Mathématiques🎓 objectif bac

الإحصاء والاحتمالات

الاحتمالات الشرطية، دستور الاحتمالات الكلية و الحوادث المستقلة

🔊 La maîtresse lit pour toi
في ثانوية أربعمائة تلميذ في الأقسام النهائية، يدرسون الإنجليزية أو الألمانية. احتمال أن يكون تلميذ مختار عشوائيا يدرس الألمانية معروف. لكن إن قيل لك مسبقا إنّ المختارة بنت، تغيّر السؤال: لم يعد الاختيار من أربعمائة بل من مائتين و عشرين. فكيف يتغيّر الاحتمال لمّا تصل معلومة جديدة؟

الاحتمال الشرطي ليس مفهوما جديدا بقدر ما هو تضييق لمجموعة المخارج: نستبدل بالكون كلّه الجزء الذي نعلم أنّه تحقّق، ثمّ نعيد الحساب داخله. كلّ ما يأتي بعد ذلك نتيجة.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • حساب احتمال شرطي بالتعريف و بالقراءة المباشرة من جدول
  • توظيف دستور الجداء لحساب احتمال تقاطع
  • التعرّف على تجزئة و تطبيق دستور الاحتمالات الكلّية
  • بناء شجرة مرجّحة و قراءة الاحتمالات منها
  • إثبات استقلال حادثتين أو نفيه
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • احتمال حادثة و الحادثة العكسية و خواصّ الاحتمال
  • قراءة جدول ذي مدخلين

1. الاحتمال الشرطي

لتكن A حادثة احتمالها غير معدوم. نعرّف على مجموعة المخارج احتمالا جديدا يرفق بكلّ حادثة B العدد الآتي، و نقرؤه «احتمال B علما أنّ A محقّقة».

تعريف الاحتمال الشرطي

البسط يعدّ المخارج الملائمة لـ B داخل A، و المقام يقيس A التي صارت الكون الجديد. القسمة على احتمال A هي بالضبط ما يعيد المجموع إلى الواحد.

pA(B) = p(A ∩ B)p(A)
pA(B)احتمال الحادثة B علما أنّ A محقّقة، و يُكتب أيضا ⁦p(B/A)⁩Aالحادثة المعلوم تحقّقها، احتمالها غير معدوم
⛔ الترتيب في الكتابة ليس تجميليّا: ⁦⁦p(B/A)⁩⁩ و ⁦⁦p(A/B)⁩⁩ عددان مختلفان. في المثال الافتتاحي، احتمال أن تدرس الألمانية علما أنّها بنت لا يساوي احتمال أن تكون بنتا علما أنّ التلميذ يدرس الألمانية. المقام يتغيّر: مرّة البنات و مرّة دارسو الألمانية. أكثر الأخطاء شيوعا في هذا الدرس، و في الحياة أيضا.

2. دستور الجداء

دستور الجداء

التعريف نفسه مكتوبا بشكل آخر. و هو الأنفع عمليّا: في السحب المتتالي دون إرجاع، نعرف احتمال السحبة الأولى، ثمّ احتمال الثانية بعدما تغيّر الصندوق. الجداء يربطهما.

p(A ∩ B) = p(A) × pA(B)
⭐ متى تستعمل التعريف و متى تستعمل الجداء؟ إن كان الجدول أو العدّ يعطيك التقاطع مباشرة فاستعمل التعريف. و إن كانت التجربة على مراحل (سحب ثمّ سحب، رمي ثمّ سحب) فاستعمل الجداء: كلّ مرحلة تعطي عاملا.

3. التجزئة

تجزئة المجموعة الشاملة هي عائلة أجزاء منها، غير خالية، منفصلة مثنى مثنى، و اتّحادها المجموعة كلّها. بعبارة أخرى: كلّ مخرج يقع في جزء واحد لا أكثر و لا أقلّ.

شروط التجزئة

الشرط الثاني يمنع الحساب مرّتين، و الثالث يمنع النسيان. و أبسط تجزئة على الإطلاق هي حادثة و عكسيتها.

