Умблик
Справочник вероятности
Повторные испытания
Вероятность и статистика · Повторные испытания

Схема Бернулли

Считаем ровно k успехов в n независимых испытаниях с постоянной вероятностью.

9 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Модель позволяет находить вероятность точного числа попаданий, дефектов или орлов в серии. Главное — до вычисления проверить независимость, неизменность p и двоичное разбиение каждого испытания.

Главная идея. Схема Бернулли описывает n независимых одинаковых испытаний с двумя результатами и постоянной вероятностью успеха p. Ровно k успехов могут стоять на разных позициях, поэтому появляется коэффициент сочетаний.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Убедитесь, что испытаний ровно n, в каждом определены успех и неудача, вероятность p постоянна, а результаты независимы.
  2. Запишите вероятность одного фиксированного порядка с k успехами: pᵏ(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.
  3. Посчитайте расположения успехов коэффициентом C(n, k) и умножьте его на вероятность фиксированного порядка.
  4. Проверьте границы 0 ≤ k ≤ n и различите события «ровно k», «не менее k» и «хотя бы один».

Частая ошибка. Применить биномиальную формулу к извлечениям шаров без возвращения, хотя состав мешка меняется и вероятность успеха зависит от предыдущего результата.

Как проверить себя. Проверьте постоянство p и независимость; без возвращения перемножайте меняющиеся условные вероятности или используйте гипергеометрическую модель.

Схема к теме

Наглядная модель: Схема Бернулли

Считаем ровно k успехов в n независимых испытаниях с постоянной вероятностью.

Наглядная модель: Схема БернуллиСчитаем ровно k успехов в n независимых испытаниях с постоянной вероятностью.1Условиячто известно и чтотребуется2Модельпорядок, повторения идопустимые исходы3Подсчёткаждый вариантучитывается один раз4Проверкамалый случай можновыписать вручную
  • 1. Условия — что известно и что требуется
  • 2. Модель — порядок, повторения и допустимые исходы
  • 3. Подсчёт — каждый вариант учитывается один раз
  • 4. Проверка — малый случай можно выписать вручную
Последовательность отделяет выбор модели от вычисления и не даёт потерять или повторно учесть варианты. Вывод: Сначала ответьте на вопросы о порядке и повторениях, только потом выбирайте формулу.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Выведите вероятность ровно двух орлов в трёх честных бросках, объяснив отдельно множитель C(3, 2) и вероятность каждой подходящей последовательности.

В хорошем объяснении есть:

  • Перечислены или посчитаны три позиции единственной решки: ООР, ОРО и РОО.
  • Каждая последовательность имеет вероятность (1/2)³, поэтому общая вероятность равна 3/8.

Когда повторения устроены одинаково

Схема Бернулли — nn независимых испытаний, в каждом из которых фиксируется успех или неудача, а вероятность успеха pp одинакова. Слово «успех» — условное название события: им может быть и обнаруженный дефект.

Важны три условия: два класса результатов, независимость всех испытаний в совокупности и постоянное pp. Броски одинаково настроенной виртуальной монеты подходят модели. Извлечение шаров без возвращения обычно не подходит: состав меняется, а результаты зависят друг от друга.

От одного порядка к любому

Пусть в трёх испытаниях нужен ровно один успех. Подходят последовательности УНН, НУН и ННУ. При независимости вероятность каждой p(1−p)2p(1-p)^2. Последовательности несовместимы, поэтому складываем их вероятности и получаем 3p(1−p)23p(1-p)^2.

В общем случае последовательность с kk успехами имеет вероятность pk(1−p)n−kp^k(1-p)^{n-k}. Выбрать позиции успехов можно (nk)\binom nk способами. Произведение этих двух величин и даёт формулу Бернулли.

В записи n!n! факториал — произведение целых от 11 до nn; отдельно принято 0!=10!=1. Для n=4n=4, k=2k=2 получаем (42)=4!/(2!2!)=6\binom42=4!/(2!2!)=6.

Границы и смысл результата

Число испытаний nn — неотрицательное целое, kk — целое от 00 до nn. При p=0p=0 успехов всегда ноль; при p=1p=1 их всегда nn. При n=0n=0 число успехов равно нулю с вероятностью 11. Эти случаи лучше описывать явно, не споря о записи 000^0.

Вероятность ровно kk успехов не равна вероятности не менее kk. Для «не менее» суммируют вероятности допустимых значений или используют противоположное событие. Среднее ожидаемое число успехов npnp также не является гарантированным результатом отдельной серии.

Три примера

  1. Три броска честной монеты, ровно два орла: (32)(1/2)2(1/2)=3/8\binom32(1/2)^2(1/2)=3/8.
  2. Четыре независимых попытки с p=0,2p=0{,}2, ровно один успех: 4⋅0,2⋅0,83=0,40964\cdot0{,}2\cdot0{,}8^3=0{,}4096.
  3. Из мешка с двумя красными и двумя синими шарами берут два без возвращения. Вероятность двух красных (2/4)(1/3)=1/6(2/4)(1/3)=1/6, а не (1/2)2=1/4(1/2)^2=1/4. Проверка условий не позволяет применить схему Бернулли к этому опыту.

Схема Бернулли описывает устройство испытаний. Теорема о приближении частоты к pp — следующий, отдельный результат.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−k,k=0,…,nP(X=k)=\binom nk p^k(1-p)^{n-k},\qquad k=0,\ldots,n

Формула словами: Для 0 < p < 1 вероятность ровно k успехов в n испытаниях Бернулли.

(nk)=n!k!(n−k)!,0!=1\binom nk=\frac{n!}{k!(n-k)!},\qquad 0!=1

Формула словами: Число способов выбрать k позиций успехов среди n испытаний.

От формулы к наблюдению

Попробуйте самостоятельно

Измените параметры и сопоставьте расчёт с результатами случайного эксперимента.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.