חזור לתיקייה: 00940412 - הסתברות מ'

2 - הסתברות מותנית

חיפוש בתיקיה
Ctrl K
לחץ כאן או הקש Ctrl K כדי לחפש בכל התיקיה
  • כללי
  • נוסחאות מגניבות
  • אי תלות
  • אוסף של מאורעות ב"ת

2 - הסתברות מותנית

00940412

הסתברות מ'

רשימות הרצאה לקריאה בשבת

הסתברות מותנית

הופק מתוך תקיית התואר של שקד

uni-folder.vercel.app

מה שמעניין אותנו בהסתברות מותנית זה מה קורה כאשר אנו מתנים את ההסתברות במאורע.

הגדרה 1

יהי מרחב הסתברות (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},P)(Ω,F,P) ויהי B⊆ΩB \subseteq \OmegaB⊆Ω מאורע כך ש-P(B)>0P(B)>0P(B)>0. נגדיר

∀A⊂Ω:  P(A∣B)=P(A∩B)P(B)\forall A \subset \Omega:\; P(A \mid B)=\frac{P(A \cap B)}{P(B)}∀A⊂Ω:P(A∣B)=P(B)P(A∩B)​
דוגמה

מטילים קוביה הוגנת. אם ידוע שיצא מספר זוגי, מהי ההסתברות שיצא "4"?

P({4}∣{2k∣k∈N})=P({4}∩{2k∣k∈N})P({2k∣k∈N})=1612=13P(\left\{ 4 \right\}\mid \left\{ 2k \mid k \in \mathbb{N} \right\})=\frac{P(\left\{ 4 \right\}\cap \left\{ 2k \mid k \in \mathbb{N} \right\})}{P(\left\{ 2k \mid k \in \mathbb{N} \right\})}=\frac{\frac{1}{6}}{\frac{1}{2}}=\frac{1}{3}P({4}∣{2k∣k∈N})=P({2k∣k∈N})P({4}∩{2k∣k∈N})​=21​61​​=31​

בהטלה של 2 קוביות הוגנות, מה ההסתברות שהתוצאה השנייה תהיה 4 בהינתן שהתוצאה הראשונה היא 2?

זה לא אמור להשפיע, אך נרצה לוודא כי הנוסחה עדיין עובדת:

P({42}∣{21})=P({(2,4)})P({(2,?)})=13616=16P(\left\{ 4_{2} \right\}\mid \left\{ 2_{1} \right\})=\frac{P(\left\{ (2,4) \right\})}{P(\left\{ (2,?) \right\})}=\frac{\frac{1}{36}}{\frac{1}{6}}=\frac{1}{6}P({42​}∣{21​})=P({(2,?)})P({(2,4)})​=61​361​​=61​

לפעמים דווקא ההסתברות המותנית היא קלה יותר להבנה ונראה זאת במקרה הבא:

(דוגמת הכד) בכד יש bbb כדורים שחורים ו-www כדורים לבנים. מוציאים מהכד כדורים בזה אחר זה ללא החזרה. מהי ההסתברות שהכדור השני לבן אם ידוע שהכדור הראשון לבן?

כשיש הרבה מאורעות כדאי לסמן אותם בשם שאנו נזהה את המאורע לפיו כי אחרת אנחנו נתבלבל.
נסמן: BiB_{i}Bi​ זה שחור בהוצאה ה-iii ו-WiW_{i}Wi​ הוא לבן בהוצאה ה-iii.

P(W2∣W1)=P(W_{2} \mid W_{1})=P(W2​∣W1​)=

קל לדעת די בקלות את W1W_{1}W1​ כך: P(W1)=wb+wP(W_{1})=\frac{w}{b+w}P(W1​)=b+ww​. נשים לב כי כעת אנו יודעים כי:

P(W2∣W1)=w−1b+w−1P(W_{2} \mid W_{1})=\frac{w-1}{b+w-1}P(W2​∣W1​)=b+w−1w−1​
משפט

יהי (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},P)(Ω,F,P) מרחב הסתברות ויהי B⊆ΩB \subseteq \OmegaB⊆Ω מאורע כך ש-P(B)>0P(B)>0P(B)>0.
נסמן: PB(A)=P(A∣B)P_{B}(A)=P(A \mid B)PB​(A)=P(A∣B). אזי, PBP_{B}PB​ היא מידת הסתברות.

הוכחה:
נוכיח כי מתקיימות שלושת התכונות.

PB(∅)=P(∅∩B)P(B)=P(∅)P(B)=↓הגדרת מידת הסתברות0P(B)=0P_{B}(\emptyset)=\frac{P(\emptyset \cap B)}{P(B)}=\frac{P(\emptyset)}{P(B)}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{הגדרת מידת הסתברות}} \end{matrix}}{=} \frac{0}{P(B)}=0PB​(∅)=P(B)P(∅∩B)​=P(B)P(∅)​↓הגדרת מידת הסתברות​=​P(B)0​=0

לכן, התכונה הראשונה מתקיימת.