Ai ≠ φ ; Ai ∩ Aj = φ (i ≠ j) ; A1 ∪ ... ∪ An = E
كلّ مخرج يقع في جزء واحد لا أكثر و لا أقلّ؛ فتقاطعات الحادثة مع الأجزاء تجزّئها هي أيضا.

4. دستور الاحتمالات الكلّية

لتكن الحوادث الأولى تجزئة للمجموعة الشاملة، احتمالاتها غير معدومة. عندئذ تنقسم كلّ حادثة B إلى قطع منفصلة، قطعة في كلّ جزء، فيكون احتمالها مجموع احتمالات القطع.

دستور الاحتمالات الكلّية

لأنّ العائلة المكوّنة من تقاطعات B مع أجزاء التجزئة هي تجزئة لـ B نفسها: لا مخرج من B يفوتها و لا مخرج يُحسب مرّتين.

p(B)=p(A1 ∩ B) + p(A2 ∩ B) + ... + p(An ∩ B)
الصيغة العمليّة

نعوّض كلّ تقاطع بدستور الجداء. هذه هي الصيغة التي تُستعمل فعلا، لأنّ المعطى يعطي دائما احتمالات الأجزاء و الاحتمالات الشرطية داخلها، لا التقاطعات.

p(B) = p(A1) pA1(B) + ... + p(An) pAn(B)

5. الشجرة المرجّحة

الشجرة هي الدستور نفسه مرسوما. تنطلق من نقطة، و يقابل كلّ فرع من المستوى الأوّل جزءا من التجزئة، ثمّ يتفرّع كلّ منها حسب الحادثة المدروسة. و لها أربع قواعد تختصر الدرس كلّه.

  • مجموع الأوزان الخارجة من عقدة واحدة يساوي واحدا — و هو أوّل تحقّق تجريه
  • وزن فرع في المستوى الثاني احتمال شرطي، لا احتمال بسيط
  • احتمال مسار هو جداء أوزانه — و هو دستور الجداء
  • احتمال حادثة هو مجموع مساراتها — و هو دستور الاحتمالات الكلّية
مجموع الأوزان الخارجة من كلّ عقدة يساوي واحدا؛ و هو أوّل تحقّق يُجرى على الشجرة قبل أيّ حساب.

6. الحوادث المستقلة

أحيانا لا تغيّر المعلومة شيئا: أن تعرف أنّ A تحقّقت لا يبدّل حظّ B. عندئذ نقول إنّ الحادثتين مستقلّتان.

تعريف الاستقلال

هذا هو التعريف المعتمد، لأنّه متناظر و لا يشترط أن يكون أيّ احتمال غير معدوم.

p(A ∩ B) = p(A) × p(B)
الصيغة المكافئة

نعوّض في التعريف الشرطي. و هي الصيغة الأقرب إلى الحدس: العلم بـ A لا يغيّر حظّ B.

p(A) ≠ 0 ⟹ [p(A ∩ B) = p(A) p(B) ⟺ pA(B) = p(B)]
⛔ الاستقلال ليس عدم التلاؤم، و بينهما تناقض تقريبا. حادثتان غير متلائمتين تقاطعهما خال، فإذا تحقّقت إحداهما استحالت الأخرى: هذا ارتباط شديد لا استقلال. و في الواقع حادثتان غير متلائمتين و مستقلّتان معا لا بدّ أن يكون احتمال إحداهما معدوما. لا تخلط بين جمع الاحتمالات و ضربها.
⭐ متى تكون الحادثتان مستقلّتين في تمرين؟ لمّا تنتجان عن تجربتين مختلفتين لا تؤثّر إحداهما في الأخرى: رميتان متتاليتان، قاذفان مختلفان، سحب بإرجاع. و بالمقابل، في السحب دون إرجاع تتعلّق نتيجة السحبة الثانية بنتيجة الأولى، لأنّ السحبة الأولى تغيّر الصندوق: فلا تفترض الاستقلال، بل تحقّق منه بالحساب.
مثال 1: الاحتمال الشرطي مقروءا من جدول

يتوزّع أربعمائة تلميذ في الأقسام النهائية حسب اللغة الحيّة و الجنس: 130 من البنين يدرسون الإنجليزية و 50 الألمانية، و 140 من البنات يدرسن الإنجليزية و 80 الألمانية. نختار تلميذا عشوائيا. نسمّي F الحادثة «التلميذ المختار بنت» و D الحادثة «التلميذ المختار يدرس الألمانية».

