Сумма произведение и разность случайных событий. Теория вероятностей введение

Определение 1. Говорят, что в некотором опыте событие А влечёт за собой появление события В , если при наступлении события А наступает и событие В . Обозначение этого определения А Ì В . В терминах элементарных событий это означает, что каждое элементарное событие, входящее в А , входит также и в В .

Определение 2. События А и В называются равными или эквивалентными (обозначается А = В) , если А Ì В и В Ì А, т.е. А и В состоят из одних и тех же элементарных событий.

Достоверное событие представляется объемлющим множеством Ω, а невозможное событие – пустым подмножеством Æ в нём. Несовместность событий А и В означает, что соответствующие подмножества А и В не пересекаются: А ∩В = Æ.

Определение 3. Суммой двух событий А и В (обозначается С = А + В ) называется событие С , состоящее в наступлении по крайней мере одного из событий А или В (союз «или» для суммы является ключевым словом), т.е. наступает или А , или В , или А и В вместе.

Пример. Пусть два стрелка стреляют в мишень одновременно, и событие А состоит в том, что в мишень попадает 1-й стрелок, а событие B – в том, что в мишень попадает 2-й стрелок. Событие A + B означает, что мишень поражена, или, иначе, что в мишень попал хотя бы один из стрелков (1-й стрелок или 2-й стрелок, или оба стрелка).

Аналогично, суммой конечного числа событий А 1 , А 2 , …, А n (обозначается А = А 1 + А 2 + … + А n) называется событие А , состоящее в наступлении хотя бы одного из событий А i (i = 1, … , n ), или произвольной совокупности А i (i = 1, 2, … , n ).

Пример. Суммой событий А, В, С является событие, состоящее в появлении одного из следующих событий: А , В, С, А и В , А и С , В и С , А и В и С , А или В , А или С , В или С , А или В или С .

Определение 4. Произведением двух событий А и В называется событие С (обозначается С = А ∙ В ), состоящее в том, что в результате испытания произошли и событие А, и событие В одновременно. (Союз «и» для произведения событий является ключевым словом).

Аналогично произведением конечного числа событий А 1 , А 2 , …, А n (обозначается А = А 1 ∙А 2 ∙…∙ А n) называется событие А , состоящее в том, что в результате испытания произошли все указанные события.

Пример. Если события А , В , С есть появление «герба» в первом, во втором и третьем испытании соответственно, то событие А × В × С есть выпадение «герба» во всех трех испытаниях.

Замечание 1. Для несовместных событий А и В справедливо равенство А ∙ В = Æ, где Æ – невозможное событие.

Замечание 2. События А 1 , А 2, … , А n образуют полную группу попарно несовместных событий, если .

Определение 5. Противоположными событиями называются два единственно возможных несовместных события, образующие полную группу. Событие, противоположное событию А, обозначается . Событие противоположное событию А , является дополнением к событию А до множества Ω.

Для противоположных событий одновременно удовлетворяются два условия А ∙ = Æ и А + = Ω.

Определение 6. Разностью событий А и В (обозначается А – В ) называется событие, состоящее в том, что событие А наступит, а событие В – нет и оно равна А – В = А × .

Отметим, что события А + В, А ∙ В, , А – В удобно трактовать в графическом виде с помощью диаграмм Эйлера – Венна (рис. 1.1).

Сформулируем пример так: пусть опыт G заключается в проведении стрельбы наугад по области Ω, точ-ки которого являются элементар-ными событиями ω. Пусть попа-дание в область Ω есть достоверное событие Ω, а попадание в области А и В – соответственно события А и В . Тогда события , А+В (или А È В – светлая область на рисунке), А ∙ В (или А Ç В – область в центре), А – В (или А \ В – светлые подобласти) будут соответствовать четырем изображениям на рис. 1.1. В условиях предыдущего примера со стрельбой двух стрелков по мишени произведением событий А и В будет событие С = А Ç В , состоящее в попадании в мишень обоими стрелками.

