【趣味数学】骰子模型揭开概率统计之谜
-
骰子模型
揭开概率统计之谜
——抽象形象与数形思想
●
骰子坦然
设局不公
一赌场庄主正在大声吆喝:恭喜发财,骰子可爱,输
1
元钱,赢
100
块!这种吆喝还真
有效果,围上
赌席的赌客还真的不少
.
一位中学数学教师对这种赌局也产生
了“兴趣”
,钻上前去想看个究竟
.
原
来,赌具是三
粒骰子:
赌局设
计如下:如果同时出现
3
个
6
点(即下图)
:
p>
则赌客可以赢得庄家的
100
元!如果不同
时出现
3
个
6
点(下图为其一种)
:
p>
则赌客输给庄家的只是
1
元钱!
难怪有这么多人参赌的,原来输赢之比竟为
1<
/p>
:
100
!
这位数学教师稍微一想,差点笑了出来
!
此时也正好与一个赌客回头相见:
“你站在这
儿干啥,还不
快点押,输一赢百,天下哪有这种便宜事!
”
说也奇怪,赌场上还真的有赢
100
元的人,当然他不
一定是押的
3
个
6
,也可能押的是
3
个
5
,或
3
个
4
的,总之都是输一赢百
.
数学教师摇了摇头,小声
对那位赌客说:
“假如我手中现在有
216
元钱,按这种赌局,
在未投下骰子之前,我事先就输子
11
6
元!
”
那位赌客听不懂这位教师的话,回头又赌去了
.
这数学教师对满场的赌客感到遗憾,但又无法说服他们
.
回家之后,赶紧挥笔,写下这
篇奇文——抛掷骰子,揭开概率统计之谜!
●
一掷骰子
敲开概率之门
投掷一枚骰子后,不论
哪一面朝上,都是一个
“
事件
”.
p>
不同的人去投掷这枚骰子,或同一个人多次投掷这枚骰子,结果会
不尽相同
.
所以每次
投掷,都是
“
随机事件
”.
<
/p>
投掷一枚骰子的结果,不看也知道:出现的点数必定是
1
,
2
,
3
,
4
,
5
< br>,
6
之一,所以
出现
1-6
点是
“
必然事件<
/p>
”.
不论什么人投掷这枚骰子,决不会
出现
1
—
6
以
外的点
.
所以出现这些点都是
“
不可能事
件
”.
<
/p>
投掷一枚骰子,
有
6
种不同的结果,
每种结果出现的可能性相同,
所以又称这样
的事件
为
“
等可能事件
”.
投掷一枚骰子,
既然是
等可能事件,
所以出现
1
—
6
的任何一点,
可能性都是
出现
1
—
6
的任何一点,概率都是
1
.
或者说,<
/p>
6
1
.
6
p>
1
1
,而且这
6<
/p>
个
之和是
1
,所
6
6
投掷一枚骰子,既然出现
1
—
6
的任何一点,概
率都是
以必然事件发生的概率是
1
;出
现
1
—
6
以外
的任何一点都不可能,所以不可能事件发生的
概率是
0
;而随机事件是既可能发生,也可能不发生,所以随机事件发生的概率总界于
0
与
1
之间
.
概率学就是研究事物发生的可能性的
.
< br>我们在今后的社会实践中一定会碰到大量的
“
事
件
”
,通过
“
骰子模型
”
学好了概率论,掌握其基本规律,就
能最大限度地避免有害事件,促
成有益事件,有应对各种不同事件的强大能力
.
●
再掷骰子
认知概率初步
【例
1
】
将骰子先后抛掷
2
次,计算:
(
p>
1
)一共有多少种不同的结果?
(
2
)其中向上的点数之和是
< br>5
的结果有多少种?
(
3
)向上的数之和是
5
的概率是多少?
【
解析
】
<
/p>
(
1
)一枚骰子抛掷一次,骰子向上的点
数可以是
1
,
2
,
3
,
4
,
5
,
6.
共<
/p>
6
种
不同的结果
.
先后抛掷两次,属于重复排列,故有
6
36
种不同的结果
.
(
2
)用数对
x
,
y
表示先后两次抛掷骰子出现的点数,那么向上的点数之和是
5
的情
况有(
1
,
4
)
;
(
< br>2
,
3
)
;
(
3
,
2
)
;
(
4
p>
,
1
)共
4
种
.
