Po czym poznać, że to schemat Bernoulliego
Zanim przejdziesz do ogólnego przewodnika po prawdopodobieństwie, warto poznać jeden konkretny sygnał, który powinien Ci się zapalić w głowie na widok zadania: powtarzamy to samo doświadczenie kilka razy, niezależnie, i pytamy o dokładnie k sukcesów. Rzucamy monetą 3 razy - dokładnie 2 orły. Rzucamy kostką 4 razy - dokładnie 1 szóstka. Losujemy kulę ze zwracaniem 5 razy - dokładnie 3 białe. Za każdym razem, gdy widzisz te słowa kluczowe („rzucamy n razy”, „losujemy ze zwracaniem”, „dokładnie k razy”), masz do czynienia ze schematem Bernoulliego, i zamiast liczyć wszystko ręcznie, możesz użyć jednego gotowego wzoru.
Problem w tym, że mnóstwo uczniów próbuje takie zadania rozwiązywać przez rysowanie drzewka albo wypisywanie wszystkich możliwości - da się tak zrobić dla 3 rzutów monetą, ale robi się to niewykonalne przy 5 czy 6 powtórzeniach. Ten wzór jest właśnie po to, żeby tego uniknąć.
Warunki schematu Bernoulliego
Schemat Bernoulliego stosujesz, gdy spełnione są trzy warunki:
- 1.Doświadczenie powtarzamy razy, niezależnie od siebie (wynik jednej próby nie wpływa na kolejną - dlatego losowanie musi być ze zwracaniem, a nie bez zwracania).
- 2.W każdej próbie są tylko dwa możliwe wyniki: sukces albo porażka.
- 3.Prawdopodobieństwo sukcesu jest takie samo w każdej próbie (a prawdopodobieństwo porażki to zawsze ).
Jeśli te trzy warunki są spełnione, prawdopodobieństwo otrzymania dokładnie sukcesów w próbach wynosi:
gdzie to liczba sposobów, na jakie możesz wybrać, które spośród prób jest sukcesami (przypomnienie tego wzoru znajdziesz w przewodniku po kombinatoryce, bo to dokładnie ta sama liczba, co przy wyborze podzbioru).
Skąd bierze się ten wzór? Każdy konkretny ciąg wyników z dokładnie sukcesami i porażkami ma to samo prawdopodobieństwo (bo próby są niezależne, więc mnożysz prawdopodobieństwa). A takich ciągów jest dokładnie - tyle, ile sposobów rozmieszczenia sukcesów na pozycjach. Mnożysz jedno przez drugie i masz cały wzór.
Skąd dokładnie bierze się ten wzór - wyprowadzenie na małej próbce
Zanim przejdziemy do większych przykładów, warto zobaczyć ten wzór „od kuchni”, bo wtedy naprawdę zapamiętasz, po co jest w nim akurat symbol Newtona. Weźmy 3 rzuty monetą i policzmy prawdopodobieństwo dokładnie 2 orłów, ale tym razem bez wzoru, tylko wypisując wszystko ręcznie.
Każdy wynik to ciąg trzech liter, O (orzeł) albo R (reszka). Interesują nas ciągi z dokładnie dwoma O. Są to: OOR, ORO, ROO. Zauważ, że każdy z tych trzech ciągów ma dokładnie takie samo prawdopodobieństwo, bo próby są niezależne: prawdopodobieństwo dowolnego konkretnego ciągu trzech rzutów to , niezależnie od tego, w jakiej kolejności wypadły orły i reszki. Skoro pasujących ciągów jest 3, to całe prawdopodobieństwo to .
A skąd wiadomo, że pasujących ciągów jest akurat 3, bez wypisywania ich ręcznie? To jest dokładnie pytanie: „na ile sposobów mogę wybrać, które 2 z 3 rzutów są orłami?” - a to jest , czyli ta sama liczba, którą liczysz przy wyborze podzbioru w kombinatoryce. Dla większych i wypisywanie ciągów ręcznie przestaje być wykonalne, ale zasada zostaje dokładnie ta sama: liczba pasujących ciągów razy prawdopodobieństwo jednego ciągu.
Przykład 1: Rzuty monetą - najprostszy przypadek
0/6Rzucamy symetryczną monetą 3 razy. Oblicz prawdopodobieństwo, że orzeł wypadnie dokładnie 2 razy.