Замечание 3. Если операции над событиями представить как операции над множествами, а события представить как подмножества некоторого множества Ω, то сумме событий А+В соответствует объединение А ÈВ этих подмножеств, а произведению событий А ∙ В - пересечение А ∩В этих подмножеств.

Таким образом, операции над событиями можно поставить в соответствие операцию над множествами. Это соответствие приведено в табл. 1.1

Таблица 1.1

Действия над событиями обладают следующими свойствами:

А + В = В + А, А ∙ В = В ∙ А (переместительное);

(А + В ) ∙ С = А × С + В × С, А ∙ В + С = (А + С ) × (В + С ) (распределительное);

(А + В ) + С = А + (В + С ), (А ∙ В ) ∙ С = А ∙ (В ∙ С ) (сочетательное);

А + А = А, А ∙ А = А ;

А + Ω = Ω, А ∙ Ω = А ;

Будем полагать, что результатом реального опыта (эксперимента) может быть один или несколько взаимоисключающих исходов; эти исходы неразложимы и взаимно исключают друг друга. В этом случае говорят, что эксперимент заканчивается одним и только одним элементарным исходом .

Множество всех элементарных событий, имеющих место в результате случайного эксперимента, будем называть пространством элементарных событий W (элементарное событие соответствует элементарному исходу).

Случайными событиями (событиями), будем называть подмножества пространства элементарных событий W .

Пример 1. Подбросим монету один раз. Монета может упасть цифрой вверх - элементарное событие w ц (или w 1), или гербом - элементарное событие w Г (или w 2). Соответствующее пространство элементарных событий W состоит из двух элементарных событий:

W = {w ц,w Г } или W = {w 1 ,w 2 }.

Пример 2. Бросаем один раз игральную кость. В этом опыте пространство элементарных событий W = {w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w 5 , w 6 }, где w i - выпадение i очков. Событие A - выпадение четного числа очков, A = {w 2 ,w 4 ,w 6 }, A W .

Пример 3. На отрезке наугад (случайно) поставлена точка. Измеряется расстояние точки от левого конца отрезка. В этом опыте пространство элементарных событий W = - множество действительных чисел на единичном отрезке.

В более точных, формальных терминах элементарные события и пространство элементарных событий описывают следующим образом.

Пространством элементарных событий называют произвольное множество W , W ={w }. Элементы w этого множества W называют элементарными событиями.

Понятия элементарное событие, событие, пространство элементарных событий , являются первоначальными понятиями теории вероятностей. Невозможно привести более конкретное описание пространства элементарных событий. Для описания каждой реальной модели выбирается соответствующее пространство W .

Событие W называется достоверным событием.

Достоверное событие не может не произойти в результате эксперимента, оно происходит всегда .

Пример 4. Бросаем один раз игральную кость. Достоверное событие состоит в том, что выпало число очков, не меньше единицы и не больше шести, т.е. W = {w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w 5 , w 6 }, где w i - выпадение i очков, - достоверное событие.

Невозможным событием называется пустое множество .

Невозможное событие не может произойти в результате эксперимента, оно не происходит никогда .

Случайное событие может произойти или не произойти в результате эксперимента, оно происходит иногда .

Пример 5. Бросаем один раз игральную кость. Выпадение более шести очков - невозможное событие .

Противоположным событию A называется событие, состоящее в том, что событие A не произошло. Обозначается , .

Пример 6. Бросаем один раз игральную кость. Событие A тогда событие - выпадение нечетного числа очков. Здесь W = {w 1 , w 2 , w 3 ,w 4 , w 5 ,w 6 }, где w i - выпадение i очков, A = {w 2 ,w 4 ,w 6 }, = .

Пример 7. Бросаем один раз игральную кость. Событие A - выпадение четного числа очков, событие B - выпадение числа очков, меньшего двух. Событие A B состоит в выпадении четного числа очков, меньшего двух. Это невозможно, A = {w 2 ,w 4 ,w 6 }, B = {w 1 }, A B = , т.е. события A и B - несовместны.

