentur næsti kastari er.
Dæmi 7.20
Reynslulíkur metnar
Úthlutaðu reynslulíkum eftirfarandi atburða:
Jose æfir vítaskot á körfuboltavelli. Hann hitti úr 47 af síðustu 80 skotum. Hverjar eru líkurnar á að hann hitti úr næsta skoti?
Amy er að leggja af stað til vinnu að morgni. Í 12 af síðustu 60 ferðum kom hún til vinnu á innan við hálftíma. Hverjar eru líkurnar á að hún komist þangað á 30 mínútum eða skemur?
Felix spilar Yahtzee við systur sína. Hann vann 14 af síðustu 20 leikjum gegn henni. Hve líklegt er að hann vinni þennan leik?
Lausn
Þar sem Jose hitti úr 47 af síðustu 80 skotum metum við reynslulíkur þess að hann hitti úr sem .
Amy lauk 12 af síðustu 60 ferðum á innan við 30 mínútum og því má meta líkurnar að þessu sinni sem .
Felix hefur unnið 14 af síðustu 20 leikjum og því metum við líkur hans á sigri að þessu sinni sem .
Aðferð 3: Huglægar líkur
Þegar hvorki er hægt að nota fræðilegar líkur né fyrri reynslu til að finna reynslulíkur er aðeins einn kostur eftir: að byggja mat á innsæi og úthluta huglægum líkum. Huglægar líkur eru líkur sem einstaklingur metur eingöngu út frá innsæi sínu.
Huglægar líkur eru notaðar þegar tilraun er aðeins gerð einu sinni eða hefur aldrei verið gerð. Þær geta verið mjög mismunandi milli einstaklinga og byggjast ekki á stærðfræðikenningu. Því gefum við ekki reikningsdæmi um þær, en mikilvægt er að þekkja þær; almennt eru þær mun ónákvæmari en reynslulíkur og fræðilegar líkur.
Dæmi 7.21
Aðgreining fræðilegra líkinda, reynslulíkinda og huglægra líkinda
Flokkaðu eftirfarandi líkur sem fræðilegar líkur, reynslulíkur eða huglægar líkur.
Sérvitur milljarðamæringur prófar glænýtt eldflaugakerfi og segir 15% líkur á bilun.
Fjórar sekúndur eru eftir af jöfnum úrslitaleik í körfubolta. Heimaliðið þarf þrjú stig til að jafna og knýja fram framlengingu. Sjónvarpslýsandi segir fyrirliðann eiga að taka síðasta þriggja stiga skotið því hann hafi 38% hittni, hærri en aðrir í liðinu.
Felix er að tapa Yahtzee-leik gegn systur sinni. Hann á eitt kast með tveimur teningum eftir og vinnur ef báðir sýna 4. Líkurnar eru um 2,8%.
Lausn
Tilraunin hefur aldrei verið gerð og uppgefnu líkurnar eru því huglægar.
Líklega hefur lýsandinn aðgang að frammistöðutölum leikmanna fyrir allt tímabilið. Uppgefnu líkurnar eru því sennilega reynslulíkur.
Kast tveggja teninga gefur úrtaksrúm jafnlíklegra útkoma og líkurnar eru því fræðilegar. Síðar í kaflanum lærum við að reikna þær.
Nýjar líkur út frá þekktum líkum: Fylliatburðir
Eitt markmið þess sem eftir er af kaflanum er að brjóta flókna líkindareikninga niður í einfaldari. Hér skoðum við fyrsta tækið til þess; hin koma síðar.
Fylliatburður E, táknaður E′, er safn allra útkoma sem eru ekki í E. Hugtakið kemur úr mengjafræði. Þar sem sérhver útkoma úrtaksrúmsins er annaðhvort í E eða ekki í E fæst n(E)+n(E′)=n(S). Ef útkomur S eru jafnlíklegar má reikna P(E)=n(E)/n(S) og P(E′)=n(E′)/n(S). Með samlagningu fæst
Ef P(E′) er dregið frá báðum hliðum fæst P(E)=1−P(E′). Þótt afleiðingin hér geri ráð fyrir jafnlíklegum útkomum í S gildir síðasta jafnan alltaf.