Sukces to „orzeł”, więc . Mamy próby i szukamy sukcesów.
Pokaż rozwiązanie
Możesz to sprawdzić ręcznie, bo przy 3 rzutach jest tylko możliwych wyników: OOO, OOR, ORO, ROO, ORR, ROR, RRO, RRR (O - orzeł, R - reszka). Dokładnie 2 orły dają wyniki OOR, ORO, ROO - czyli 3 z 8, dokładnie . Wzór działa.
Przykład 2: Kostka do gry
0/6Rzucamy symetryczną sześcienną kostką 4 razy. Oblicz prawdopodobieństwo, że szóstka wypadnie dokładnie raz.
Sukces to wyrzucenie szóstki: , porażka to każda inna ściana: . Mamy , .
Pokaż rozwiązanie
Tutaj wypisywanie wszystkich możliwości ręcznie już nie ma sensu (kostka ma możliwych wyników) - to jest właśnie moment, w którym wzór Bernoulliego oszczędza Ci naprawdę dużo czasu na maturze.
Przykład 3: Losowanie kul ze zwracaniem
0/6W pojemniku są 3 kule białe i 2 czarne. Losujemy kulę, zapisujemy kolor, wkładamy z powrotem i losujemy ponownie - łącznie 4 razy. Oblicz prawdopodobieństwo, że dokładnie 3 razy wylosujemy kulę białą.
To, że losujemy ze zwracaniem, jest kluczowe - dzięki temu każde losowanie jest niezależne i prawdopodobieństwo sukcesu jest stałe. Sukces to „kula biała”: , porażka to „kula czarna”: . Mamy , .
Pokaż rozwiązanie
Gdyby zadanie mówiło, że losujemy bez zwracania, schemat Bernoulliego w ogóle by się nie stosował - prawdopodobieństwo wylosowania białej kuli zmieniałoby się z losowania na losowanie, bo pula kul by się zmniejszała. To jest jeden z najczęstszych warunków, które sprawdzają zadania maturalne, więc zawsze czytaj uważnie, czy jest mowa o zwracaniu.
Przykład 4: Co najmniej k sukcesów
0/6Rzucamy symetryczną kostką 3 razy. Sukcesem nazywamy wyrzucenie liczby parzystej oczek. Oblicz prawdopodobieństwo, że sukces wystąpi co najmniej 2 razy.
Sukces to wyrzucenie 2, 4 albo 6 oczek, czyli . Zwrot „co najmniej 2” oznacza, że musisz zsumować przypadki i - to najczęstsza pułapka w tym typie zadań, bo łatwo policzyć tylko jeden przypadek i zapomnieć o drugim.
Pokaż rozwiązanie
Przy okazji: gdybyś miał policzyć „co najwyżej 1 sukces”, najszybciej jest skorzystać z tego, że wszystkie prawdopodobieństwa sumują się do 1, czyli . To duża oszczędność czasu, gdy „co najwyżej” dotyczyłoby więcej niż jednej wartości.
Przykład 5: Zadanie odwrotne - szukamy prawdopodobieństwa sukcesu
0/6W pojemniku jest 10 kul, w tym kul białych, gdzie . Losujemy kulę ze zwracaniem 2 razy. Wiadomo, że prawdopodobieństwo wylosowania dokładnie jednej kuli białej wynosi . Wyznacz .
Ten typ zadania lubi się pojawiać na maturze właśnie z parametrem zamiast konkretnej liczby - to dokładnie ten sam wzór, tylko używany „od tyłu”. Niech będzie prawdopodobieństwem sukcesu (wylosowania białej). Dla , :
Z treści zadania wiemy, że to ma być równe :
Rozwiązujemy to równanie kwadratowe (możesz sięgnąć po wzór na deltę, jeśli potrzebujesz przypomnienia): , więc .
Pokaż rozwiązanie
Skoro , to lub . Oba rozwiązania spełniają warunek , więc jeśli zadanie nie daje dodatkowej informacji (na przykład że białych kul jest więcej niż czarnych), poprawną odpowiedzią są obie wartości. To typowa sytuacja w zadaniach maturalnych z parametrem - równanie kwadratowe ma dwa pierwiastki i trzeba sprawdzić, czy oba mieszczą się w dziedzinie zadania, zamiast odruchowo wybierać jeden.