Суммой событий A и B называется событие, состоящее из всех элементарных событий, принадлежащих одному из событий A или B. Обозначается A + B.

Пример 8. Бросаем один раз игральную кость. В этом опыте пространство элементарных событий W = {w 1 , w 2 , w 3 , w 4 , w 5 , w 6 }, где элементарное событие w i - выпадение i очков. Событие A - выпадение четного числа очков, A B B = {w 5 , w 6 }.

Событие A + B = {w 2 ,w 4 , w 5 , w 6 } состоит в том, что выпало либо четное число очков, либо число очков большее четырех, т.е. произошло либо событие A , либо событие B. Очевидно, что A + B W .

Произведением событий A и B называется событие, состоящее из всех элементарных событий, принадлежащих одновременно событиям A и B. Обозначается AB .

Пример 9. Бросаем один раз игральную кость. В этом опыте пространство элементарных событий W = { w 1 , w 2 , w 3 ,w 4 , w 5 ,w 6 }, где элементарное событие w i - выпадение i очков. Событие A - выпадение четного числа очков, A = {w 2 ,w 4 ,w 6 }, событие B - выпадение числа очков, большего четырех, B = {w 5 , w 6 }.

Событие A B состоит в том, что выпало четное число очков, большее четырех, т.е. произошли оба события, и событие A и событие B, A B = {w 6 } A B W .

Разностью событий A и B называется событие, состоящее из всех элементарных событий принадлежащих A , но не принадлежащих B. Обозначается A\B .

Пример 10. Бросаем один раз игральную кость. Событие A - выпадение четного числа очков, A = {w 2 ,w 4 ,w 6 }, событие B - выпадение числа очков, большего четырех, B = {w 5 , w 6 }. Событие A\ B = {w 2 ,w 4 } состоит в том, что выпало четное число очков, не превышающее четырех, т.е. произошло событие A и не произошло событие B, A\B W .

Очевидно, что

A + A = A, AA = A, .

Нетрудно доказать равенства:

, (A+B )C= AC + BC .

Определения суммы и произведения событий переносятся на бесконечные последовательности событий:

, событие, состоящее из элементарных событий, каждое из которых принадлежит хотя бы одному из;

, событие, состоящее из элементарных событий, каждое из которых принадлежит одновременно всем .

Пусть W - произвольное пространство элементарных событий, а - такая совокупность случайных событий, для которой справедливо: W , AB, A+B и A\B, если A и B.

Числовая функция P, определенная на совокупности событий , называется вероятностью, если: (A ) 0 для любого A из ; (W ) = 1;

Тройку называют вероятностным пространством .

Сумма всех вероятностей событий выборочного пространства равняется 1. Например, если экспериментом является подбрасывание монеты при Событии А = «орел» и Событии В = «решка», то А и В представляют собой все выборочное пространство. Значит, Р(А) +Р(В) = 0.5 + 0.5 = 1 .

Пример. В ранее предложенном примере вычисления вероятности извлечения из кармана халата красной ручки (это событие А), в котором лежат две синих и одна красная ручка, Р(А) = 1/3 ≈ 0.33, вероятность противоположного события – извлечения синей ручки – составит

Прежде чем перейти к основным теоремам, введем еще два более сложных понятия - сумма и произведение событий. Эти понятия отличны от привычных понятий суммы и произведения в арифметике. Сложение и умножение в теории вероятностей - символические операции, подчиненные определенным правилам и облегчающие логическое построение научных выводов.

Суммой нескольких событий является событие, заключающееся в появлении хотя бы одного из них. То есть, суммой двух событий А и В называется событие С, состоящее в появлении или события А, или события В, или событий А и В вместе.

Например, если пассажир ждет на остановке трамваев какой-либо из двух маршрутов, то нужное ему событие заключается в появлении трамвая первого маршрута (событие А), или трамвая второго маршрута (событие В), или в совместном появлении трамваев первого и второго маршрутов (событие С). На языке теории вероятностей это значит, что нужное пассажиру событие D заключается в появлении или события А, или события В, или события С, что символически запишется в виде:

D = A + B + C

Произведением двух событий А и В является событие, заключающееся в совместном появлении событий А и В . Произведением нескольких событий называется совместное появление всех этих событий.