Hvernig nýtist þetta? Stundum er auðveldara að reikna líkurnar á að atburður gerist ekki en að hann gerist. Ef atburður er skilgreindur með ójöfnu skilgreinist fylliatburðurinn með andstæðri ójöfnu: snúa þarf bæði stefnu ójöfnumerkisins og því hvort markgildið er meðtalið, eins og taflan sýnir.
Ef E er skilgreindur með:
þá er E ′ skilgreindur með:
Dæmi 7.22
Fylliatburðaformúlan notuð til að reikna líkur
Ef venjulegum sex hliða teningi er kastað, hverjar eru líkurnar á tölu stærri en einn?
Ef tveimur venjulegum sex hliða teningum er kastað, hverjar eru líkurnar á summu 10 eða lægri?
Ef óhlutdrægum peningi er kastað upp þrisvar, hverjar eru líkurnar á að bakhlið komi að minnsta kosti einu sinni upp?
Lausn
Hér er úrtaksrúmið {1, 2, 3, 4, 5, 6}. Auðvelt er að sjá að umræddar líkur eru 56, því fimm útkomur tilheyra atburðinum „fá tölu stærri en 1“. Notum einnig nýju formúluna. Þar sem 𝐸 er skilgreint með ójöfnunni roll>1er 𝐸′ skilgreint með roll≤1. Aðeins ein útkoma, 1, er í 𝐸′og því er 𝑃(𝐸′)=16. Þar af leiðandi er 𝑃(𝐸)=1−𝑃(𝐸′)=56.
Í dæmi 7.18 fundum við töflu jafnlíklegra útkoma fyrir kast tveggja teninga (mynd 7.31). Hér er E skilgreint með
ójöfnunni summa
≤ 10 og E′ með summa > 10. Þrjár útkomur eru í E′, tvær ellefur og ein tólf. Því er P(E)=1−P(E′)=1−3/36=11/12.
Í Dæmi 7.15, fundum við að úrtaksrúmið hefur jafnlíklegu útkomurnar {HHH, HHT, HTH, HTT, THH, THT, TTH, TTT}. Atburðurinn 𝐸 er skilgreint með T≥1og því er 𝐸′ er skilgreint með T<1. Eina útkoman í 𝐸′ er sú fyrsta á listanum, þar sem bakhlið kemur aldrei upp. Því er 𝑃(𝐸)=1−𝑃(𝐸′)=1−18=78.
Prófaðu skilning þinn
Þú hefur tvo peninga, fimm senta pening og 25 senta pening, og kastar báðum upp. Finndu líkur eftirfarandi atburða:
Framhlið kemur upp á báðum.
Framhlið kemur upp á 25 senta peningnum.
Framhlið kemur upp á öðrum peningnum og bakhlið á hinum.
Bakhlið kemur þrisvar upp.
Ákvarðaðu hvort eftirfarandi líkur hafi líklega verið fundnar fræðilega, reynslubundið eða huglægt.
Pókerspilari á 16% líkur á að mynda lit með næsta spili.
Vinur þinn Jacob segir 20% líkur á að hann gifti sig á næstu fimm árum.
Ashley grunar að peningur sé hlutdrægur, kastar honum hundrað sinnum og fær framhlið 58 sinnum. Ashley metur því líkurnar á framhlið sem um 58%.
Ef óhlutdrægum peningi er kastað 50 sinnum eru líkurnar á 20 framhliðarköstum eða færri um 10,1%; síðar lærum við að staðfesta það.
Ef E er atburðurinn „fjöldi framhliðarkasta er 20 eða færri“, lýstu E′ með ójöfnu.
Finndu P(E′).
Æfingar úr hluta 7.5
Í eftirfarandi æfingum skoðum við tvo sérstaka sex hliða teninga. Hver hlið ber tölu og bókstaf. Fyrri teningurinn hefur hliðarnar 1A, 1B, 2A, 2C, 4A og 4E; sá síðari 1A, 1A, 2A, 2B, 3A og 3C. Allar hliðar eru jafnlíklegar.
1.
Notaðu töflu til að finna úrtaksrúm þegar báðum teningum er kastað og summa sýnilegu talnanna skráð.
2.
Hverjar eru líkurnar á summu minni en 8?
3.
Hverjar eru líkurnar á summu stærri en 8?
4.
Hverjar eru líkurnar á summu sem er 2 eða lægri?
5.
Hverjar eru líkurnar á summu stærri en 2?