Przykład 6: Zdarzenie przeciwne - „co najmniej jeden sukces”
0/6Rzucamy symetryczną kostką 5 razy. Oblicz prawdopodobieństwo, że co najmniej raz wypadnie szóstka.
Moglibyśmy liczyć osobno , ale to pięć osobnych obliczeń. Dużo szybciej jest skorzystać ze zdarzenia przeciwnego: „co najmniej jeden sukces” to dopełnienie zdarzenia „zero sukcesów”.
Pokaż rozwiązanie
Liczymy , czyli prawdopodobieństwo, że szóstka nie wypadnie ani razu w 5 rzutach. Sukces to szóstka: , porażka to .
Zatem
Zapamiętaj tę sztuczkę: za każdym razem, gdy zadanie pyta o „co najmniej jeden sukces”, prawie zawsze szybciej jest policzyć niż sumować wszystkie pozostałe przypadki osobno.
Wartość oczekiwana - ile sukcesów „średnio” wypada
Oprócz prawdopodobieństwa dokładnie sukcesów, w schemacie Bernoulliego czasem pojawia się pytanie o wartość oczekiwaną, czyli średnią liczbę sukcesów, jakiej możesz się spodziewać przy wielokrotnym powtarzaniu całego doświadczenia. Wzór jest bardzo prosty:
Na przykład dla 4 rzutów kostką i sukcesu „wypadła szóstka” (), oczekiwana liczba szóstek to . To nie oznacza, że w konkretnym eksperymencie wypadnie „dwie trzecie szóstki” - to średnia z bardzo wielu powtórzeń całego doświadczenia (czyli wielu serii po 4 rzuty), a nie wynik pojedynczej serii.
Częste błędy i pułapki
- •Stosowanie wzoru, gdy losowanie jest bez zwracania. Bez zwracania prawdopodobieństwo sukcesu zmienia się w kolejnych próbach, więc warunki schematu Bernoulliego nie są spełnione - trzeba liczyć inaczej (przez prawdopodobieństwo klasyczne albo drzewko).
- •Mylenie z . Zawsze najpierw jasno określ, co jest „sukcesem” w danym zadaniu, i dopiero potem podstawiaj do wzoru.
- •Zapominanie o współczynniku . Samo to prawdopodobieństwo jednego konkretnego ciągu wyników, a nie wszystkich możliwych ustawień - bez tego mnożnika wynik będzie za mały.
- •Błędne sumowanie przy „co najmniej” i „co najwyżej”. Trzeba policzyć osobno prawdopodobieństwo dla każdej wartości objętej warunkiem i je zsumować, a nie tylko dla jednej wartości brzegowej.
- •Pomijanie sprawdzenia dziedziny parametru w zadaniach odwrotnych (jak Przykład 5) - oba pierwiastki równania mogą być poprawną odpowiedzią.
- •Liczenie „co najmniej jeden sukces” przez sumowanie wielu przypadków zamiast przez zdarzenie przeciwne. Przy większym to niepotrzebnie długie i łatwo o pomyłkę - użyj .
- •Mylenie wartości oczekiwanej z prawdopodobieństwem . To dwa różne pytania: jedno pyta o średnią liczbę sukcesów, drugie o konkretne prawdopodobieństwo.
Co musisz umieć - checklista
- Rozpoznać w treści zadania sygnały schematu Bernoulliego: powtórzenia, niezależność, stałe , dwa możliwe wyniki.
- Zapisać wzór i podstawić poprawne , , .
- Odróżnić losowanie ze zwracaniem (Bernoulli) od losowania bez zwracania (inne metody liczenia).
- Sumować przypadki przy „co najmniej” i „co najwyżej” zamiast liczyć tylko jedną wartość .
- Rozwiązywać zadania odwrotne, w których szukane jest (albo parametr, od którego zależy ), zamiast .
- Liczyć „co najmniej jeden sukces” przez zdarzenie przeciwne, a wartość oczekiwaną ze wzoru .
Jeśli chcesz utrwalić rachunek na kombinacjach, wróć do przewodnika po kombinatoryce albo przejrzyj pełną bazę zadań CKE z prawdopodobieństwa. Warto też poznać prawdopodobieństwo warunkowe i wzór Bayesa - to kolejny typ zadań, w którym łatwo się pogubić bez jasnego schematu. A jeśli szukasz więcej ćwiczeń z rachunkiem krok po kroku, rozwiąż zadania testowe online.