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312, 313, 314 - Chi ha paura della matematica?

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312, 313, 314 - Chi ha paura della matematica?
312
11 - IL “PROBLEMA
DELLE PROVE RIPETUTE”
☼ E’ richiesto di conoscere il
CALCOLO COMBINATORIO!
a) Lanciando un dado 5 volte di seguito,
che probabilità c’è che esca PER ESATTAMENTE 3 VOLTE la faccia “1”?
b) Generalizzazione: il “PROBLEMA DELLE PROVE RIPETUTE”.
CONSIDERIAMO UN EVENTO ELEMENTARE
(nell’esempio: l’uscita della faccia “1” dal lancio di un dado)
CHE ABBIA UNA DATA PROBABILITÀ p DI VERIFICARSI IN UNA SINGOLA PROVA
(nel nostro caso, è p = 1/6).
Ci chiediamo:
SE SI EFFETTUANO n PROVE, CHE PROBABILITÀ C’È CHE QUELL’EVENTO
SI VERIFICHI PER ESATTAMENTE k VOLTE
(0 ≤ k ≤ n) ?
RISOLUZIONE di a)
L’evento
“lanciando 5 volte un dado, esce PER ESATTAMENTE 3 VOLTE la faccia 1”
può verificarsi in parecchie modalità diverse:
•
•
•
•
ad esempio, si verifica qualora “1” esca ai primi 3 lanci, e poi non esca più ai successivi 2 lanci;
oppure, si verifica qualora “1” esca esclusivamente agli ultimi 3 lanci (ma non esca ai primi 2);
oppure ancora, si verifica qualora “1” esca al secondo, al terzo e al quinto lancio, ma non agli altri lanci;
ecc. ecc.
Fissiamo la nostra attenzione su UNA di queste modalità.
Ad esempio, cominciamo col chiederci:
•
lanciando un dado 5 volte di seguito,
che probabilità c’è che la faccia “1” esca ai primi 3 lanci, e poi non esca più?
Facile rispondere: pensando all’ “evento a più fasi” e tenendo conto del fatto che l’esito di un lancio
non è condizionato in alcun modo dall’esito del lancio precedente, abbiamo:
p(1 1 1 1 1) =
= p(1 al 1° lancio) ⋅ p(1 al 2° lancio) ⋅ p(1 al 3° lancio) ⋅ p( NON 1 al 4° lancio) ⋅ p( NON 1 al 5° lancio) =
3
1 1 1 5 5 ⎛1⎞ ⎛5⎞
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⎜ ⎟ ⋅⎜ ⎟
6 6 6 6 6 ⎝6⎠ ⎝6⎠
2
Consideriamo ora UN’ALTRA fra le possibili modalità.
Ad esempio,
• lanciando un dado 5 volte di seguito,
che probabilità c’è che la faccia “1” esca esclusivamente agli ultimi 3 lanci (ma non esca ai primi 2)?
Avremo
p(1 1 1 1 1) =
= p( NON 1 al 1° lancio) ⋅ p( NON 1 al 2° lancio) ⋅ p(1 al 3° lancio) ⋅ p(1 al 4° lancio) ⋅ p(1 al 5° lancio) =
3
5 5 1 1 1 ⎛1⎞ ⎛5⎞
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⎜ ⎟ ⋅⎜ ⎟
6 6 6 6 6 ⎝6⎠ ⎝6⎠
2
E pensiamo ancora ad UN’ALTRA modalità.
• Lanciando un dado 5 volte di seguito,
che probabilità c’è che “1” esca al secondo, al terzo e al quinto lancio, ma non agli altri lanci?