PB(C‾)=P(A‾∣B)=P(A‾∩B)P(B)=P(B)−P(A∩B)P(B)=1−p(A∩B)p(B)=1−PB(A)P_{B}(\overline{C})=P(\overline{A}\mid B)=\frac{P(\overline{ A}\cap B)}{P(B)}=\frac{P(B)-P(A \cap B)}{P(B)}=1-\frac{p(A \cap B)}{p(B)}=1-P_{B}(A)PB​(C)=P(A∣B)=P(B)P(A∩B)​=P(B)P(B)−P(A∩B)​=1−p(B)p(A∩B)​=1−PB​(A)

ולכן התכונה השנייה מתקיימת.
נסמן ב-NNN מספר סופי או אינסופי ואז:

PB(⨄k=1NAk)=P(⨄k=1NAk|B)=P((⨄k=1NAk)∩B)P(B)=P(⨄k=1N(Ak∩B))P(B)=1P(B)∑k=1NP(Ak∩B)=∑k=1NP(Ak∩B)P(B)=∑k=1NPB(Ak)\begin{align*} P_{B}\left(\biguplus_{k=1}^N A_{k}\right)&=P\left(\biguplus_{k=1}^N A_{k} \middle| B\right)=\frac{P\left( \left( \biguplus_{k=1}^N A_{k} \right)\cap B \right)}{P(B)}=\frac{P\left(\biguplus_{k=1}^N (A_{k}\cap B)\right)}{P(B)} \\ &=\frac{1}{P(B)}\sum_{k=1}^N P(A_{k} \cap B)=\sum_{k=1}^N \frac{P(A_{k}\cap B)}{P(B)}=\sum_{k=1}^N P_{B}(A_{k}) \end{align*}PB​(k=1⨄N​Ak​)​=P(k=1⨄N​Ak​​B)=P(B)P((⨄k=1N​Ak​)∩B)​=P(B)P(⨄k=1N​(Ak​∩B))​=P(B)1​k=1∑N​P(Ak​∩B)=k=1∑N​P(B)P(Ak​∩B)​=k=1∑N​PB​(Ak​)​

ולכן התכונה השלישית מתקיימת ולפי הגדרה PBP_{B}PB​ היא מידת הסתברות.
∎

הערה

זה כן נכון ש-P(A‾∣B)=1−P(A∣B)P(\overline{ A}\mid B)=1-P(A \mid B)P(A∣B)=1−P(A∣B) אך צריך לשים כי:

P(A∣B‾)  ≠  1−P(A∣B)P(A \mid \overline{ B}) {\;\LARGE\color{red}\neq\;} 1-P(A \mid B)P(A∣B)=1−P(A∣B)
משפט (תכונות PBP_{B}PB​)

יהי (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},P)(Ω,F,P) מרחב הסתברות ויהי BBB מאורע כף ש-P(B)>0P(B)>0P(B)>0. אזי:

  1. מתקיים: P(A∩B)>0  ⟺  PB(A)>0P(A \cap B)>0 \iff P_{B}(A)>0P(A∩B)>0⟺PB​(A)>0.
  2. מתקיים: PB(A∩B)=PB(A)P_{B}(A \cap B)=P_{B}(A)PB​(A∩B)=PB​(A).
  3. יהי CCC מאורע כך ש-PB(C)>0P_{B}(C)>0PB​(C)>0 אזי PB(A∣C)=P(A∣B∩C)P_{B}(A \mid C)=P(A \mid B \cap C)PB​(A∣C)=P(A∣B∩C).
  4. אם PPP שוות הסתברות על Ω\OmegaΩ אז PBP_{B}PB​ שוות הסתברות על BBB.

הוכחה 2:

PB(A∩B)=P(A∩B∣B)=P(A∩B∩B)P(B)=P(A∩B)P(B)=PB(A)P_{B}(A \cap B)=P(A \cap B \mid B)=\frac{P(A \cap B \cap B )}{P(B)}=\frac{P(A \cap B)}{P(B)}=P_{B}(A)PB​(A∩B)=P(A∩B∣B)=P(B)P(A∩B∩B)​=P(B)P(A∩B)​=PB​(A)

∎

הוכחה 3:

PB(A∣C)=PB(A∩C)P(C)=P(A∩C∣B)P(C∣B)=P(A∩C∩B)P(B)P(C∩B)P(B)=P(A∩(C∩B))P(C∩B)=PB∩C(A)P_{B}(A \mid C)=\frac{P_{B}(A \cap C)}{P(C)}=\frac{P(A \cap C \mid B)}{P(C \mid B)}=\frac{\frac{P(A \cap C \cap B)}{P(B)}}{\frac{P(C \cap B)}{P(B)}}=\frac{P(A \cap (C \cap B))}{P(C \cap B)}=P_{B \cap C}(A)PB​(A∣C)=P(C)PB​(A∩C)​=P(C∣B)P(A∩C∣B)​=P(B)P(C∩B)​P(B)P(A∩C∩B)​​=P(C∩B)P(A∩(C∩B))​=PB∩C​(A)

∎

הוכחה 4:
יהי b∈Bb \in Bb∈B.

