CS70 · 讨论课 08a

扑克 Ace、弹珠盒、对决气象学家

本节讨论课涵盖概率论中的容斥原理、全概率公式、贝叶斯公式以及组合计数方法,通过扑克牌抽样和弹珠抽样问题练习概率计算。

知识焦点

先建立概念地图

  • 概率
  • 容斥原理
  • 条件概率
  • 贝叶斯公式
  • 全概率公式
  • 组合计数
  • 贝叶斯定理
  • 辛普森悖论

建议顺序

题面 → 提示 → 答案

先完整作答,再按需展开提示;最后才展开官方参考解答并逐步核对证明与计算。

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完整题目、提示与答案

本节按本地一手资料完整整理,共 3 道大题。本地官方解答已完整收录并默认折叠;建议先独立完成,再逐题核对推导。

使用说明

  • 所有题面均已本土化,并补足网页离线作答所需的数值、代码、表格与约束。
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1四张 A题目 · 提示 · 答案
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完整题面

考虑一副标准的 52 张扑克牌(相关笔记:Note 13、Note 14):

(a) 求随机抽取一张牌时,抽到 A(Ace,王牌)或红色牌的概率。

(b) 求随机抽取一张牌时,抽到 A 或黑桃(spade),但不同时满足两者的概率。

(c) 求随机抽取 5 张牌的一手牌时,抽中方片 A(ace of diamonds)的概率。

(d) 求随机抽取 5 张牌的一手牌时,恰好抽到 2 张 A 的概率。

(e) 求随机抽取 5 张牌的一手牌时,至少抽到 1 张 A 的概率。

(f) 求随机抽取 5 张牌的一手牌时,至少抽到 1 张 A 或至少抽到 1 张红心(heart)的概率。

查看解题提示

本题涉及容斥原理与补集计数。对于"至少一个"类型的问题,考虑其补事件往往更简便。注意 52 张牌中有 4 张 A、26 张红色牌、13 张黑桃、13 张红心;其中红心 A 同时属于 A 和红心两个集合,方片 A 同时属于 A 和红色两个集合。

展开官方参考解答

(a) 容斥原理(Inclusion-Exclusion Principle): \[ P(\text{A 或红色}) = \frac{4}{52} + \frac{26}{52} - \frac{2}{52} = \frac{28}{52} = \frac{7}{13} \]

(b) 容斥原理,但排除交集部分(即抽到 A 或黑桃,但不同时是黑桃 A): \[ P(\text{A 或黑桃,但不同时满足}) = \frac{4}{52} + \frac{13}{52} - 2 \cdot \frac{1}{52} = \frac{15}{52} \]

(c) 方片 A 已固定,其余 4 张牌可以是其余 51 张中的任意: \[ \frac{\binom{51}{4}}{\binom{52}{5}} \]

(d) 计算抽到 2 张 A 和 3 张非 A 的方式数: \[ \frac{\binom{4}{2} \cdot \binom{48}{3}}{\binom{52}{5}} \]

(e) 用补集计算,即 1 减去没有 A 的概率: \[ P(\text{至少一张 A}) = 1 - P(\text{零张 A}) = 1 - \frac{\binom{48}{5}}{\binom{52}{5}} \]

(f) 用补集计算,即 1 减去既没有 A 也没有红心的概率: \[ P(\text{至少一张 A 或至少一张红心}) = 1 - P(\text{零张 A 且零张红心}) = 1 - \frac{\binom{36}{5}}{\binom{52}{5}} \] 这是因为 \(52 - 13 - 3 = 36\),其中 13 是红心的数量,3 是非红心 A 的数量。

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2盒中弹珠题目 · 提示 · 答案
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完整题面

给定两个盒子:一个装有 900 颗红色弹珠和 100 颗蓝色弹珠,另一个装有 500 颗红色弹珠和 500 颗蓝色弹珠。

(a) 若随机选择一个盒子,再从中随机取一颗弹珠,求取到蓝色弹珠的概率。

(b) 若已知取到的是蓝色弹珠,求它来自盒子 1 的概率。

(c) 假设从盒子 1 中取出一颗弹珠,不看颜色就放到一边。再从盒子 1 中取另一颗弹珠。求第二颗弹珠是蓝色的概率。

查看解题提示

(a)(b) 考虑使用全概率公式与贝叶斯公式,定义好事件(如从哪个盒子取、取到何种颜色)。(c) 考虑对第一颗弹珠的颜色进行分类讨论(全概率公式),或利用对称性论证:所有弹珠在任意位置被取到的可能性相同。

展开官方参考解答

(a) 设 B 为取到蓝色弹珠的事件,R 为取到红色弹珠的事件,A₁ 为从盒子 1 取弹珠的事件,A₂ 为从盒子 2 取弹珠的事件。需求 \(P[B]\)。由全概率公式(total probability): \[ P[B] = P[B \mid A_1]P[A_1] + P[B \mid A_2]P[A_2] = 0.5 \times 0.1 + 0.5 \times 0.5 = 0.3 \]

(b) 本小问需求 \(P[A_1 \mid B]\)。由贝叶斯公式(Bayes' rule): \[ P[A_1 \mid B] = \frac{P[B \mid A_1]P[A_1]}{P[B \mid A_1]P[A_1] + P[B \mid A_2]P[A_2]} = \frac{0.1 \times 0.5}{0.5 \times 0.1 + 0.5 \times 0.5} = \frac{1}{6} \]