p (1 1 1 1 1 )=
= p ( NON 1 al 1° lancio) ⋅ p (1 al 2° lancio ) ⋅ p (1 al 3° lancio) ⋅ p ( NON 1 al 4° lancio) ⋅ p (1 al 5° lancio ) =
3
5 1 1 5 1 ⎛1⎞ ⎛5⎞
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⎜ ⎟ ⋅⎜ ⎟
6 6 6 6 6 ⎝6⎠ ⎝6⎠
2
313
Abbiamo perfettamente capito, a questo punto, che CIASCUNA delle tante modalità con cui l’evento
“su 5 lanci, esce PER ESATTAMENTE 3 VOLTE la faccia 1” si può verificare,
ha probabilità data dal prodotto
3
⎛1⎞
⎜ ⎟
⎝6⎠
⎛5⎞
⋅⎜ ⎟
⎝6⎠
2
Ora, in virtù del teorema sulle probabilità totali per eventi incompatibili, abbiamo:
p(su 5 lanci , esce PER ESATTAMENTE 3 VOLTE la faccia 1 )=
= p ( ("1" esce le prime 3 volte) ∨ ("1" esce le ultime 3 volte) ∨ ("1" esce la seconda, la terza e la quinta volta) ∨ ...) =
= p ("1" esce le prime 3 volte) + p ("1" esce le ultime 3 volte) + p ("1" esce la seconda, la terza e la quinta volta ) + ... =
⎛1⎞
= ⎜ ⎟
⎝6⎠
3
⎛5⎞
⋅⎜ ⎟
⎝6⎠
2
⎛1⎞
+ ⎜ ⎟
⎝6⎠
3
⎛5⎞
⋅⎜ ⎟
⎝6⎠
2
⎛1⎞
+ ⎜ ⎟
⎝6⎠
3
⎛5⎞
⋅⎜ ⎟
⎝6⎠
2
+ ...
⎛1⎞
Per calcolare la probabilità cercata, dobbiamo dunque sommare tanti addendi, ciascuno uguale a ⎜ ⎟
⎝6⎠
3
2
⎛5⎞
⋅⎜ ⎟ .
⎝6⎠
La questione è: QUANTI SONO questi addendi?
Beh … sono TANTI QUANTE LE MODALITA’ CON CUI L’EVENTO
“esce per esattamente 3 volte la faccia 1”
SI PUO’ PRESENTARE.
E l’evento “esce per esattamente 3 volte la faccia 1” si può presentare in tante modalità,
quanti sono i modi in cui, sui 5 lanci, possiamo fissare quei 3 nei quali immaginiamo esca “1”.
Ora, è ben noto che fra 5 oggetti (nel nostro caso: i 5 lanci) noi ne possiamo selezionare 3
⎛ 5⎞
(nel nostro caso: quei 3 lanci nei quali immaginiamo esca "1") in ⎜ ⎟ modi.
⎝ 3⎠
⎛n⎞
Ricordiamo infatti che il coefficiente binomiale ⎜ ⎟
⎝k ⎠
è quel numero che risponde alla domanda: “ dati n oggetti, in quanti modi se ne possono scegliere k? ”
Dunque avremo:
p( su 5 lanci, esce PER ESATTAMENTE 3 VOLTE la faccia 1) =
3
2
3
2
3
2
3
2
⎛5⎞ 1
1
1
5
1
5
5
5
= ⎜⎛ ⎟⎞ ⋅ ⎜⎛ ⎟⎞ + ⎜⎛ ⎟⎞ ⋅ ⎜⎛ ⎟⎞ + ⎜⎛ ⎟⎞ ⋅ ⎜⎛ ⎟⎞ + ....... = ⎜ ⎟ ⋅ ⎜⎛ ⎟⎞ ⋅ ⎜⎛ ⎟⎞
6⎠ ⎝6⎠ ⎝6⎠ ⎝6⎠ ⎝6⎠ ⎝6⎠
6
6
⎝
⎝3⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
⎛ 5⎞
⎜⎜ ⎟⎟ addendi
⎝ 3⎠
GENERALIZZAZIONE
Generalizzando, possiamo enunciare e risolvere, in astratto, il
“PROBLEMA DELLE PROVE RIPETUTE”
Consideriamo un evento elementare
(nell’esempio precedente: l’uscita della faccia “1” dal lancio di un dado)
che abbia una data probabilità p di verificarsi IN UNA SINGOLA PROVA
(nel nostro esempio del dado, sarebbe p = 1/6).
Ci chiediamo:
SE SI EFFETTUANO n PROVE, CHE PROBABILITÀ C’È
CHE QUELL’EVENTO SI VERIFICHI PER ESATTAMENTE k VOLTE ( 0 ≤ k ≤ n ) ?
RISPOSTA:
la probabilità cercata è data da
⎛ n ⎞ k n− k
⎜k⎟ p q
⎝ ⎠
avendo posto, per comodità,
q = 1− p .
314
Se andiamo adesso a rivisitare l’esercizio 14) di pagina 309,
scopriremo che può anche essere risolto, volendo, con l’appena stabilita “formula delle prove ripetute” …
In una famiglia con quattro figli, che probabilità sussiste che i maschi siano esattamente due?