PB({b})=P({b}∣B)=P({b}∩B)P(B)=P({b})P(B)P_{B}(\left\{ b \right\})=P(\left\{ b \right\}\mid B)=\frac{P(\left\{ b \right\} \cap B)}{P(B)}=\frac{P(\left\{ b \right\})}{P(B)}PB​({b})=P({b}∣B)=P(B)P({b}∩B)​=P(B)P({b})​

נתון כי PPP שוות הסתברות מעל Ω\OmegaΩ ולכן:

PB({b})=P({b})P(B)=1∣Ω∣∣B∣∣Ω∣=1∣B∣P_{B}(\left\{ b \right\})=\frac{P(\left\{ b \right\})}{P(B)}=\frac{\frac{1}{|\Omega|}}{\frac{|B|}{|\Omega|}}=\frac{1}{|B|}PB​({b})=P(B)P({b})​=∣Ω∣∣B∣​∣Ω∣1​​=∣B∣1​

ולכן, לפי הגדרה, PBP_{B}PB​ שוות הסתברות מעל BBB.
∎

נוסחאות מגניבות

משפט (נוסחת המכפלה)

P(A∩B)=P(B)⋅P(A∣B)P(A \cap B)=P(B)\cdot P(A \mid B)P(A∩B)=P(B)⋅P(A∣B)

הוכחה:
נובע מיידית מההגדרת P(A∣B)P(A \mid B)P(A∣B)
∎

דוגמה (מדוגמת הכד)

P(W1∩W2)=P(W1)P(W2∣W1)=wb+w⋅w−1b+w−1P(W_{1} \cap W_{2})=P(W_{1})P(W_{2} \mid W_{1})=\frac{w}{b+w}\cdot \frac{w-1}{b+w-1}P(W1​∩W2​)=P(W1​)P(W2​∣W1​)=b+ww​⋅b+w−1w−1​
משפט (הכללה של נוסחת המכפלה)

יהיו A1,A2,…,AnA_{1},A_{2},\dots,A_{n}A1​,A2​,…,An​ מאורעות כך ש-P(⋂k=1nAk)>0P(\bigcap_{k=1}^{n}A_{k})>0P(⋂k=1n​Ak​)>0 אזי:

P(⋂k=1nAk)=P(A1)⋅P(A2∣A1)⋅P(A3∣A1∩A2)⋯P(An  |  ⋂k=1n−1Ak)P\left(\bigcap_{k=1}^n A_{k}\right)=P(A_{1})\cdot P(A_{2} \mid A_{1})\cdot P(A_{3} \mid A_{1}\cap A_{2})\cdots P\left(A_{n}\smid \bigcap_{k=1}^{n-1} A_{k}\right)P(k=1⋂n​Ak​)=P(A1​)⋅P(A2​∣A1​)⋅P(A3​∣A1​∩A2​)⋯P(An​​k=1⋂n−1​Ak​)

הוכחה: באינדוקציה על nnn.
בסיס: עבור n=2n=2n=2 הוכחנו.
צעד: נניח שהטענה נכונה עבור nnn מאורעות ונוכיח שהיא נכונה עבור n+1n+1n+1 מאורעות.

P(⋂k=1n+1Ak)=P(A1∩A2∩A3∩⋯∩An+1) ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣=↓הנחת האינדוקציה ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣P(A1∩A2)P(A3∣A1∩A2)⋯P(An+1  |  ⋂k=1nAm) ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣=↓n=2  עבור ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣P(A1)P(A2∣A1)P(A3∣A1∩A2)⋯P(An+1  |  ⋂k=1nAm)\begin{align*} P\left(\bigcap_{k=1}^{n+1} A_{k}\right)&=P(A_{1}\cap A_{2}\cap A_{3}\cap \dots \cap A_{n+1}) \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{הנחת האינדוקציה}} \end{matrix}}{=}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! P(A_{1}\cap A_{2})P(A_{3} \mid A_{1} \cap A_{2})\cdots P\left(A_{n+1} \smid \bigcap_{k=1}^n A_{m}\right) \\ &\!\!\!\!\!\!\!\!\!\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ n=2\;\R{\text{עבור}} \end{matrix}}{=}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!P(A_{1})P(A_{2} \mid A_{1})P(A_{3} \mid A_{1} \cap A_{2})\cdots P\left(A_{n+1} \smid \bigcap_{k=1}^n A_{m}\right) \end{align*}P(k=1⋂n+1​Ak​)​=P(A1​∩A2​∩A3​∩⋯∩An+1​)↓הנחת האינדוקציה​=​P(A1​∩A2​)P(A3​∣A1​∩A2​)⋯P(An+1​​k=1⋂n​Am​)↓n=2עבור​=​P(A1​)P(A2​∣A1​)P(A3​∣A1​∩A2​)⋯P(An+1​​k=1⋂n​Am​)​

∎

משפט (נוסחת ההסתברות השלמה)