🎯المطلوب: احسب احتمال أن يكون المختار بنتا، و احتمال أن يدرس الألمانية، ثمّ احتمال أن تدرس الألمانية علما أنّها بنت، و قارن النتيجة الأخيرة بالتعريف.

🔹الخطوة 1: عدد البنات

البنات هنّ مجموع سطر البنات: مائة و أربعون في الإنجليزية و ثمانون في الألمانية.

n(F)=140 + 80=220
🔹الخطوة 2: احتمال أن تكون بنتا

نقسم على العدد الكلّي و نختزل بالقسمة على عشرين.

p(F)=220400=1120
🔹الخطوة 3: احتمال الألمانية

دارسو الألمانية هم مجموع عمودها: خمسون من البنين و ثمانون من البنات.

p(D)=50 + 80400=130400=1340
🔹الخطوة 4: القراءة المباشرة

«علما أنّها بنت» يعني أنّ الكون صار البنات وحدهنّ: نعدّ داخل السطر.

p(DF)=80220=411
🔹الخطوة 5: التعريف

و نحسبه الآن بالتعريف: التقاطع هو خانة البنات الدارسات للألمانية.

p(D ∩ F)=80400=15
✅النّتيجة

نقسم على احتمال البنات، فيبسّط المقام أربعمائة، و نجد العدد نفسه.

p(F) = 1120 ; p(D) = 1340 ; p(DF) = 80400220400 = 411
⭐ هذا التمرين هو تعريف الاحتمال الشرطي، مكتشفا لا مسلّما به. القراءة المباشرة من السطر و القسمة بالتعريف تعطيان العدد نفسه، و ليس ذلك مصادفة: المقام أربعمائة يبسّط، فلا يبقى إلاّ عدّ داخل السطر. و لاحظ الفرق بين ⁦13/40⁩ و ⁦4/11⁩: المعلومة غيّرت الاحتمال فعلا، فالحادثتان مرتبطتان.
مثال 2: سحب دون إرجاع

صندوق فيه خمس قريصات مرقّمة 0 و 2 و 4 و 6 و 8، و ثلاث قريصات مرقّمة 1 و 3 و 5، لا نميّز بينها باللمس. نسحب على التوالي و دون إرجاع قريصتين. نسمّي A الحادثة «القريصة الأولى تحمل رقما زوجيا» و B الحادثة «القريصة الثانية تحمل رقما زوجيا».

🎯المطلوب: احسب احتمال الحصول على رقمين زوجيين.

🔹الخطوة 1: السحبة الأولى

القريصات ثماني في المجموع، منها خمس تحمل أرقاما زوجية.

n(E) = 5 + 3 = 8 ; n(A) = 5 ⟹ p(A) = 58
🔹الخطوة 2: الصندوق تغيّر

بعد سحب قريصة زوجية دون إرجاعها، صار الصندوق يحوي سبع قريصات، منها أربع زوجية.

n(E') = 7 ; n(B') = 4
🔹الخطوة 3: الاحتمال الشرطي

فالاحتمال الشرطي للسحبة الثانية يُقرأ من الصندوق الجديد.

pA(B) = 47
🔹الخطوة 4: الجداء

نطبّق دستور الجداء.

p(A ∩ B)=(58) × (47)=2056
✅النّتيجة

نختزل بالقسمة على أربعة.

p(A ∩ B) = 514
⭐ دون إرجاع يعني أنّ المقام ينقص. ثمانية ثمّ سبعة. من كتب ⁦5/8⁩ مرّتين عالج السحب كأنّه بإرجاع، و خسر التمرين من سطره الثاني. اسأل دائما: هل الصندوق هو نفسه في السحبة الثانية؟ ⚖️ و يمكنك التحقّق بالعدّ المباشر: عدد الترتيبات ذات عنصرين من الخمسة الزوجية على عدد الترتيبات ذات عنصرين من الثمانية، أي عشرون على ستّة و خمسين، و هي النتيجة نفسها.
مثال 3: شجرة مرجّحة و احتمالات كلّية