В приведенном примере с пассажиром событие С (совместное появление трамваев двух маршрутов) представляет собой произведение двух событий А и В , что символически записывается следующим образом:

Допустим, что два врача порознь осматривают пациента с целью выявления конкретного заболевания. В процессе осмотров возможно появление следующих событий:

Обнаружение заболеваний первым врачом (А );

Необнаружение заболевания первым врачом ();

Обнаружение заболевания вторым врачом (В );

Необнаружение заболевания вторым врачом ().

Рассмотрим событие, которое заключается в том, что заболевание будет обнаружено в процессе осмотров ровно один раз. Это событие может реализоваться двумя способами:

Заболевание обнаружит первый врач (А ) и не обнаружит второй ();

Заболеваний не обнаружит первый врач () и обнаружит второй (B ).

Обозначим рассматриваемое событие через и запишем символически:

Рассмотрим событие, которое заключается в том, что заболевание будет обнаружено в процессе осмотров дважды (и первым, и вторым врачом). Обозначим это событие через и запишем: .

Событие, заключающееся в том, что ни первый, ни второй врач заболевания не обнаружит, обозначим через и запишем: .

Алгебраические операции над событиями определяют правила действий с событиями и позволяют выражать одни события через другие. Операции над событиями применимы только для событий, представляющих подмножества одного и того же пространства элементарных событий.

Действия с событиями можно наглядно изобразить с помощью диаграмм Венна. В диаграммах событиям соответствуют различные области на плоскости, условно обозначающие подмножества элементарных событий, из которых состоят события. Так, на диаграммах рис.1.1 пространству элементарных событий соответствуют внутренние точки квадрата, событию А _ внутренние точки круга, событию В _ внутренние точки треугольника. То, что события А и В являются подмножествами пространства элементарных событий (А, В), изображено на диаграммах рис.1.1а,б.

Суммой (объединением) событий А и В называется событие С=А+В (или С=АВ), состоящее в том, что произойдет хотя бы одно из событий А или В. Событие С состоит из всех элементарных событий, принадлежащих по крайней мере одному из событий А или В, или обеим событиям. На диаграмме (рис 1.2.) событию С соответствует заштрихованная область С, представляющая объединение областей А и В. Аналогично суммой нескольких событий А 1 , А 2 ,…, А n называется событие С, состоящее в том, что произойдет хотя бы одно из событий А i , i=:

Сумма событий объединяет все элементарные события, из которых состоят А i , i=. Если события Е 1 , Е 2 ,…, Е n образуют полную группу, то их сумма равна достоверному событию:

Сумма элементарных событий равна достоверному событию

Произведением (пересечением) событий А и В называется событие С=АВ (или С=АВ), состоящее в совместном появлении событий А и В. Событие С состоит из тех элементарных событий, которые принадлежат и А, и В. На рис 1.3.а событие С представлено пересечением областей А и В. Если А и В - несовместные события, то их произведение - невозможное событие, т. е. АВ= (рис. 1.3.б).

Произведение событий А 1 , А 2 ,…, А n - это событие С, состоящее в одновременном выполнении всех событий А i , i=:

Произведения попарно несовместных событий А 1 , А 2 ,…, А n - невозможные события: А i А j =, для любого ij. Произведения событий, составляющих полную группу - невозможные события: Е i Е j =, ij, произведения элементарных событий - также невозможные события: ij =, ij.

Разностью событий А и В называется событие С=А_В (С=АВ), которое состоит в том, что происходит событие А и не происходит событие В. Событие С состоит из тех элементарных событий, которые принадлежат А и не принадлежат В. Диаграмма разности событий приведена на рис. 1.4. Из диаграммы видно, что С=А_В=

Противоположным событием для события А (или его дополнением) называется событие, которое состоит в том, что событие А не произошло. Противоположное событие дополняет событие А до полной группы и состоит из тех элементарных событий, которые принадлежат пространству и не принадлежат событию А (рис. 1.5). Таким образом, - это разность достоверного события и события А: =_А.