תהי A1,A2,…,AnA_{1},A_{2},\dots,A_{n}A1​,A2​,…,An​ חלוקה של Ω\OmegaΩ. (כלומר, ⋃k=1nAk=Ω\bigcup_{k=1}^n A_{k}=\Omega⋃k=1n​Ak​=Ω ומתקיים Ai∩Aj=∅A_{i}\cap A_{j}=\emptysetAi​∩Aj​=∅)
יהי מאורע B⊆ΩB \subseteq \OmegaB⊆Ω מאורע, אזי:

P(B)=∑k=1nP(B∣Ak)⋅P(Ak)P(B)=\sum_{k=1}^n P(B \mid A_{k})\cdot P(A_{k})P(B)=k=1∑n​P(B∣Ak​)⋅P(Ak​)

הוכחה:

P(B)=P(B∩Ω)=P(B∩(⨄k=1nAk))=P(⨄k=1n(B∩Ak))=∑k=1nP(B∩Ak)=∑k=1nP(Ak)⋅P(B∣Ak)\begin{align*} P(B)&=P(B \cap \Omega)=P\left( B \cap \left( \biguplus_{k=1}^n A_{k} \right) \right)=P\left(\biguplus_{k=1}^n (B \cap A_{k})\right)=\sum_{k=1}^n P(B \cap A_{k}) \\ &=\sum_{k=1}^n P(A_{k})\cdot P(B \mid A_{k}) \end{align*}P(B)​=P(B∩Ω)=P(B∩(k=1⨄n​Ak​))=P(k=1⨄n​(B∩Ak​))=k=1∑n​P(B∩Ak​)=k=1∑n​P(Ak​)⋅P(B∣Ak​)​

∎

הערה

יש ניסוחים לנוסחת ההסתברות השלמה בה במקום הדרישה Ai∩Aj=∅A_{i}\cap A_{j}=\emptysetAi​∩Aj​=∅ מופיעה הדרישה P(Ai∩Aj)=0P(A_{i}\cap A_{j})=0P(Ai​∩Aj​)=0.

תרגיל

הוכיחו את ההערה, זה היה לפני 4 שנים במבחן!

דוגמה (בדוגמת הכד)

P(W2)=P(W2∣W1)P(W1)+P(W2∣B1)P(B1)=w−1b+w−1⋅wb+w+wb+w−1⋅bb+w=w(w−1+b)(b+w)(b+w−1)=wb+w\begin{align*} P(W_{2})&=P(W_{2}\mid W_{1})P(W_{1})+P(W_{2}\mid B_{1})P(B_{1})=\frac{w-1}{b+w-1}\cdot \frac{w}{b+w}+\frac{w}{b+w-1}\cdot \frac{b}{b+w} \\ &=\frac{w\cancel{ (w-1+b) }}{(b+w)\cancel{ (b+w-1) }}=\frac{w}{b+w} \end{align*}P(W2​)​=P(W2​∣W1​)P(W1​)+P(W2​∣B1​)P(B1​)=b+w−1w−1​⋅b+ww​+b+w−1w​⋅b+wb​=(b+w)(b+w−1)w(w−1+b)​=b+ww​​

נשים לב כי זה דבר מוזר מאוד שכן אנו מוציאים כדור ולא מחזירים אותו.
בשיעורי הבית נוכיח כי לכל kkk מתקיים כי P(Wk)=wb+wP(W_{k})=\frac{w}{b+w}P(Wk​)=b+ww​.

משפט (נוסחת בייס)

יהיו A,BA,BA,B מאורעות כך ש-P(A)>0P(A)>0P(A)>0 וגם P(B)>0P(B)>0P(B)>0. אזי:

P(A∣B)=P(B∣A)⋅P(A)P(B)P(A \mid B)=\frac{P(B \mid A)\cdot P(A)}{P(B)}P(A∣B)=P(B)P(B∣A)⋅P(A)​

רמז טוב לבייס זה משחקי עבר-עתיד.

דוגמה (בדוגמת הכד)

P(W1∣W2)=P(W2∣W1)⋅P(W1)P(W2)=w−1b+w−1⋅wb+wwb+w=w−1b+w−1P(W_{1} \mid W_{2})=\frac{P(W_{2}\mid W_{1})\cdot P(W_{1})}{P(W_{2})}=\frac{\frac{w-1}{b+w-1}\cdot \frac{w}{b+w}}{\frac{w}{b+w}}=\frac{w-1}{b+w-1}P(W1​∣W2​)=P(W2​)P(W2​∣W1​)⋅P(W1​)​=b+ww​b+w−1w−1​⋅b+ww​​=b+w−1w−1​

הוכחת בייס:

P(A∣B)=P(A∩B)P(B)=↓המכפלהP(A)P(B∣A)P(B)P(A \mid B)=\frac{P(A \cap B)}{P(B)} \underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{המכפלה}} \end{matrix}}{=} \frac{P(A)P(B \mid A)}{P(B)}P(A∣B)=P(B)P(A∩B)​↓המכפלה​=​P(B)P(A)P(B∣A)​

∎

דוגמה (לשאלה מבוחן אמצע)

תרגיל

בבדיקת חוזק של עצם מסויים בוחרים קומה באקראי מבניין בעל 101010 קומות ומשליכים ממנה את החפץ.
ידוע שאם החפץ נזרק מהקומה ה-kkk הוא ישבר בהסתברות k10\frac{k}{10}10k​ כאשר k=1,…,10k=1,\dots,10k=1,…,10.
א. מה הסיכוי שהחפץ ישבר?
ב. אם נשבר, מהי ההסתברות שנזרק מהקומה ה-777? ואם לא נשבר?