صندوقان: الأوّل فيه خمس كرات خضراء و ثلاث حمراء، و الثاني فيه ثلاث خضراء و ستّ حمراء، و لا نميّز بين الكرات باللمس. نرمي حجر نرد غير مزوّر مرقّما من 1 إلى 6: إن حصلنا على 5 أو 6 سحبنا كرة من الصندوق الأوّل، و إلاّ سحبنا من الثاني. نسمّي B الحادثة «نحصل على 5 أو 6» و A الحادثة «الكرة المسحوبة خضراء».

🎯المطلوب: أنشئ الشجرة المرجّحة و أكملها بالقيم، ثمّ استنتج احتمال أن تكون الكرة المسحوبة خضراء.

🔹الخطوة 1: المستوى الأوّل

الرقمان 5 و 6 من ستّة أرقام متساوية الاحتمال.

p(B)=26=13
🔹الخطوة 2: الفرع الثاني

و عكسيتها بالمتمّمة إلى الواحد.

p(B)=1 − 13=23
🔹الخطوة 3: الفرع العلوي

إذا تحقّقت B نسحب من الصندوق الأوّل: خمس خضراء من ثمان.

pB(A) = 58 ⟹ pB(A) = 38
🔹الخطوة 4: الفرع السفلي

و إذا تحقّقت عكسيتها نسحب من الثاني: ثلاث خضراء من تسع، أي الثلث.

pB(A) = 39 = 13 ⟹ pB(A) = 23
🔹الخطوة 5: الدستور

الحادثتان B و عكسيتها تشكّلان تجزئة، فنطبّق دستور الاحتمالات الكلّية: مساران يؤدّيان إلى الكرة الخضراء.

p(A) = p(B) pB(A) + p(B) pB(A)
🔹الخطوة 6: المسارات

نعوّض و نحسب كلّ مسار.

p(A)=(13)(58) + (23)(13)=524 + 29
✅النّتيجة

نوحّد المقامين على اثنين و سبعين: خمسة عشر و ستّة عشر.

p(A)=1572 + 1672=3172
⭐ ارسم الشجرة قبل أيّ حساب. هي التي تمنعك من نسيان مسار، و هي التي تذكّرك بأنّ أوزان المستوى الثاني احتمالات شرطية. تحقّق دائما: مجموع الفروع الخارجة من كلّ عقدة يساوي واحدا.
مثال 4: قاذفان مستقلّان

يرمي قاذفان S و T في الوقت نفسه هدفا معيّنا. الحادثتان A «القاذف S يصيب الهدف» و B «القاذف T يصيب الهدف» مستقلّتان، و احتمالاهما ⁦4/5⁩ و ⁦7/8⁩ على الترتيب.

🎯المطلوب: احسب احتمال أن يصيب القاذفان معا، ثمّ أن يصيب الأوّل وحده، ثمّ أن لا يُصاب الهدف، ثمّ أن يُصاب، ثمّ أن يصيبه قاذف واحد فقط.

🔹الخطوة 1: يصيبان معا

الحادثتان مستقلّتان، فاحتمال التقاطع جداء الاحتمالين.

p=pS × pT=(45)(78)=2840=710
🔹الخطوة 2: الأوّل فقط

«الأوّل فقط» يعني أنّه أصاب و الثاني أخطأ، و الاستقلال ينسحب على العكسيّتين.

p=pS × (1 − pT)=(45) × (18)=440=110
🔹الخطوة 3: لا أحد يصيب

«لم يُصب الهدف» يعني أنّ كليهما أخطأ.

p=(1 − pS)(1 − pT)=(15)(18)=140
🔹الخطوة 4: الهدف يُصاب، بالمتمّمة

«يُصاب الهدف» عكس «لم يُصب»، فأسرع طريق هو المتمّمة إلى الواحد.