1
In una singola “prova”, abbiamo:
p ( maschio) =
2
2
4 1
1
per cui, effettuando 4 “prove”, sarà: p(esattamente 2 maschi) = ⎜⎛ ⎟⎞ ⎜⎛ ⎟⎞ ⎜⎛1 − ⎟⎞
2
2
⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ 2 ⎠
4−2
2
2
1
4⋅3 1 1 3
⎛ 4⎞ 1
= ⎜ ⎟ ⎜⎛ ⎟⎞ ⎜⎛ ⎟⎞ =
⋅ ⋅ =
2
2
2
2! 4 4 8
⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠
SCHEDA RIASSUNTIVA sul “PROBLEMA DELLE PROVE RIPETUTE”
Supponiamo di effettuare n prove,
in ciascuna delle quali potrà presentarsi oppure non presentarsi un dato evento E.
Indichiamo con p la probabilità che E si presenti in una singola prova; porremo poi
q = 1− p ,
e di conseguenza q indicherà la probabilità dell’evento contrario E in una singola prova.
Bene! Dato ora un intero k, con 0 ≤ k ≤ n , vogliamo determinare la probabilità pk
che l’evento E si verifichi esattamente k volte nel corso nelle n prove.
Risoluzione
L’evento E si presenta esattamente k volte nel corso delle n prove
se e solo se, in quelle n prove, E si presenta k volte e il suo evento contrario E si presenta n−k volte.
Il “presentarsi dell’evento E esattamente k volte nelle n prove” può avvenire secondo parecchie modalità.
Ad esempio, l’evento:
“lanciando 5 volte una moneta, esce Testa esattamente 3 volte”
si può presentare secondo le modalità:
TTTCC TTCCT TCCTT CCTTT CTCTT TCTCT TTCTC CTTCT TCTTC CTTTC.
Consideriamo una sola di queste modalità: per fissare le idee, potremmo pensare alla modalità
“E si presenta le prime k volte, E le ultime n − k volte”.
La probabilità di questa modalità fissata è evidentemente p k q n−k
(teorema delle probabilità composte per eventi indipendenti).
Ma noi non dobbiamo considerare una sola, bensì tutte le modalità con le quali E si può presentare
per esattamente k volte sulle n prove; e tali modalità sono tante quante le possibilità di scegliere,
dall’insieme delle n prove, quelle k nelle quali supponiamo che si verifichi E.
n
Tali modalità sono in numero di
e di conseguenza avremo
k
()
⎛ n⎞
pk = ⎜ ⎟ p k q n− k
⎝k⎠
‰ Es. 1: lanciando un dado per 10 volte, che probabilità c’è che esca il “6” esattamente per 3 volte?
3
7
10 1
5
Risposta: p3 = ⎛⎜ ⎞⎟ ⎛⎜ ⎞⎟ ⎛⎜ ⎞⎟
3
6
⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ 6 ⎠
‰ Es. 2: lanciando una moneta per 10 volte, che probabilità c’è che esca “Testa” esattamente per 5 volte?
5
5
10 ⎞ ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞
⎛
Risposta: p5 = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ 5 ⎠⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
ESERCIZI
1) C’è un’urna con 5 palline, 2 rosse e 3 nere. Si estrae una pallina, se ne guarda il colore, la si reimbussola.
Si fa questo per 5 volte. Che probabilità c’è che, così facendo, si peschi 2 volte una rossa e 3 volte una nera?
2) Se si prende 1 persona a caso, la probabilità che sia nata il giorno di domenica è 1/7.
Se invece si prendono 3 persone a caso, la probabilità che 1 e 1 sola di esse sia nata di domenica qual è?
3) Lanciando un dado per 6 volte, con che probabilità uscirà per esattamente 3 volte un multiplo di 3?
RISPOSTE
2
3
1
2
3
3
3
6
1 36 108
2
⎛ 3⎞ 1
⎛5⎞ 2
⎛6⎞ 1
1) ⎜ ⎟ ⎜⎛ ⎟⎞ ⎜⎛ ⎟⎞ = 34,56% 2) ⎜ ⎟ ⎛⎜ ⎞⎟ ⎛⎜ ⎞⎟ = 3 ⋅ ⋅
=
≈ 31,5% 3) ⎜ ⎟ ⎛⎜ ⎞⎟ ⎛⎜ ⎞⎟ ≈ 22%
1
2
3
7
7
7
49
343
5
5
3
3⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎝ ⎠
⎝ ⎠
⎝ ⎠
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