פתרון א':
נגדיר מאורעות: AkA_{k}Ak​ - נבחרה הקומה ה-kkk כאשר k=1,2,…,10k=1,2,\dots,10k=1,2,…,10.
כשאומרים באקראי הכוונה היא שיש סיכוי שווה למאורעות ולכן P(Ak)=110P(A_{k})=\frac{1}{10}P(Ak​)=101​.
נגדיר BBB כמאורע בו החפץ ישבר בניסוי ואז, לפי הנתונים: P(B∣Ak)=k10P(B \mid A_{k})=\frac{k}{10}P(B∣Ak​)=10k​ כאשר k=1,…,10k=1,\dots,10k=1,…,10.
הסיטואציה פה תלוייה ולכן נשתמש בנוסחת ההסתברות השלמה:

P(B)=∑k=110P(B∣Ak)P(Ak)=∑k=110k10⋅110=1100∑k=110k=55100=1120P(B)=\sum_{k=1}^{10} P(B \mid A_{k})P(A_{k})=\sum_{k=1}^{10} \frac{k}{10}\cdot \frac{1}{10}=\frac{1}{100}\sum_{k=1}^{10}k=\frac{55}{100}=\frac{11}{20}P(B)=k=1∑10​P(B∣Ak​)P(Ak​)=k=1∑10​10k​⋅101​=1001​k=1∑10​k=10055​=2011​

פתרון ב':
בעקרון, מה שהם שואלים אותנו זה P(A7∣B)P(A_{7} \mid B)P(A7​∣B). מה שאנחנו צריכים לחשוב עכשיו הוא שיש יותר סיכוי לקומות הגבוהות מאשר לקומות הנמוכות. אם היינו שואלים בהינתן שהוא לא נשבר אז הסיכוי שזרקו מהקומה העשירית הוא 000 שכן הסיכוי שהוא נשבר מהקומה העשירית הוא 111. לכן, אנחנו מצפים שהתוצאה תהיה יותר מ-110\frac{1}{10}101​. הנרמול בעצם פה הוא רק בעזרת החישוב.

P(A7∣B)=↓בייסP(B∣A7)P(A7)P(B)=710⋅11055100=755P(A_{7}\mid B)\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{בייס}} \end{matrix}}{=}\frac{P(B \mid A_{7})P(A_{7})}{P(B)}=\frac{\frac{7}{10}\cdot \frac{1}{10}}{\frac{55}{100}}=\frac{7}{55}P(A7​∣B)↓בייס​=​P(B)P(B∣A7​)P(A7​)​=10055​107​⋅101​​=557​

אם הוא לא נשבר אז זה בדיוק P(A7∣B‾)P(A_{7} \mid \overline{B})P(A7​∣B). אנחנו כמובן לא עושים משלים כי אנחנו לא יכולים, זו הייתה בדיוק ההערה ממקודם. נחשב זאת באותו האופן:

P(A7∣B‾)=P(B‾∣A7)P(A7)P(B‾)=310⋅11045100=345=115P(A_{7} \mid \overline{B})=\frac{P(\overline{B}\mid A_{7})P(A_{7})}{P(\overline{B})}=\frac{\frac{3}{10}\cdot \frac{1}{10}}{\frac{45}{100}}=\frac{3}{45}=\frac{1}{15}P(A7​∣B)=P(B)P(B∣A7​)P(A7​)​=10045​103​⋅101​​=453​=151​

אי תלות

בעיקרון היינו רוצים להגדיר מאורעות בלתי תלויים כך שאם אנחנו עושים P(A∣B)P(A \mid B)P(A∣B) אז היינו רוצים ש-BBB כלל לא ישפיע. ההגדרה ההיא מעצבנת אותנו גם כי היא כלל לא סימטרית כלפי AAA ו-BBB. היינו רוצים להגדיר: P(A∩B)=P(A)P(B)P(A \cap B)=P(A)P(B)P(A∩B)=P(A)P(B).

הגדרה 2 (מאורעות בלתי תלויים)

יהי (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},P)(Ω,F,P) מרחב הסתברות ויהיו A,BA,BA,B מאורעות.
נאמר ש-A,BA,BA,B הם מאורעות בלתי תלויים אם:

P(A∩B)=P(A)⋅P(B)P(A \cap B)=P(A)\cdot P(B)P(A∩B)=P(A)⋅P(B)
הערה

אף פעם לא יצפו מאיתנו להבין מהסיפור האם מאורעות הינם בלתי תלויים.
או שיגידו לנו במפורש או שיבקשו מאיתנו להוכיח במפורש.
אנחנו תמיד מניחים שהמאורעות תלויים אלא אם נאמר אחרת.