Свойства операций над событиями.

Переместительные свойства: А+В=В+А, А·В=В·А.

Сочетательные свойства: (А+В)+С=А+(В+С), (АВ)С=А(ВС).

Распределительное свойство: А(В+С)=АВ+АС.

Из определений операций над событиями следуют свойства

А+А=А; А+=; А+=А; А·А=А; А·=А; А·=

Из определения противоположного события следует, что

А+=; А=; =А; =; =; ;

Из диаграммы рис.1.4 очевидны свойства разности совместных событий:

Если А и В - несовместные события, то

Очевидны также свойства совместных событий

Для противоположных событий верны свойства, которые иногда называют правилом де Моргана или принципом двойственности: операции объединения и пересечения меняются местами при переходе к противоположным событиям

Доказательство принципа двойственности можно получить графически с помощью диаграмм Венна или аналитически, применив свойства 1-6

Следует обратить внимание на то, что действия, аналогичные действиям "приведение подобных членов" и возведения в степень в алгебре чисел, недопустимы при операциях с событиями.

Например, при операциях с событиями правильными являются действия:

Ошибочное применение действий по аналогии с алгебраическими: (А+В)В=А+ВВ=А проводит к неверному результату (проверьте с помощью диаграмм Венна!).

Пример 1.11. Доказать тождества

а) (А+С)(В+С)=АВ+С;

б) АС_В=АС_ВС

а) (А+С)(В+С) = АВ+СВ+АС+СС = АВ+С(А+В)+С= =АВ+С(А+В)+С = АВ+С(А+В+) = АВ+С = АВ+С;

б) АС_В = АС = СА = С(А_В) = СА_СВ = АС_ВС

Пример 1.12. Приз разыгрывается между двумя финалистами шоу-программы. Розыгрыш производится по очереди до первой удачной попытки, число попыток для каждого участника ограничено тремя. Первый финалист начинает первым. Рассматриваются события: А={приз выиграл первый финалист}; В={приз выиграл второй финалист}. 1) Дополнить эти события до полной группы и составить для нее достоверное событие. 2) Составить полную группу элементарных событий. 3) Выразить события первой полной группы через элементарные. 4) Составить другие полные группы событий и записать через них достоверные события.

1) События А и В несовместные, до полной группы они дополняются несовместным событием С={приз не выиграл никто}. Достоверное событие ={приз выиграет или первый финалист, или второй, или никто не выиграет} равно: =А+В+С.

2) Введем события, которые описывают исход каждой попытки для каждого игрока и не зависят от условий конкурса: А i ={первый финалист успешно провел i-тую попытку}, В i ={второй финалист успешно провел i-тую попытку}, . Эти события не учитывают условий конкурса, поэтому не являются элементарными относительно факта выигрыша приза. Но через эти события с помощью операций над событиями можно составить полную группу элементарных событий, которые учитывают условия выигрыша с первой удачной попытки: 1 ={первый финалист выиграл приз с первой попытки}, 2 ={второй финалист выиграл приз с первой попытки}, 3 ={первый финалист выиграл приз со второй попытки}, 4 ={второй финалист выиграл приз со второй попытки}, 5 ={первый финалист выиграл приз с третьей попытки}, 6 ={второй финалист выиграл приз с третьей попытки}, 7 ={оба финалиста не выиграли приз за три попытки}. По условиям конкурса

1 =А 1 , 2 =, 3 =, 4 =,

5 =, 6 = , 7 = .

Полная группа элементарных событий: ={ 1 ,…, 7 }

3) События А и В через элементарные выражаются с помощью операций суммирования, С совпадает с элементарным событием:

4) Полные группы событий также составляют события

Соответствующие им достоверные события:

={первый финалист или выиграет приз, или не выиграет}=;

={второй финалист или выиграет приз, или не выиграет}=;

={приз или не выиграют, или выиграют}=.