(
3
)由(
1
)知将骰子先后抛掷
< br>2
次的基本事件总数为
n
p>
36
,由(
2
)知
事件
A
:其
中向上的点数之和是
5
的事件
A
的种数<
/p>
m
4
.
p>
故向上的点数之和是
5
的概率是:
P
A
2
m
1
< br>
.
n
9
【
说明
】
本例提供了求等可能事件概率的基本方法:
< br>如果一次试验中可能出现的结果有
card
(
I
)
=
n
个,其中某个特殊事件
A
出现的结果
< br>有
card
(
A
)
=
m
个,则事件
A
发生的概率
P
(
A
)
=
m
n
1
.
公式(
1
)就是古典概率的基本公式
.
链接:
一个骰子连续投
2
次,点数和为
4
的概率是
.
【
答案
】
1
12
●
三掷骰子
找到加法公式
【例
2
】
<
/p>
抛掷骰子一次,
(
1
)出现
2
点或
3
< br>点的概率是多少?(
2
)不出现
2
点或
3
点
的
概率是多少?
【
解析
1
】
(
1
)
设抛掷骰子一次,
出现
2
点或
3
点的事件为
A
,
因为基本事件总数
n
=6
,
而事件
A
的种数
m
=2.
由公式(
1
)
:
p
A
2
1
6
3
(
2
)
设抛掷骰子一次,不出现<
/p>
2
点或
3
点的事
件为
B
,
则
B
有
1
,
4
p>
,
5
,
6
共四种可能
.
即这时
n
=6
,
m
=4
.
由公式(
1
)
:
p
B
4
2
<
/p>
.
6
3
p>
【
解析
2
】
(
1
)设抛掷骰子
一次,出现
2
点的事件为
A
,出现
3
点的事件为
B<
/p>
,那么:
1
1
1
1
p
A
p>
p
B
,
故出现
2
点或
3
点的概率
p
A
B
p
A
< br>
p
B
.
6
6
6
3
p>
(
2
)设抛掷骰子一次,不出现
2
点或
3
点的事件为
p>
C
,则
1
2
p
C
1
p
A
B
1
.
3
3<
/p>
在本例中,抛掷骰子一次,出现
2
点与出
现
3
点不能同时发生
.
这种不可能同时发生的
两个事件叫做互斥事件
.
互斥事件适合概率的加法,即
若事件
A
与
B
互斥,那么
<
/p>
P
(
A
+
B
)
=
P
(
A
)
+
P
(
B
)
(
2
)
. <
/p>
若事件
A
,
B<
/p>
,
C
,…
X
p>
互斥,那么
P
(
A
+
B
+
p>
C
+
…
+
X
)
=
P
(
A
)
+
< br>P
(
B
)
+
P
(
C
)
+
…
+
P
p>
(
X
)
p>
(
2′
)
.
抛掷骰子一次,出现
2
或
3
点与不出现
2
或
3
点也不能同时发生
.
p>
所以这两个事件也是
互斥事件
.
但抛掷骰子一次,出现
2
或
3
点与不出现
2
或
< br>3
点又必定有一个发生
.
这种<
/p>
其中必
定有一个发生的事件称为对立事件
.
故若记事件
A
的对立事件为
A
,那么
P
A
P
A
1
3
.
互斥事件与对立事件的关系:两事件互斥时不一定对
立,但两事件对立则一定互斥
.
也
就是
说:
两事件互斥是它们对立的必要不充分条件
.
反过来,两事件对立则是它们互斥的充
分不必要条件
.
链接:
从
2
0
名男同学,
10
名女同学中任选
p>
3
名参加体能测试,则选到的
3
名同学中既
有男同学又有女同学的概率为(
)
A
.
p>
9
10
19
20<
/p>
B
.
C
.
D
.
29<
/p>
29
29
29
【
分析
】
本题
不属于
“
骰子模型
”
< br>,
但很容易将其改造成为
“
骰子
模型
”
:
投掷
30
枚骰子,
其中有
20
枚出现奇数点,
10
枚出现偶数点
< br>.
从中任取
3
枚既有奇数点又有
偶数点的概率是
多少?