6.
Hverjar eru líkurnar á sléttri summu?
7.
Hverjar eru líkurnar á oddatölusummu?
8.
Notaðu töflu til að finna úrtaksrúm þegar báðum teningum er kastað og bókstafirnir tveir skráðir.
9.
Hverjar eru líkurnar á að ekkert A komi upp?
10.
Hverjar eru líkurnar á að að minnsta kosti eitt A komi upp?
11.
Hverjar eru líkurnar á að tvö A komi upp?
12.
Hverjar eru líkurnar á tveimur eins bókstöfum?
13.
Hverjar eru líkurnar á að bókstafur fyrri teningsins komi fyrr í stafrófinu en bókstafur þess síðari?
14.
Hverjar eru líkurnar á tveimur sérhljóðum?
15.
Hverjar eru líkurnar á tveimur samhljóðum?
16.
Hverjar eru líkurnar á einu samhljóði og einu sérhljóði?
Ákvarðaðu hvort líkurnar í eftirfarandi æfingum hafi líklega verið fundnar fræðilega, út frá reynslu eða huglægt.
17.
Carolyn víxlar tvær ertujurtir og sér að 8 af 25 afkvæmum hafa gular baunir. Hún ályktar því að líkurnar á gulum baunum hjá afkvæmi þessara jurta séu 32%.
18.
Í upphafi annar metur Malik 30% líkur á að fá A-einkunn í öllum námskeiðum.
19.
Abbie velur sér háskóla fyrir haustið og telur nú 80% líkur á að velja háskóla í heimafylki.
20.
Ef þremur venjulegum sex hliða teningum er kastað eru líkurnar á summunni 8 jafnar .
21.
Samkvæmt appinu hefur Jason unnið 18 af síðustu 100 kapalleikjum. Líkurnar á að hann vinni næsta leik eru því um 18%.
22.
Jim og Anne eru í tíu manna félagi. Ef þrír eru valdir af handahófi í nefnd eru líkurnar á að bæði Jim og Anne verði valin .
Notaðu eftirfarandi töflu yfir 15 leikmenn með flestar ferðir á slag (PA) í bandarísku úrvalsdeildinni í hafnabolta árið 2019 til að meta reynslulíkur atburðanna. Ferð á slag er tækifæri kylfings til að ná höggi. Aðrir dálkar sýna stig (R), högg (H), tvíhögg (2B), þríhögg (3B), heimahlaup (HR), göngur (BB) og útstrikanir (SO).
Nafn
Lið
PA
R
H
2B
3B
HR
BB
SO
Marcus Semien
OAK
747
123
187
43
7
33
87
102
Whit Merrifield
KCR
735
105
206
41
10
16
45
126
Ronald Acuna Jr.
ATL
715
127
175
22
2
41
76
188
Jonathan Villar
BAL
714
111
176
33
5
24
61
176
Mookie Betts
BOS
706
135
176
40
5
29
97
101
Rhys Hoskins
PHI
705
86
129
33
5
29
116
173
Jorge Polanco
MIN
704
107
186
40
7
22
60
116
Rafael Devers
BOS
702
129
201
54
4
32
48
119
Ozzie Albies
ATL
702
102
189
43
8
24
54
112
Eduardo Escobar
ARI
699
94
171
29
10
35
50
130
Xander Bogaerts
BOS
698
110
190
52
0
33
76
122
José Abreu
CHW
693
85
180
38
1
33
36
152
Pete Alonso
NYM
693
103
155
30
2
53
72
183
Freddie Freeman
ATL
692
113
176
34
2
38
87
127
Alex Bregman
HOU
690
122
164
37
2
41
119
83
23.
Mookie Betts slær heimahlaup í næstu ferð á slag.
24.
Xander Bogaerts er strikaður út í næstu ferð á slag.
25.
Jonathan Villar nær höggi í næstu ferð á slag.
26.
Rhys Hoskins fær göngu í næstu ferð á slag.
27.
José Abreu skorar stig í næstu ferð á slag.
28.
Eduardo Escobar slær þríhögg í næstu ferð á slag.
29.
Whit Merrifield slær tvíhögg í næstu ferð á slag.
30.
Ronald Acuna Jr. nær aukastöðvahöggi, tvíhöggi, þríhöggi eða heimahlaupi, í næstu ferð á slag.