الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الاحتمالات الاحتمالات المتساوية على مجموعة منتهية

قانون احتمال مرفق بتجربة عشوائية

🔊 المعلّمة تقرأ لك
إذا رميت قطعة نقود مئة مرّة، ستلاحظ أن نسبة ظهور الوجه تقترب من 0,5 كلّما زاد عدد الرميات، رغم أن نتيجة كل رمية على حدة غير مؤكّدة. فكيف نلخّص كل النتائج الممكنة لتجربة عشوائية و احتمال كلّ واحدة منها في أداة رياضية واحدة؟

عندما نكرّر تجربة عشوائية عددا كبيرا من المرّات، تقترب تواترات النتائج من أعداد ثابتة: هذه الأعداد الثابتة هي احتمالات النتائج، و مجموعها كلّها هو قانون الاحتمال المرفق بالتجربة. هذا الدرس يبني هذا المفهوم، ثمّ يعطي أداة لبنائه (الشجرة المثقلة) و أداة للتحقّق منه (اختبار التلاؤم).

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • تعريف قانون احتمال مرفق بتجربة عشوائية ذات عدد منتهٍ من النتائج
  • التحقّق من صحّة قانون احتمال بواسطة شرطيه: كل احتمال بين 0 و 1، و مجموعها يساوي 1
  • بناء قانون احتمال بواسطة شجرة مثقلة عند تكرار تجربة عدّة مرّات
  • قياس التلاؤم بين توزيع ملاحظ فعليا و قانون توزيع منتظم بواسطة العدد d²
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • حساب احتمال حادثة في حالة تساوي الاحتمال: عدد الحالات الملائمة على الممكنة
  • قراءة تواتر نتيجة في جدول إحصائي: عدد مرّات ظهورها على عدد التجارب
  • ضرب احتمالات فروع مستقلّة على شجرة مثقلة

1. تعريف قانون احتمال

نعتبر تجربة عشوائية نتائجها الممكنة هي x₁ ، x₂ ، ...... ، xₙ، عددها منتهٍ. لكلّ نتيجة xᵢ نرفق عددا pᵢ يسمّى احتمالها. الجدول الذي يربط كلّ نتيجة باحتمالها يسمّى قانون احتمال التجربة.

شرطا قانون احتمال

⭐ كلّ جدول أرقام لا يصلح قانون احتمال: يجب أن يكون كلّ عدد بين 0 و 1، و أن يكون مجموعها كلّها يساوي 1 بالضبط — لا أكثر و لا أقلّ.

0 ≤ pᵢ ≤ 1 ; Σᵢ pᵢ = 1
pᵢاحتمال النتيجة رقم i من نتائج التجربة
⛔ الخطأ الأكثر شيوعا: نسيان التحقّق من المجموع. جدول تكون فيه كلّ الأعداد بين 0 و 1 لكن مجموعها 0,9 أو 1,1 ليس قانون احتمال، مهما بدت أعداده معقولة.

2. بناء قانون احتمال بواسطة شجرة مثقلة

عندما تتكوّن التجربة من عدّة مراحل متتالية و مستقلّة، نبني شجرة مثقلة: من كلّ عقدة تنطلق فروع تحمل احتمالات مراحل التجربة، و احتمال الوصول إلى ورقة (نهاية مسلك) هو جداء احتمالات الفروع التي يمرّ بها المسلك.

أربعة مسالك، احتمال كلّ مسلك هو جداء احتمالي فرعيه، و مجموع الاحتمالات الأربعة يساوي 1.
مثال 1: بناء قانون احتمال بواسطة شجرة مثقلة

صندوق يحوي 3 كريات حمراء و كريتين زرقاوين لا نميّز بينها باللمس. نسحب كرية نلاحظ لونها ثمّ نعيدها إلى الصندوق، ثمّ نسحب كرية ثانية بنفس الطريقة.

🎯المطلوب: أنشئ الشجرة المثقلة لهذه التجربة، ثمّ اكتب قانون احتمال عدد الكريات الحمراء المسحوبة.

📌المعطى: احتمالا اللونين

نكتب احتمال كلّ لون عند سحبة واحدة: 3 كريات حمراء و2 زرقاء من 5 كريات كلّها.

p(R) = 35 ; p(B) = 25
🔹الخطوة 1: التحقّق من مجموع سحبة واحدة

نتحقّق أنّ هذين الاحتمالين يكوّنان قانونا صحيحا لسحبة واحدة.