הערה

יכול להיות ששני מאורעות יהיו בלתי תלויים עבור מידת הסתברות PPP מסויימת אך יהיו תלויים עבור מידת הסתברות אחרת P~\tilde{P}P~.

דוגמה

בהטלת קוביה הוגנות פעמיים נגדיר: AAA המאורע בו יוצא 222 בהטלה הראשונה ו-BBB המאורע בו יצא 444 בהטלה השנייה.
נראה כעת כי A,BA,BA,B בלתי תלויים.

P(A)=636=16P(B)=636=16P(A)=\frac{6}{36}=\frac{1}{6} \qquad \qquad \qquad P(B)=\frac{6}{36}=\frac{1}{6}P(A)=366​=61​P(B)=366​=61​ P(A∩B)=P({(2,4)})=136=16⋅16=P(A)⋅P(B)P(A \cap B)=P(\left\{ (2,4) \right\})=\frac{1}{36}=\frac{1}{6}\cdot \frac{1}{6}=P(A)\cdot P(B)P(A∩B)=P({(2,4)})=361​=61​⋅61​=P(A)⋅P(B)

לכן, לפי הגדרה הם בלתי תלויים.

הערה

  1. אם P(B)=0P(B)=0P(B)=0 אז AAA ו-BBB ב"ת בכל A⊆ΩA \subseteq \OmegaA⊆Ω. (באופן דומה, גם אם P(B)=1P(B)=1P(B)=1 הוא ב"ת בכל AAA)
  2. נתונים מאורעות A,BA,BA,B כך ש-P(A),P(B)≠0P(A),P(B)\neq 0P(A),P(B)=0. אם A,BA,BA,B זרים A  ⟸  A\impliedbyA⟸ ו-BBB תלויים.

הוכחה (הערה 1):
מכיוון ש-A∩B⊆AA \cap B \subseteq AA∩B⊆A אזי, לפי משפט: P(A∩B)≤P(B)P(A \cap B)\leq P(B)P(A∩B)≤P(B) ואז:

P(A∩B)=0=P(B)=P(B)⋅P(A)P(A \cap B)=0=P(B)=P(B)\cdot P(A)P(A∩B)=0=P(B)=P(B)⋅P(A)

לכן, לפי הגדרה, BBB ב"ת ב-AAA.
∎

תרגיל (תרגילון)

אבי משתתף בשתי הגרלות ב"ת. הסיכוי שיזכה בהגרלה I\mathrm{I}I הוא 0.10.10.1 והסיכוי שיזכרה בהגרלה II\mathrm{II}II הוא 0.050.050.05.
מה הסיכוי שיזכה לפחות בהגרלה אחת?

נגדיר AAA כמאורע בו אבי זוכה בהגרלה I\mathrm{I}I ו-BBB כמאורע בו אבי זוכה בהגרלה II\mathrm{II}II.

P(A∪B) ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣=↓הכלה-הדרה ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣P(A)+P(B)−P(A∩B)=↓ב"תP(A)+P(B)−P(A)⋅P(B)=0.1+0.05−0.1⋅0.05=0.145\begin{align*} P(A \cup B)&\!\!\!\!\!\!\!\!\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{הכלה-הדרה}} \end{matrix}}{=}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!P(A)+P(B)-P(A \cap B)\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{ב"ת}} \end{matrix}}{=}P(A)+P(B)-P(A)\cdot P(B) \\ &=0.1+0.05-0.1\cdot 0.05=\boxed{0.145} \end{align*}P(A∪B)​↓הכלה-הדרה​=​P(A)+P(B)−P(A∩B)↓ב"ת​=​P(A)+P(B)−P(A)⋅P(B)=0.1+0.05−0.1⋅0.05=0.145​​
הערה

בלתי תלויים   ⟸  \cancel{\impliedby}⟸ איחוד הופך לסכום.

תרגיל

מטילים קוביה הוגנת פעמיים.

  • יהי AAA המאורע בו ההטלה הראשונה יצאה 444.
  • יהי BBB המאורע בו סכום ההטלות הוא 6.
  • יהי CCC המאורע בו סכום ההטלות הוא 7.

הוכיחו: AAA ו-BBB תלויים ו-AAA ו-CCC בלתי תלויים.

P(A)=16P(B)=P({(1,5),(5,1),(2,4),(4,2)})=536P(A)=\frac{1}{6} \qquad \qquad P(B)=P(\left\{ (1,5),(5,1),(2,4),(4,2) \right\})=\frac{5}{36}P(A)=61​P(B)=P({(1,5),(5,1),(2,4),(4,2)})=365​ P(C)=P({(2,5),(1,6),(3,4),(5,2),(6,1),(4,3)})=636=16P(C)=P(\left\{ (2,5),(1,6),(3,4),(5,2),(6,1),(4,3) \right\})=\frac{6}{36}=\frac{1}{6}P(C)=P({(2,5),(1,6),(3,4),(5,2),(6,1),(4,3)})=366​=61​ P(A∩B)=P({(4,2)})=136P(A∩C)=P({(4,3)})=136P(A \cap B)=P(\left\{ (4,2) \right\})=\frac{1}{36} \qquad \qquad P(A \cap C)=P(\left\{ (4,3) \right\})=\frac{1}{36}P(A∩B)=P({(4,2)})=361​P(A∩C)=P({(4,3)})=361​

