概率 · 随机事件的概率

什么是概率?

前两节我们弄明白了:随机事件可能发生、也可能不发生,而且它们发生的可能性有大小。这一节,我们就给这种"大小"一个正式的名字和写法——概率

学完这节课,你就能把一个模糊的"可能性大",写成一个清清楚楚的数字。

先给"大小"安个范围

既然是"可能性的大小",它总得有个上下限:

  • 最小是 00:表示不可能发生(机会一点都没有)。
  • 最大是 11:表示必然发生(机会百分之百)。

中间的,就是各种随机事件。于是我们有了概率的基本范围:

概率

表示一个随机事件发生可能性大小的数,叫做这个事件的概率。 一般用 P(A)P(A) 表示事件 AA 的概率,它满足: 0P(A)10 \le P(A) \le 1

  • P(A)=1P(A)=1:事件 AA 必然发生;
  • P(A)=0P(A)=0:事件 AA 不可能发生;
  • 0<P(A)<10 < P(A) < 1:事件 AA 是随机事件,数值越大越容易发生。

这个 0011 的范围,和我们在什么是随机事件?里说的"可能性小≠不可能、可能性大≠必然"完美对上:只要 P(A)P(A) 严格在 0011 之间,就是随机事件。

理想情况下,概率可以直接算

有些情形,每种结果"机会均等",概率可以直接数出来。

抛公平硬币

公平硬币只有正反两面,且两面机会均等: P(正面)=12=0.5P(\text{正面}) = \frac{1}{2} = 0.5 这也常写成 50%50\%

掷公平骰子

六个面机会均等,"掷出 66":一件事占一个面。 P(6)=160.167P(6) = \frac{1}{6} \approx 0.167 "掷出偶数(2,4,62,4,6)":三件事占三个面。 P(偶数)=36=12=0.5P(\text{偶数}) = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} = 0.5

这类"数个数"的方法,前提是每种结果等可能。如果不等可能(比如上一节那个红多白少的袋子),就不能简单这么数,得看实际占比。

多数时候,概率靠"频率"来估

理想硬币、理想骰子是人为造的公平工具。真实世界里很多事没这么"干净":明天下雨的可能性、某型号灯泡用满三年的可能性——你没法像数骰子面那样直接算。

这时候怎么办?做大量重复试验,看它发生的频繁程度。

频率与用频率估计概率

nn 次重复试验中,事件 AA 发生了 mm 次,则事件 AA 发生的频率为: 频率=mn\text{频率} = \frac{m}{n} 当试验次数 nn 很大时,频率会稳定在一个常数附近,这个常数就可以作为事件 AA 概率的估计值。

抛硬币的真实验证

有人真的抛过成千上万次硬币。把"正面"出现的频率随抛掷次数画出来:

频率
0.52 |        ●
0.51 |     ●     ●
0.50 |  ●  ●  ●  ●  ●  ●  ●
0.49 |   ●    ●
0.48 |      ●
     +------------------ 抛掷次数(越多越右)

次数少时,频率上蹦下跳(抛 1010 次可能正面占 0.70.7);次数越多,它越贴近 0.50.5。所以我们就用 0.50.5 作为"正面"概率的估计。

频率和概率不是一回事,但关系密切:

  • 概率是客观存在的"真实倾向",抛不抛都在那(比如硬币正面概率就是约 0.50.5)。
  • 频率是你实际抛出来的结果占比,会随运气起伏;试验越多,频率越靠近概率。

一个值得注意的细节

用频率估计概率,有个隐含前提:试验要独立、条件要一致、次数要足够多。

  • 如果"重复试验"其实条件变了(今天晴、明天雨,却硬凑在一起算"明天下雨频率"),估计就不可靠。
  • 次数太少,频率还不稳定,拿它当概率会出错。抛 44 次硬币可能 33 次正面,频率 0.750.75,但你显然不能因此说"正面概率是 0.750.75"。

所以新闻里常说"根据历史数据估计,某疾病发病率约 X%X\%"——这就是用大量过去的频率,去估计一个概率。它给出的是"大致可靠"的数,不是绝对精确。

概率能帮我们做决定

天气预报降水概率 70%70\%,意思是类似天气条件下,历史上约 70%70\% 的日子会下雨。这不是说明天 100%100\% 下雨,而是提醒你:带伞比较划算。概率不直接预言单次结果,但能指导我们选择更稳妥的做法。

动手估一次:抛硬币的频率表

光说"频率会稳定",不如真算一遍。假设我们抛一枚硬币,逐次记录正面出现的频率:

抛掷次数 nn正面次数 mm频率 m/nm/n
1010770.7000.700
505026260.5200.520
10010048480.4800.480
5005002512510.5020.502
100010004974970.4970.497

你看:次数少时,频率上蹦下跳(0.70.7 都来了);次数越多,它越往 0.50.5 靠。所以我们用 0.50.5 作为"正面"概率的估计值。这正是"频率稳定于概率"的活例子。

注意表里每一行的频率都不等于 0.50.5,只是越来越接近0.4970.497 不是 0.50.5,但已经足够让我们相信:真实概率就是约 0.50.5

概率的几条性质,记牢

把前面说的收成几条硬规则:

  • 范围0P(A)10 \le P(A) \le 1
  • 不可能P(A)=0P(A)=0 一定不发生。
  • 必然P(A)=1P(A)=1 一定发生。
  • 互斥事件的和:如果 AABB 不可能同时发生(比如掷骰子"出 11"和"出 22"),那么 P(AB)=P(A)+P(B)P(A\text{或}B)=P(A)+P(B)。掷骰子出 1122 的概率 =16+16=13= \frac{1}{6}+\frac{1}{6}=\frac{1}{3}
所有可能加总等于 1

掷一次公平骰子,"出 11 到出 66"这六种互斥结果覆盖了全部可能,它们的概率之和 =6×16=1= 6 \times \frac{1}{6} = 1一件事的"所有可能结果"的概率加起来一定是 11——这是个很好用的检查口。

回过头看

到这节课,概率这一章就收尾了:

  • 概率 P(A)P(A) 是衡量随机事件可能性大小的数,范围 0P(A)10 \le P(A) \le 1
  • 等可能情形可直接算(数有利结果占比);
  • 不等可能或未知时,用大量重复试验的频率去估计概率;
  • 频率≠概率:频率是试验结果,会波动;概率是客观倾向,频率随试验增多而靠近它。

把这几节连起来看:从"什么事不确定",到"随机事可能性有大小",再到"用 010\sim1 的数把大小写下来"——这就是我们认识"不确定性"的完整一步。它和前面统计的部分(收集、整理、用数字描述数据)合在一起,构成了初中"统计与概率"的全貌。

信息

本节课你应该能回答的问题

  1. 概率 P(A)P(A) 的取值范围是什么?P(A)=0P(A)=0P(A)=1P(A)=1 分别是什么意思?
  2. 什么是频率?为什么说"频率不等于概率",二者关系是什么?
  3. 为什么用频率估计概率时,试验次数要"足够多"?抛 44 次硬币能定概率吗?
  4. 降水概率 70%70\% 是什么意思?它能告诉我们明天"一定下雨"吗?