35 + 25=1
🔹الخطوة 2: احتمال مسلك أحمر ثمّ أحمر

نعيد الكرية المسحوبة إلى الصندوق، فتبقى احتمالات السحبة الثانية هي نفسها.

p(RR)=35 × 35=925
🔹الخطوة 3: احتمال مسلك أحمر ثمّ أزرق

نضرب احتمال اللون الأول في احتمال اللون الثاني، بأيّ ترتيب جاءا.

p(RB)=35 × 25=625
🔹الخطوة 4: احتمال مسلك أزرق ثمّ أحمر

نفس الحساب في الاتجاه المعاكس، و الجداء يعطي نفس العدد.

p(BR)=25 × 35=625
🔹الخطوة 5: احتمال مسلك أزرق ثمّ أزرق

و أخيرا المسلك الذي لا يظهر فيه الأحمر إطلاقا.

p(BB)=25 × 25=425
🔹الخطوة 6: التحقّق من مجموع المسالك الأربعة

نتحقّق أنّ مجموع احتمالات المسالك الأربعة يساوي 1، و هذا يثبت أنّ الشجرة صحيحة.

925 + 625 + 625 + 425=1
🔹الخطوة 7: احتمال ⁦X=0⁩

نسمّي X عدد الكريات الحمراء المسحوبة، فيمكن أن تكون 0 أو 1 أو 2. المسلك BB هو الوحيد الذي لا يحوي أيّ كرية حمراء.

p(X=0)=p(BB)=425
🔹الخطوة 8: احتمال ⁦X=1⁩

المسلكان RB و BR يعطيان كلاهما كرية حمراء واحدة بالضبط، و لا يتقاطعان، فنجمع احتماليهما.

p(X=1)=p(RB) + p(BR)=625 + 625=1225
✅النّتيجة: قانون احتمال X

و المسلك RR هو الوحيد الذي يحوي كريتين حمراوين.

p(X=2)=p(RR)=925
⭐ لاحظ أنّ مسلكين مختلفين (RB و BR) قد يعطيان نفس قيمة X. في هذه الحالة نجمع احتمالي المسلكين، لأنّ الحادثة ⁦X=1⁩ تتحقّق بأحدهما أو بالآخر.

3. التحقّق من قانون احتمال معطى

في بعض التمارين يُعطى جدول قانون احتمال ناقصا رقما واحدا، و يُطلب إيجاده: يكفي استعمال الشرط الثاني، مجموع الاحتمالات يساوي 1، لأنّ الاحتمالات الأخرى معروفة.

مثال 2: إيجاد احتمال ناقص في قانون احتمال

قانون احتمال يعطي ⁦p₁=0,1⁩ و ⁦p₃=0,3⁩ و ⁦p₄=0,2⁩ لثلاث نتائج، و يترك احتمال النتيجة الثانية مجهولا و يرمز له بـ m.

🎯المطلوب: أوجد قيمة m حتى يكون الجدول قانون احتمال صحيحا.

📌المعطى: قانون احتمال ناقص

نكتب الاحتمالات المعطاة، و m هو الاحتمال المجهول.

p₁ = 0,1 ; p₂ = m ; p₃ = 0,3 ; p₄ = 0,2
🔹الخطوة 1: كتابة معادلة المجموع

نستعمل الشرط الثاني: مجموع كل الاحتمالات يساوي 1.

0,1 + m + 0,3 + 0,2=1
🔹الخطوة 2: تبسيط الحدود المعروفة

نجمع الحدود المعروفة الثلاثة أولا.

0,6 + m = 1
🔹الخطوة 3: عزل m

نطرح 0,6 من الطرفين لنعزل m.

m=1 − 0,6=0,4
✅النّتيجة
m = 0,4
⭐ بعد إيجاد m تحقّق دائما أنّه بين 0 و 1: لو خرج سالبا أو أكبر من 1 لكان معطى التمرين نفسه متناقضا.

4. قياس التلاؤم مع قانون توزيع منتظم

قانون التوزيع المنتظم على n نتيجة هو القانون الذي يعطي كل نتيجة نفس الاحتمال ⁦1/n⁩. لمعرفة هل تجربة حقيقية (رمي نرد، سحب رقم...) تتبع فعلا توزيعا منتظما، نقارن التواترات الملاحظة بالاحتمال النظري ⁦1/n⁩ بواسطة العدد d²، و هو مجموع مربّعات الفروق.

المسافة بين التوزيع الملاحظ و التوزيع المنتظم

⭐ كلّما اقترب d² من 0، اقترب التوزيع الملاحظ من التوزيع المنتظم. القيمة وحدها لا تكفي: نقارنها بعتبة مرجعية مبنية بالمحاكاة.

d² = Σᵢ (fᵢ − 1n)²
fᵢالتواتر الملاحظ للنتيجة رقم inعدد النتائج الممكنة، المتساوية الاحتمال
مثال 3: حساب d² و مقارنته بقيمة مرجعية

رمينا حجر نرد 300 مرّة، فحصلنا على التواترات التالية للأوجه من 1 إلى 6 على الترتيب: 48 ، 52 ، 49 ، 51 ، 50 ، 50 رمية.

🎯المطلوب: احسب المسافة d² بين هذا التوزيع الملاحظ و التوزيع المنتظم على ستّة أوجه.