(c) 设 B₁ 为第一颗弹珠是蓝色的事件,R₁ 为第一颗弹珠是红色的事件,B₂ 为第二颗弹珠是蓝色(不看第一颗颜色)的事件。需求 \(P[B_2]\)。由全概率公式: \[ P[B_2] = P[B_2 \mid B_1]P[B_1] + P[B_2 \mid R_1]P[R_1] = \frac{99}{999} \times 0.1 + \frac{100}{999} \times 0.9 = 0.1 \]

更一般地,可以看出从盒子 1 中取出的第 \(n\) 颗弹珠是蓝色的概率为 0.1。这由对称性可知:1000 颗弹珠的所有排列具有相同的概率,因此第 \(n\) 颗弹珠是蓝色的概率与第一颗弹珠是蓝色的概率相同。

解答来源:solutions/discussion/dis08a-sol.pdf · 1-2 · confidence: high

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3对决的气象学家题目 · 提示 · 答案
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完整题面

3 对决的气象学家 (Duelling Meteorologists)

注 14 (Note 14)

Tom 是纽约的一位气象学家。在下雪的日子里,Tom 正确预报下雪的概率为 70%。在不下雪的日子里,Tom 正确预报不下雪的概率为 95%。在纽约,一年中有 10% 的日子会下雪。

(a) 如果 Tom 说将要下雪,那么实际会下雪的概率是多少?

(b) 设 A 为事件:在某一天,Tom 正确预报了天气。求 \\(P[A]\\)。

(c) Tom 的朋友 Jerry 是阿拉斯加的一位气象学家。尽管 Jerry 的整体准确率比 Tom 低,但她声称自己比 Tom 更优秀。在查看了她们的记录后,你确定 Jerry 确实比 Tom 更擅长在下雪天预报下雪以及在晴天预报晴天。请给出上述情况的一个实例。提示:与纽约相比,阿拉斯加的天气情况如何?

图表条件 · 该图对比了 Tom 和 Jerry 在不同降雪频率下的预报表现,直观展示了辛普森悖论:尽管 Jerry 在每个类别上都更准确,但由于阿拉斯加降雪频率更高,她的整体准确率反而更低。

Tom(纽约)

  • 降雪概率:\\(P(S) = 10\\%\\)

  • 下雪时预报准确率:\\(P(T|S) = 70\\%\\)

  • 不下雪时预报准确率:\\(P(T^c|S^c) = 95\\%\\)

  • 整体准确率:\\(P(A) = \\frac{37}{40} = 92.5\\%\\)

Jerry(阿拉斯加)

  • 降雪概率:\\(P(S) = 80\\%\\)

  • 下雪时预报准确率:\\(P(T|S) = 80\\%\\)

  • 不下雪时预报准确率:\\(P(T^c|S^c) = 100\\%\\)

  • 整体准确率:\\(0.8 \\times 0.8 + 0.2 \\times 1.0 = 0.84 = 84\\%\\)

对比结论:Jerry 在每个类别上的准确率都不低于 Tom,但整体准确率(84%)低于 Tom(92.5%),此即辛普森悖论。

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(a) 考虑使用贝叶斯定理(Bayes' theorem)。你需要求的是 \\(P(\\text{下雪} \\mid \\text{预报下雪})\\)。思考 Tom 预报下雪的总概率如何由两种情况组成。

(b) Tom 正确预报有两种情形:确实下雪且预报下雪,或确实不下雪且预报不下雪。分别计算这两种情形的概率再相加。

(c) 思考阿拉斯加的降雪频率与纽约有何不同。如果阿拉斯加下雪的日子要多得多,为什么 Jerry 在每个类别上都更准确,但整体准确率却更低?这涉及到辛普森悖论(Simpson's paradox)。

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(a) 设 S 为下雪的事件,T 为 Tom 预报下雪的事件。

\\[P[S|T] = \\frac{P[S \\cap T]}{P[T]} = \\frac{P[S] \\cdot P[T|S]}{P[S \\cap T] + P[S^c \\cap T]} = \\frac{\\frac{1}{10} \\times \\frac{7}{10}}{\\frac{1}{10} \\times \\frac{7}{10} + \\frac{9}{10} \\times \\frac{5}{100}} = \\frac{14}{23}\\]

(b) \\[P[A] = P[S \\cap T] + P[S^c \\cap T^c] = \\frac{1}{10} \\times \\frac{7}{10} + \\frac{9}{10} \\times \\frac{95}{100} = \\frac{37}{40}\\]

(c) 尽管 Jerry 的整体准确率较低,但如果天气不同,她仍然可能是一位更好的气象学家。

例如,假设阿拉斯加一年中有 80% 的日子下雪。

  • 当下雪时,Jerry 正确预报下雪的概率为 80%。

  • 当不下雪时,Jerry 正确预报不下雪的概率为 100%。

Jerry 的整体准确率为 \\(0.8 \\times 0.8 + 0.2 \\times 1.0 = 0.84 = 84\\%\\),低于 Tom 的 \\( \\frac{37}{40} = 0.925 = 92.5\\%\\)。尽管 Jerry 在两个类别上都比 Tom 更准确,但她的整体准确率却比 Tom 低!下面的图表对这种情况进行了直观说明。直觉上,Jerry 的错误受到的惩罚比 Tom 更重,因为阿拉斯加下雪的日子更多。

欲了解更多此类现象的信息,请查阅辛普森悖论(Simpson's Paradox)!

解答来源:solutions/discussion/dis08a-sol.pdf · 2-3 · confidence: high

题面来源:discussion/dis08a.pdf · 3 · confidence: high


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