【
解析
1
】
(利用互斥事件)不受限制的选法有
C
30
3
1
30
29
28
4060
种,选
p>
6
1
2
出的
3
名同学中既有男生又有女生有两种情况,
1
男
2
女的选法有
C
20
C
10
20
45
900
2
1
种,
2
男
1
女的选法有
C
20
< br>
C
10
190
10
< br>1900
种
.
这两种情况互斥,
故选出的
3
名同学中
< br>既有男生又有女生的选法共有
1900+900=2800
种,其概率为
P
【
解析
2
】
< br>
(利用对立事件)不受限制的选法有
C
30
3
2800
20
.
选
D.
4060
29
1
p>
30
29
p>
28
4060
种,选
6
3
出
的
3
名同学中全为男生的选法有
C
p>
3
20
19
18
1140
种,全为女生的选法有
C
10
20
1
6
1260
9
1
.
10
9
8
120
种
.
故不合条件的选法有
11
40+120=1260
种,其概率为
P
4060
29
6
< br>20
于是选出的
3
名同学中既有
男生又有女生的选法,其概率为
P
1
P
,选<
/p>
D.
29
●
四用骰子
弄明乘法规律
【例
3
】
<
/p>
回到文首的问题上来,某一家赌场开出的参赌条件是:
每人每次出
资
1
元掷
骰子
3
枚,如出现
3
个
6
点则奖
100
元,否则付出的<
/p>
1
元归赌主所有
.
你认为这条规则公平吗?试简述理由
.
【
解析
】
<
/p>
不妨将投出的
3
枚骰子编号为
1
,
2
,
3.
显然第
1
枚骰子出现<
/p>
6
点的概率是
出现
6
点的概率也是
1
;在第
1
枚骰子出现
6
点的条件
下,第
2
枚骰子
6
1
;在
1
,
2
号骰子都出现
6
点的条件下,第<
/p>
3
枚骰子再出现
6
点的概
6
1
1
1
1
1
率还是
.
根据分步计数原理,
3
枚骰子同时
出现
6
点的概率是
< br>
.
6
6
6
6
216
这就是说,这家赌场所设置的参赌规则
1
:
100
是不公平的,只有将规则定为
1
:
216
才算公平
.
事实上,一切赌场都是赢利机构,它们所制定的参赌规则都不可能公平
.
在本例中掷骰子
3
枚,
每枚是否出现
6
点互相没有影响,这种事件就是相
互独立事件
.
一般地:相互独立事件
A
与
B
同时发
生的概率是
P
(
A
·
B
)
=
P
(
A
)<
/p>
·
P
(
B
)
.
(
4
)
p>
如果事件
A
,
B<
/p>
,…
X
都互相独立,那么它们同时发生的
概率是
P
(
A
·
B
·
…<
/p>
·
X
)
=
P
(
A
)
·
P
(
B
)
·
…
·
P
(
X
)
.
(
4′
)
链接:
某人射击一次击中的概率是<
/p>
0.6
,经过
3
次射击,此人至少有两次击中目标的概
率为(
)
81<
/p>
54
36
27
B.
C.
D.
125
125
125
125
【
解析
】
设此人在
3
次射击中,至少有两次击中目标的事件为
A
p>
,则
A
有两种情况
.
A
.
27
3
一是
3
次全击中,其概率为
;
< br>5
125
另一是
3
次射击恰有两次击中,这又有
C
< br>3
种情况,每种情况都是
2
中<
/p>
1
不中,故其概
2
3
3
率
为:
C
5
2
p>
3
2
3
54
.
1
5
< br>125
27
54
81
,选
A.
125
125
125
2
)
27
这两
种情况互斥,根据公式
2
,所求概率为
p
A
<
/p>
【
说明
】
p>
1.
本题虽然不是骰子模型,却很容易改造成为骰子模型:
掷骰子
3
枚,其中
至少
出现
2
个
6
点
的概率是多少?
读者不妨解之
.
(参考
答案:
2.
本例的题型属于
“
独立重复试验
”.
一般地,
如果在
1
次试验中某事件发生的概率是
P
,
那么在
n
次独立重复试验中该事件恰好发生
k
次的概率
k
k
P
< br>n
k
C
n
P
1
P
p>
n
k
5
.