📌المعطى: توزيع الأوجه الستّة على 300 رمية

نتحقّق أنّ التواترات الست تشكّل توزيعا كاملا فعلا.

48 + 52 + 49 + 51 + 50 + 50=300
🔹الخطوة 1: التواتر الملاحظ للوجه الأول

نحوّل كل عدد رميات إلى تواتر بقسمته على المجموع 300.

f₁ = 48300
🔹الخطوة 2: الاحتمال النظري لتوزيع منتظم

الاحتمال النظري لوجه واحد من ستّة أوجه متساوية الاحتمال.

p = 16
🔹الخطوة 3: مربّع فرق الوجه الأول

نحسب مربّع الفرق للوجه الأول فقط، كمثال على الطريقة.

(48300 − 16)²=122500
✅النّتيجة

نكرّر نفس الحساب على الأوجه الستّة و نجمع النتائج الستّة.

d² = 19000
⭐ قيمة مرجعية: إذا رُمي نرد متوازن 300 مرّة، فمتوسّط قيم d² التي يعطيها هو ⁦(6 − 1)/(6 × 300) = 1/360 ≈ 0,0028⁩. القيمة المحسوبة ⁦1/9000 ≈ 0,0001⁩ أصغر منه بكثير، فلا شيء فيها يدعو إلى الشكّ في توازن النرد. أمّا العتبة التي نحكم بها فتُبنى بالمحاكاة.
مثال 4: التمييز بين توزيع منتظم و توزيع غير منتظم

قانون احتمال يعطي لأربع نتائج الاحتمالات 0,4 و0,3 و0,2 و0,1 على الترتيب.

🎯المطلوب: بيّن أنّ هذا القانون ليس قانون توزيع منتظم.

📌المعطى: قانون احتمال على 4 نتائج

نكتب احتمالات القانون المعطى.

p₁ = 0,4 ; p₂ = 0,3 ; p₃ = 0,2 ; p₄ = 0,1
🔹الخطوة 1: الاحتمال المنتظم المرجعي

قانون التوزيع المنتظم على 4 نتائج يعطي كل واحدة نفس الاحتمال.

p = 14
🔹الخطوة 2: مقارنة الاحتمالات ببعضها

نلاحظ أنّ الاحتمالات الأربعة المعطاة ليست متساوية فيما بينها.

0,4 ≠ 0,3 ≠ 0,2 ≠ 0,1
✅النّتيجة

نقارن الاحتمال الأول وحده بالاحتمال المنتظم المرجعي: عدم التساوي كافٍ للحكم.

p₁ = 0,4 ≠ 14
⭐ لا حاجة لحساب d² هنا: بمجرّد أن تختلف قيم pᵢ فيما بينها، أو أن تختلف عن ⁦1/4⁩، ينتفي التوزيع المنتظم بالتعريف — اختبار d² يُستعمل فقط عندما نشكّ في توزيع مفترض منتظم انطلاقا من تواترات ملاحظة، لا من احتمالات معطاة صراحة.
في البكالوريا يأتي هذا الدرس في أسئلة من نوع: «عيّن قانون الاحتمال» بشجرة مثقلة، أو «تحقّق أنّ الجدول المعطى قانون احتمال»، أو «احسب d² وقارنه بالعتبة المرجعية» للحكم على تلاؤم توزيع ملاحَظ مع توزيع منتظم. جهّز ثلاثة عناصر: ① الشرطان: كلّ احتمال pi بين 0 و 1، ومجموع الاحتمالات كلّها يساوي 1 ؛ ② الشجرة المثقلة: جداء الاحتمالات على المسلك، ثمّ جمع احتمالات المسالك التي تعطي القيمة نفسها ؛ ③ المسافة: ⁦d² = Σ (fi − 1/n)²⁩، حيث fi التواترات الملاحظة، ثمّ المقارنة بالعتبة المرجعية. ⚠️ الخطأ الشائع: نسيان التحقّق من المجموع ؛ جدول كلّ أعداده بين 0 و 1 لكنّ مجموعها 0,9 أو 1,1 ليس قانون احتمال، مهما بدت أعداده معقولة. ⚠️ وخطأ ثانٍ: جمع الاحتمالات على المسلك الواحد بدل ضربها.
الخلاصة: قانون احتمال هو جدول يربط كل نتيجة ممكنة لتجربة عشوائية باحتمالها، بشرطين لا يتنازلان: كل احتمال بين 0 و 1، و مجموعها كلّها يساوي 1. تُبنى هذه الاحتمالات بشجرة مثقلة عند تكرار التجربة (جداء على المسلك، جمع عند تساوي القيمة)، و يُختبر تلاؤمها مع توزيع منتظم بحساب المسافة d² و مقارنتها بعتبة مرجعية.

الصفحة 1/8

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net