Формула полной вероятности: объяснение и задачи

Статья Математика

Формула полной вероятности применяется, когда событие A может произойти через одну из попарно несовместных гипотез H₁,…,Hₙ, которые вместе исчерпывают все варианты: P(A)=ΣP(Hᵢ)P(A|Hᵢ).

Знак Σ означает сумму по всем перечисленным гипотезам. Запись P(A|Hᵢ) читается «вероятность события A при условии гипотезы Hᵢ». Для каждого варианта умножьте его вероятность на вероятность события внутри этого варианта, затем сложите полученные вклады.

Условия применения

  • В одном испытании реализуется ровно одна гипотеза.
  • Гипотезы образуют полную группу: ΣP(Hᵢ)=1.
  • В школьной модели каждая гипотеза имеет положительную вероятность P(Hᵢ)>0, чтобы обычная условная вероятность P(A|Hᵢ) была определена.
  • Для каждой гипотезы известна P(A|Hᵢ).

Если термины пока непривычны, повторите основы теории вероятностей.

Как читать дерево вероятностей

Начало
├─ H₁: P(H₁) ── A: P(A|H₁)  → вклад P(H₁)·P(A|H₁)
└─ H₂: P(H₂) ── A: P(A|H₂)  → вклад P(H₂)·P(A|H₂)
                                  P(A) = сумма вкладов
Схема двух путей к событию A. Подпись возле каждой ветви — вероятность следующего шага, а вклад всего пути равен произведению двух вероятностей.

Вдоль одного пути вероятности умножают: сначала должна реализоваться Hᵢ, затем A при этой гипотезе. Разные пути Hᵢ→A несовместны, поэтому их вклады складывают. Итог — взвешенное среднее условных вероятностей.

Решённая задача о поставщиках

70% товара приходит от первого поставщика и 30% от второго. Доля брака у них 2% и 5%. Обозначим H₁ — первый поставщик, H₂ — второй, A — брак. Тогда P(A)=0,7·0,02+0,3·0,05=0,014+0,015=0,029, то есть 2,9%.

Дерево без JavaScript. При P(H₁)=0,4, P(H₂)=0,6, P(A|H₁)=0,1 и P(A|H₂)=0,6 два пути дают вклады 0,04 и 0,36. Их сумма P(A)=0,4. Обе гипотезы должны иметь положительную вероятность.


Дерево полной вероятности

Дерево полной вероятности Две гипотезы ведут к событию A; рядом с ветвями показаны вероятности и вклады путей. Старт H₁H₂ A|H₁A|H₂ ВкладВклад

На схеме числа округлены до трёх значащих цифр; более точный расчёт приведён ниже.

Алгоритм решения сюжетной задачи

  1. Назовите событие A, вероятность которого нужно найти.
  2. Выделите причины или источники Hᵢ. Проверьте, что они не пересекаются и покрывают все случаи.
  3. Выпишите P(Hᵢ) и проверьте их сумму.
  4. Выпишите P(A|Hᵢ), не перепутав направление условия.
  5. Умножьте вероятности вдоль каждого пути и сложите вклады.
  6. Проверьте: результат лежит между наименьшей и наибольшей P(A|Hᵢ).

Ещё один пример: выбор урны

Первую урну выбирают с вероятностью 0,4, вторую — с вероятностью 0,6. В первой красный шар выпадает с вероятностью 0,3, во второй — 0,8. Тогда P(красный)=0,4·0,3+0,6·0,8=0,12+0,48=0,60.

Не путайте с формулой Байеса

Полная вероятность отвечает на прямой вопрос: какова P(A), если известны возможные причины. Формула Байеса отвечает на обратный вопрос после наблюдения A: какова P(Hᵢ|A). Например, полная вероятность находит общую долю брака, а Байес — вероятность того, что уже найденный брак пришёл от первого поставщика. Разницу условных направлений показывает парадокс Монти Холла.

Типичные ошибки

  • Гипотезы не образуют полную группу. Если сумма P(Hᵢ) не равна 1, найдите пропущенный случай.
  • Складывают вероятности вдоль пути. Вдоль пути умножают, между несовместными путями складывают.
  • Путают P(A|H) и P(H|A). Прочитайте запись словами до вычисления.
  • Смешивают проценты и доли. Перед подстановкой 5% превратите в 0,05.

Проверьте себя

1. Машину выбирают с линии 1 с вероятностью 0,8 и с линии 2 с вероятностью 0,2. Доли дефектов 0,1 и 0,4. Найдите P(дефект).

Ответ: 0,8·0,1+0,2·0,4=0,16. Если сложили 0,1+0,4, вы не учли доли продукции линий.

2. В школе 40% учеников из младших классов и 60% из старших. Олимпиаду пишут 10% младших и 25% старших. Какова вероятность, что случайный ученик пишет олимпиаду?

Ответ: H₁ — младшие, H₂ — старшие, A — участие. P(A)=0,4·0,1+0,6·0,25=0,04+0,15=0,19.

3. Вероятности перечисленных гипотез равны 0,5, 0,3 и 0,1. Можно сразу применять формулу?

Ответ: нет, сумма 0,9. Не хватает случая с вероятностью 0,1 либо данные ошибочны.

4. Почему при P(H₁)=0 школьный калькулятор отклоняет данные?

Ответ: обычная формула P(A|H₁)=P(A∩H₁)/P(H₁) потребовала бы деления на ноль. Удалите невозможную гипотезу и заново составьте полную группу из положительно вероятных случаев.

5. Общая доля брака уже найдена. Нужно определить вероятность поставщика H₁ при условии брака A. Какая формула нужна?

Ответ: формула Байеса, потому что ищется обратная условная вероятность P(H₁|A), а не P(A).

Полная вероятность объединяет несколько путей к одному событию. Чтобы выбрать дальнейшие занятия о случайности и вероятностных моделях, посмотрите программу курса «Основы вероятности».

1 комментарий к “Формула полной вероятности: объяснение и задачи”

Оставить комментарий