●
五看骰子
见到概率
“
期望
”
抛掷一枚骰子,设得到的点数为
ξ
,则
ξ
可能取的值有
1
,
2
,
3
,
4
,
5
,
6
共
6<
/p>
种不同
的结果,每种结果出现的概率都是
ξ
P
1
2
1
,写成分布列就是:
6
4
5
6
3
1
6
1
6
1
6
1
6
1
6
1
6
p>
这样,抛掷一枚骰子,得到点数的期望是:
E
ξ
P
1<
/p>
1
2
3
4
5
6
3.5
6
x
1
p
1
x
2
p
2
…
…
p>
一般地说,如果离散型随机变量
ξ
的分布列
是:
x
n
p
n
…
…
p>
则
ξ
的数学期望是:
E
x
1
p
1
p>
x
2
p
2
L
x
n
p
n
< br>L
需要说明的是:
6
. <
/p>
1
.
ξ
是随机试
验过程中的自变量,
而
P
则是
ξ
的函数
.
在本质上它
与函数
y
f
x
中的
变
量
x
与
y
的关
系是一样的
.
不同的是,一般地说,
x
表示连续型的变量,它是不可数的;而
ξ
则是离散型的随机变量,它是可数的,只能在正整数范围内取值;
< br>2
.写出离散型随机变量的分布列,实质上是写出某种试验过程中所有不同的试验
结果
及其发生的概率;
3
.任一离散型随机变量的分布列都具有如下的两个性质:
(
1
)
P
i
0,
i
1,
2,
L
;
(
2
)
p>
P
1
P
2
L
1
.
这两个性质是检测分布列是否写得正确的主要标准
.
4
.所谓
ξ
的数学期望
就是
ξ
各种取值的平均数
.
如果
ξ
的不同值出现的概率都相等,它
就是简单平均数;如果
ξ
的不同值出现的概率不全
相等,它就是加权平均数
.
例如:同时投掷
< br>10
枚骰子,出现
3
个
1
点,
4
个
2
点,
2
个
5
点和
1
个
6
点,那么这次
投掷中平均点数是多少?
显然,用
1
1
2
5
6
3.5
计算是不妥的,正确的算法是:
< br>
4
1
1
3
2
4
5
p>
2
6
1
2.7
10
1
.
这里所掷相同点的次数
3
,
4
,
2
,
1
便称为权
.
如果利用期望公式
p>
6
,那么应该先写出点数
ξ
的分布列
.
∵
p
1
ξ
P
3
4<
/p>
2
1
,
p
2
,
p
5
,
p
6
<
/p>
,故有:
1
0
10
10
10
1
2
5
6
3
10
4
10
2
10
2
1
10
ξ<
/p>
的期望
E
<
/p>
1
3
4
2
1
2
5
6
2.7
10
10
10
10
比较
1
,
2
两种算法,可见它们的实质是一样的
.
而且在多种情况下,第
1
种算法更
为简便
.
因此我们说,求期望就是求平均数
.
【例
4
】
<
/p>
掷骰子
3
枚,如果出现
< br>6
点就能获奖,写出离散型随机变量
ξ
< br>的分布列和获
奖的数学期望
.
【
解析
】
<
/p>
掷骰子
3
枚,随机变量
< br>ξ
=0
,
1
,
2
,或
3.
< br>
5
125
< br>ξ
=0
表示
3
< br>枚骰子中没有一个出现
6
点,∴
P
(
ξ
=0
)
=
p>
;
6
216
1
5
75
ξ
=1
表示
3
枚骰子中恰有
一个出现
6
点,∴
P
< br>(
ξ
=1
)
=
C
1
;
3
p>
6
6
216
1
5
15
ξ
=2
表示
3
枚骰子中恰有
2
个出现
6
点,∴
P
(
ξ
=2
)
=
C<
/p>
;
6
6
216
2
3
2
2
3
1
1
ξ
=3
表示
3
枚骰子都出现
6
点,
,∴
P
(
ξ
=3
)
=
.
6
< br>216
于是
ξ
的分布列是:
ξ
P
ξ
的数学期望是:
0
1
2
3
3
125
216
75
216
15
216
1
2
16
1
125
75
15
1
E
0×
+1×
+2×
+3×
=
.
216
216
216
216
2