ואכן:

P(A∩B)≠P(A)⋅p(B)P(A \cap B)\neq P(A)\cdot p(B)P(A∩B)=P(A)⋅p(B) P(A∩C)=P(A)⋅P(C)P(A \cap C)=P(A)\cdot P(C)P(A∩C)=P(A)⋅P(C)
טענה

יהי (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},P)(Ω,F,P) מרחב הסתברות ויהיו A,BA,BA,B מאורעות ב"ת.
אזי, A,B‾A, \overline{B}A,B ב"ת.

הוכחה:

P(A∩B‾)=P(A)−P(A∩B)=P(A)−P(A)⋅P(B)=P(A)(1−P(B))=P(A)⋅P(B‾)P(A \cap \overline{B})=P(A)-P(A \cap B)=P(A)-P(A)\cdot P(B)=P(A)(1-P(B))=P(A)\cdot P(\overline{ B})P(A∩B)=P(A)−P(A∩B)=P(A)−P(A)⋅P(B)=P(A)(1−P(B))=P(A)⋅P(B)

∎

מסקנה

ב"ת  A‾,B‾  ⟺  ב"ת  A‾,B  ⟺  ב"ת  A,B‾  ⟺  ב"ת  A,B\R{\text{ב"ת}}\;\overline{A},\overline{B}\iff \R{\text{ב"ת}}\;\overline{A},B \iff \R{\text{ב"ת}}\;A,\overline{ B} \iff \R{\text{ב"ת}}\; A,Bב"תA,B⟺ב"תA,B⟺ב"תA,B⟺ב"תA,B

הוכחה:
ישירות מהטענה הנ"ל.
∎

אוסף של מאורעות ב"ת

נתחיל בגרסה מצומצמת: A,B,CA,B,CA,B,C נקראים ב"ת (כאוסף) אם:

P(A∩B)=P(A)⋅P(B)P(A∩C)=P(A)⋅P(C)P(B∩C)=P(B)⋅P(C)P(A∩B∩C)=P(A)⋅P(B)⋅P(C)\begin{matrix} P(A \cap B)=P(A)\cdot P(B) \qquad P(A \cap C)=P(A)\cdot P(C) \qquad P(B \cap C)=P(B)\cdot P(C) \\ P(A \cap B \cap C)=P(A)\cdot P(B)\cdot P(C) \end{matrix}P(A∩B)=P(A)⋅P(B)P(A∩C)=P(A)⋅P(C)P(B∩C)=P(B)⋅P(C)P(A∩B∩C)=P(A)⋅P(B)⋅P(C)​
הגדרה 3 (מאורעות ב"ת בזוגות)

יהי (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},P)(Ω,F,P) מרחב הסתברות ויהיו A,B,CA,B,CA,B,C מאורעות.
נאמר ש-A,B,CA,B,CA,B,C בלתי תלויים בזוגות אם הם מתקיים: P(A∩B)=P(A)⋅P(B)P(A \cap B)=P(A)\cdot P(B)P(A∩B)=P(A)⋅P(B) ו-P(A∩C)=P(A)⋅P(C)P(A \cap C)=P(A)\cdot P(C)P(A∩C)=P(A)⋅P(C) וגם P(B∩C)=P(B)⋅P(C)P(B \cap C)=P(B)\cdot P(C)P(B∩C)=P(B)⋅P(C).

הגדרה 4 (מאורעות ב"ת כאוסף)

יהי (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal{F},P)(Ω,F,P) מרחב הסתברות ויהי SSS אוסף של מאורעות.
נאמר ש-SSS אוסף של מאורעות בלתי תלויים אם לכל A1,…,An∈SA_{1},\dots,A_{n}\in SA1​,…,An​∈S מתקיים:

P(⋂k=1nAk)=P(A1)⋅P(A2)⋯P(An)P\left( \bigcap_{k=1}^n A_{k} \right)=P(A_{1})\cdot P(A_{2})\cdots P(A_{n})P(k=1⋂n​Ak​)=P(A1​)⋅P(A2​)⋯P(An​)
דוגמה

מטילים קוביה "הוגנת" עם 4 פאות {1,2,3,4}\left\{ 1,2,3,4 \right\}{1,2,3,4}.
נגדיר: A={1,2},B={1,3},C={1,4}A=\left\{ 1,2 \right\},B=\left\{ 1,3 \right\},C=\left\{ 1,4 \right\}A={1,2},B={1,3},C={1,4}. נרצה להראות כי A,B,CA,B,CA,B,C ב"ת בזוגות אך לא ב"ת כאוסף.