p=1 − 140=3940
🔹الخطوة 5: التحقّق بالاتّحاد

و نتحقّق بدستور الاتّحاد: مجموع الاحتمالين ناقص جداءهما.

pS + pT − pS pT=45 + 78 − 710=3240 + 3540 − 2840=3940
🔹الخطوة 6: قاذف واحد فقط

«قاذف واحد فقط» اتّحاد حالتين غير متلائمتين: الأوّل يصيب و الثاني يخطئ، أو العكس. انتبه إلى تقاطع الدليلين.

p=pS × (1 − pT) + pT × (1 − pS)
✅النّتيجة

الحدّ الأوّل حسبناه في الخطوة 2، و الثاني جداء سبعة أثمان في خمس.

p=440 + (78)(15)=440 + 740=1140
⭐ الخطوتان 4 و 5 تحسبان الشيء نفسه بطريقين، و التطابق يقين. اعتد على هذا في كلّ سؤال «على الأقلّ واحد»: احسبه بالمتمّمة، ثمّ تحقّق بدستور الاتّحاد. و في الخطوة الأخيرة انتبه جيّدا إلى تقاطع الدليلين: الحدّ الأوّل يقرن احتمال الأوّل بعكس الثاني، لا بعكس نفسه — الخلط هنا يعطي عددا بعيدا تماما عن الصواب.
مثال 5: تكرار تجربة مستقلّة

نرمي n مرّة حجر نرد مكعّبا غير مزوّر، أوجهه مرقّمة من 1 إلى 6، حيث n عدد طبيعي أكبر من 1.

🎯المطلوب: احسب احتمال الحادثة A: «نحصل مرّة واحدة على الأقلّ على رقم فردي».

🔹الخطوة 1: الحادثة العكسية

الحساب المباشر يعني جمع حالات: رقم فردي واحد، أو اثنان، أو … و هذا طويل جدّا. نمرّ بالعكس.

p(A) = 1 − p(A)
🔹الخطوة 2: احتمال رمية واحدة

نرمز بـ p₁ لاحتمال الحصول على رقم زوجي في رمية واحدة: ثلاثة أرقام زوجية من ستّة.

p1=36=12
🔹الخطوة 3: الاستقلال

الرميات مستقلّة لأنّ كلّ واحدة تجربة قائمة بذاتها لا تؤثّر في غيرها، فنضرب.

p(A)=(12) × (12) × ... × (12)
🔹الخطوة 4: القوّة

و العوامل n، فالجداء قوّة.

p(A) = 12n
✅النّتيجة

نعود إلى الحادثة الأصلية بالمتمّمة.

p(A) = 1 − 12n
⭐ «مرّة واحدة على الأقلّ» ⟸ عكسها «و لا مرّة»، و هي حالة واحدة دائما. هذا هو أنفع انعكاس في الاحتمالات كلّها. و لاحظ أنّ النتيجة تقترب من الواحد لمّا يكبر n: من رمى النرد عشر مرّات يكاد يوقن أنّه رأى رقما فرديا.
⛔ التمرين النموذجي في الباكالوريا هو شجرة بمستويين مع سؤال أخير عن الاحتمال الشرطي المعكوس: «علما أنّ الكرة بيضاء، ما احتمال أنّها من الصندوق الأوّل؟». لحسابه تحتاج تقاطعا و احتمالا كلّيا، أي كلّ ما سبق. اكتب دائما التعريف أوّلا (تقاطع على شرط) ثمّ املأ البسط و المقام: لا تحاول قراءته من الشجرة مباشرة، فالشجرة تعطي الاتّجاه الأوّل لا المعكوس.
الخلاصة: الاحتمال الشرطي يضيّق الكون إلى ما نعلم أنّه وقع، و دستور الجداء يقرأ التقاطع مرحلة بمرحلة، و دستور الاحتمالات الكلّية يجمع مسارات التجزئة. الشجرة المرجّحة ترسم الثلاثة معا. و الاستقلال هو الحالة التي لا تغيّر فيها المعلومة شيئا، فيصير الجداء بسيطا.

Page 1/12

© Madrassati — leçon rédigée par Madrassati · madrassati.net