概率应用题

📘 概率初步·
⭐⭐⭐
·公平性判断、决策

🎯 学习目标

  • 理解概率在判断游戏或规则是否公平中的作用
  • 能通过计算事件发生的概率比较各方获胜的可能性
  • 学会利用概率知识进行简单决策

📚 核心概念

在概率初步中,公平性判断是指通过比较不同参与者获胜的概率是否相等,来判断一个游戏或规则是否公平。如果每个参与者获胜的概率相同,则认为该规则是公平的;否则就是不公平的。

例如,在掷一枚均匀硬币决定谁先开始游戏时,正面朝上和反面朝上的概率都是 12\frac{1}{2},因此对双方是公平的。

决策则是指根据概率大小选择更有利的方案。比如有两个抽奖箱,A箱中奖概率是 0.30.3,B箱是 0.60.6,那么理性选择应是B箱。

判断公平性的关键是:

  1. 明确所有可能的结果(样本空间);
  2. 确定每个参与者获胜对应的结果数量;
  3. 计算各自的概率:
P(事件)=有利结果数所有可能结果总数P(\text{事件}) = \frac{\text{有利结果数}}{\text{所有可能结果总数}}

只有当各方的概率相等时,规则才是公平的。

📝 关键公式

  • 基本概率公式P(A)=事件A包含的结果数所有可能结果总数P(A) = \frac{\text{事件A包含的结果数}}{\text{所有可能结果总数}}

    • 示例:掷一个六面骰子,出现偶数的概率是 36=12\frac{3}{6} = \frac{1}{2}
  • 公平性条件:若两个玩家获胜概率相等,即 P(甲赢)=P(乙赢)P(\text{甲赢}) = P(\text{乙赢}),则游戏公平。

    • 示例:两人抽签,两张签一张写“赢”一张写“输”,每人抽一张,则 P(甲赢)=P(乙赢)=12P(\text{甲赢}) = P(\text{乙赢}) = \frac{1}{2},公平。

💡 经典例题

例题1(基础):小明和小红玩一个游戏:从标有数字1到4的四张卡片中随机抽出一张,抽到奇数小明赢,抽到偶数小红赢。这个游戏公平吗?

解题过程

  1. 所有可能结果:1, 2, 3, 4,共4种。
  2. 小明赢的情况(奇数):1, 3 → 共2种。
  3. 小红赢的情况(偶数):2, 4 → 共2种。
  4. 计算概率:
    • P(小明赢)=24=12P(\text{小明赢}) = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}
    • P(小红赢)=24=12P(\text{小红赢}) = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}
  5. 因为两者概率相等,所以游戏公平

例题2(进阶):一个转盘被分成8个相等扇形,其中3个红色、2个蓝色、3个绿色。规定:指针停在红色小李得分,停在蓝色或绿色小王得分。这个游戏公平吗?如果不公平,如何修改使其公平?

解题过程

  1. 总区域数:8。
  2. 小李得分区域:红色 → 3块。
  3. 小王得分区域:蓝色 + 绿色 = 2 + 3 = 5块。
  4. 概率计算:
    • P(小李得分)=38P(\text{小李得分}) = \frac{3}{8}
    • P(小王得分)=58P(\text{小王得分}) = \frac{5}{8}
  5. 因为 3858\frac{3}{8} \neq \frac{5}{8},所以不公平
  6. 修改建议:让双方得分区域各占4块。例如,将1块绿色改为红色,则红=4,蓝+绿=4,此时概率均为 48=12\frac{4}{8} = \frac{1}{2},游戏公平。

⚠️ 易错点

  • 错误认为“结果种类多就概率大”:比如认为抽到红、蓝、绿三种颜色,每种概率都是 13\frac{1}{3},忽略了每种颜色区域数量不同。避免方法:始终用“有利结果数 ÷ 总结果数”计算。

  • 忽略样本空间是否等可能:如用不均匀的骰子或转盘却当作均匀处理。避免方法:题目未说明“均匀”“随机”“等可能”时要谨慎,通常默认等可能,但需确认。

  • 混淆“公平”与“好玩”:公平只看概率是否相等,与游戏是否有趣无关。避免方法:紧扣定义——概率相等即公平。

  • 计算总结果数出错:例如在抽两张牌时误以为顺序无关却按顺序计数。避免方法:明确是否考虑顺序,保持分子分母计数方式一致。

💡 例题

1

有4个盒子,每个盒子里都有10个球。已知第一个盒子有3个红球,第二个盒子有4个红球,第三个盒子有5个红球,第四个盒子有6个红球(其余都是白球)。现在从这4个盒子中随机选择一个盒子,再从该盒子中随机取出1个球。求恰好取出红球的概率。

① 先算出所有盒子中红球的总数:3+4+5+6=18(个) ② 再算出所有盒子的球总数:10×4=40(个) ③ 因为是从任意一个盒子中任意取出一个球,所以取出红球的概率就是红球占总球数的比例:18÷40=18/40=9/20

2

有4个盒子,盒子中分别装有2个、3个、4个、5个小球。已知第一个盒子中有1个红球,第二个盒子中有2个红球,第三个盒子中有2个红球,第四个盒子中有3个红球(其余小球为其他颜色)。先从这4个盒子中随机选择一个盒子,再从选中的盒子中随机摸出一个小球。求摸到红色小球的概率。

① 先计算从每个盒子中摸到红球的概率:

  • 盒子1:共2个球,红球1个,概率为 1/2
  • 盒子2:共3个球,红球2个,概率为 2/3
  • 盒子3:共4个球,红球2个,概率为 2/4 = 1/2
  • 盒子4:共5个球,红球3个,概率为 3/5 ② 先选盒子再摸球是分步进行,所以用乘法:
  • 选盒子1并摸到红球:1/4 × 1/2 = 1/8
  • 选盒子2并摸到红球:1/4 × 2/3 = 1/6
  • 选盒子3并摸到红球:1/4 × 1/2 = 1/8
  • 选盒子4并摸到红球:1/4 × 3/5 = 3/20 ③ 这四种情况是互斥的,求总体概率需要用加法: 1/8 + 1/6 + 1/8 + 3/20 = 15/120 + 20/120 + 15/120 + 18/120 = 68/120 = 17/30

✏️ 练习

1

复平面上有一个区域SS,定义为

S={x+iy:1x1,1y1}.\begin{aligned} S = \{x + iy: - 1\le x\le1, - 1\le y\le1\}. \end{aligned}

小明从区域SS中等可能地任选一个复数z=x+iyz = x + iy。求(34+34i)z\left(\frac34 + \frac34i\right)z也落在SS中的概率。

2

在下面的数轴上随机选一个点。这个点离4比离0更近的概率是多少?结果保留一位小数。

3

在顶点为(±2,±2)(\pm 2, \pm 2)的正方形区域内随机选取一点PP。求该点到原点的距离不超过1的概率。用含π\pi的最简分数表示。

4

一个盒子里有5个绿球和kk个紫球,其中kk是一个未知的正整数。从盒子里随机摸出一个球。如果摸到绿球,小明赢2美元;如果摸到紫球,小明输2美元。如果玩一次游戏的平均赢钱数是50美分,那么kk是多少?

5

小红和小明各自在1:00到2:00之间随机时间到达一个派对。已知小红比小明晚到,那么小明在1:30之前到达的概率是多少?