P(A)=P(B)=P(C)=24=12P(A)=P(B)=P(C)=\frac{2}{4}=\frac{1}{2}P(A)=P(B)=P(C)=42​=21​ P(A∩B)=P(A∩C)=P(B∩C)=P({1})=14P(A \cap B)=P(A \cap C)=P(B \cap C)=P(\left\{ 1 \right\})=\frac{1}{4}P(A∩B)=P(A∩C)=P(B∩C)=P({1})=41​

אז לכל זוג ההסתברות של החיתוך שווה למכפלת ההסתברויות. כלומר, ב"ת בוגות. אבל:

P(A∩B∩C)=P({1})=14≠18=P(A)⋅P(B)⋅P(C)P(A \cap B \cap C)=P(\left\{ 1 \right\})=\frac{1}{4}\neq \frac{1}{8}=P(A)\cdot P(B)\cdot P(C)P(A∩B∩C)=P({1})=41​=81​=P(A)⋅P(B)⋅P(C)

נרצה כעת לדעת בנוסף האם A∪B,CA \cup B,CA∪B,C תלויים.

P(A∪B)=P({1,2,3})=34P(C∩(A∪B))=P({1})=14P(A \cup B)=P(\left\{ 1,2,3 \right\})=\frac{3}{4} \qquad P(C \cap (A \cup B))=P(\left\{ 1 \right\})=\frac{1}{4}P(A∪B)=P({1,2,3})=43​P(C∩(A∪B))=P({1})=41​

ולכן:

14=P(C∩(A∪B))≠P(C)⋅P(A∪B)=34⋅12=38\frac{1}{4}=P(C \cap (A \cup B))\neq P(C)\cdot P(A \cup B)=\frac{3}{4}\cdot \frac{1}{2}=\frac{3}{8}41​=P(C∩(A∪B))=P(C)⋅P(A∪B)=43​⋅21​=83​
משפט

יהיו SSS אוסף של מאורעות ב"ת כאוסף ו-A1,…,An,B1,…,Bn∈SA_{1},\dots,A_{n},B_{1},\dots,B_{n}\in SA1​,…,An​,B1​,…,Bn​∈S
אם D1D_{1}D1​ נוצר מקומבינציה של A1,…,AnA_{1},\dots,A_{n}A1​,…,An​ ו-D2D_{2}D2​ נוצר מקומבינציה של B1,…,BnB_{1},\dots,B_{n}B1​,…,Bn​ אזי: D1,D2D_{1},D_{2}D1​,D2​ ב"ת.
(כאשר קומבינציה הכוונה: ע"י חיתוך/איחוד/משלים/הפרש)

תרגיל

נתונה צנרת:
​2 - הסתברות מותנית 2026-11-11 17.14.37.excalidraw.svg
נתון כי a,b,ca,b,ca,b,c סתומים בהסתברות 0.4,0.3,0.20.4,0.3,0.20.4,0.3,0.2 באופן ב"ת.
מהי ההסתברות שיעברו מים מ-KKK ל-LLL?

נגדיר: AAA כמאורע בו aaa פנוי. BBB כמאורע בו bbb פנוי. CCC כמאורע בו ccc פנוי.
נתון A‾,B‾,C‾\overline{A},\overline{B},\overline{C}A,B,C ב"ת (כאוסף) ולכן A,B,CA,B,CA,B,C ב"ת.

P(A∩(B∪C))=P(A)⋅P(B∪B)=P(A)(P(B)+P(C)−P(B∩C))=P(A)(P(B)+P(C)−P(B)⋅P(C))\begin{align*} P(A \cap (B \cup C))&= P(A)\cdot P(B \cup B)=P(A)(P(B)+P(C)-P(B \cap C)) \\ &=P(A)(P(B)+P(C)-P(B)\cdot P(C)) \end{align*}P(A∩(B∪C))​=P(A)⋅P(B∪B)=P(A)(P(B)+P(C)−P(B∩C))=P(A)(P(B)+P(C)−P(B)⋅P(C))​

ואז אפשר פשוט להציב את הנתונים.

הערה

בתרגיל היה נתון A1,A2,A3A_{1},A_{2},A_{3}A1​,A2​,A3​ ב"ת ובמהלך התרגיל היה צריך לחשב את P(⋃k=1nAk)P(\bigcup_{k=1}^n A_{k})P(⋃k=1n​Ak​).
ההסתברות של האיחוד לא שווה לסכום ההסתברויות.
באיחוד זה לא כדאי להשתמש בהכלה-הדחה ולכן אפשר להשתמש בהסתברות של המשלים ואז זה חיתוך ויש לנו כלל לגבי מאורעות ב"ת וחיתוך.

P(⋃k=1nAk)=1−P(⋂k=1nAk‾)=1−∏k=1nP(Ak‾)=1−∏k=1n(1−P(Ak))P\left(\bigcup_{k=1}^n A_{k}\right)=1-P\left(\bigcap_{k=1}^n \overline{A_{k}}\right)=1-\prod_{k=1}^n P(\overline{A_{k}})=1-\prod_{k=1}^n(1-P(A_{k}))P(k=1⋃n​Ak​)=1−P(k=1⋂n​Ak​​)=1−k=1∏n​P(Ak​​)=1−k=1∏n​(1−P(Ak​))