Công thức xác suất toàn phần và công thức Bayes
🖨 In phiếu tự học Vì sao nên in?
Một bệnh hiếm gặp có ở dân số. Có một xét nghiệm cho kết quả dương tính với người mắc bệnh, nhưng cũng dương tính nhầm với người không mắc bệnh. Bạn Lan đi xét nghiệm và nhận kết quả dương tính. Có phải khả năng Lan mắc bệnh là ?
Rất nhiều người, kể cả người lớn, trả lời "có". Câu trả lời đúng thấp hơn nhiều. Bài này cho ta công cụ để tính nó.
Công thức xác suất toàn phần
Khám phá: hình dung người
Thay vì nói xác suất, ta tưởng tượng người đi xét nghiệm.
- Có , tức người, mắc bệnh. Trong đó , tức người, dương tính.
- Có người không mắc bệnh. Trong đó , tức người, dương tính nhầm.
Tổng số người dương tính là . Trong người ấy chỉ có người thật sự mắc bệnh:
Vậy dương tính thì khả năng mắc bệnh chỉ khoảng . Để có , ta đã cộng số người dương tính của hai trường hợp: mắc bệnh và không mắc bệnh. Đó là ý tưởng của công thức xác suất toàn phần.
Vì sao đúng? Biến cố xảy ra hoặc cùng với , hoặc cùng với , nên , và hai phần này xung khắc. Theo quy tắc cộng, . Mỗi số hạng được tính bằng công thức nhân, chẳng hạn .
Trên sơ đồ cây, công thức này rất dễ nhớ: nhân dọc theo mỗi đường đi dẫn đến , rồi cộng các đường đi đó lại.
Công thức Bayes
Câu hỏi tiếp theo thường là câu hỏi "ngược": đã thấy kết quả , vậy khả năng nó đến từ trường hợp là bao nhiêu? Ta cần , trong khi đề chỉ cho .
Vì sao đúng? Theo định nghĩa, . Tử số viết lại bằng công thức nhân, ; mẫu số viết bằng công thức xác suất toàn phần. Trên sơ đồ cây: tử số là một đường đi, mẫu số là tổng mọi đường đi dẫn đến .
Bài toán chọn hộp rồi lấy bi cũng có hai bước như vậy.
Khi có nhiều hơn hai trường hợp, ta dùng dạng tổng quát của hai công thức.
Xét nghiệm bệnh hiếm
Bây giờ ta trả lời câu hỏi ở đầu bài bằng công thức.
Vì thế, khi xét nghiệm sàng lọc dương tính, bác sĩ thường cho xét nghiệm lại.
Thuật ngữ
Tóm tắt
- Xác suất toàn phần: ; tổng quát, cộng trên một hệ biến cố đầy đủ.
- Bayes: .
- Trên sơ đồ cây: nhân dọc mỗi đường đi; là tổng các đường đến ; Bayes là "một đường chia cho tổng".
- Với bệnh hiếm, dương tính giả của nhóm người khoẻ rất đông có thể áp đảo, nên có thể nhỏ.
- không phải .
Luyện tập
Mỗi bài có phần kiến thức và gợi ý các bước. Hãy tự làm trước, rồi mới bấm xem lời giải.
Cho , và . Tính và .
Kiến thức: công thức xác suất toàn phần và công thức Bayes.
Gợi ý các bước:
- .
- Tính , rồi chia cho .
Xem lời giải
. .
Đáp số. ; .
Một trường có hai cơ sở: học sinh học ở cơ sở 1, ở cơ sở 2. Tỉ lệ học sinh đi xe đạp đến trường ở hai cơ sở lần lượt là và . Chọn ngẫu nhiên một học sinh của trường. Tính xác suất học sinh đó đi xe đạp. Nếu học sinh đó đi xe đạp, xác suất bạn ấy học ở cơ sở 2 là bao nhiêu?
Kiến thức: hai cơ sở là hai trường hợp đối nhau.
Gợi ý các bước:
- Cộng hai đường đi dẫn đến "đi xe đạp".
- Chia đường đi qua cơ sở 2 cho tổng.
Xem lời giải
. .
Đáp số. và .
Hộp I có bi đỏ, bi xanh; hộp II có bi đỏ, bi xanh. Gieo một con xúc xắc: nếu được mặt hoặc chấm thì chọn hộp I, ngược lại chọn hộp II; rồi lấy ngẫu nhiên một viên bi từ hộp đã chọn. Tính xác suất lấy được bi đỏ và xác suất bi đỏ đó từ hộp I.
Kiến thức: .
Gợi ý các bước:
- .
- Dùng công thức Bayes.
Xem lời giải
. .
Đáp số. và .
Hộp thứ nhất có bi trắng, bi đen; hộp thứ hai có bi trắng, bi đen. Lấy ngẫu nhiên một viên từ hộp thứ nhất bỏ sang hộp thứ hai, rồi lấy ngẫu nhiên một viên từ hộp thứ hai. Tính xác suất viên lấy ra sau cùng là bi trắng.
Kiến thức: hai trường hợp: viên chuyển sang là trắng hoặc đen; sau khi chuyển, hộp thứ hai có viên.
Gợi ý các bước:
- Chuyển bi trắng (xác suất ): hộp hai có trắng trong .
- Chuyển bi đen (xác suất ): hộp hai có trắng trong .
Xem lời giải
.
Đáp số. .
Xác suất trời mưa vào một buổi sáng là . Nếu trời mưa, xe buýt đến trễ với xác suất ; nếu không mưa, xe đến trễ với xác suất . Mỗi khẳng định sau đúng hay sai?
a) Xác suất xe buýt đến trễ là .
b) Xác suất xe đến trễ khi trời không mưa là .
c) Biết xe đến trễ, xác suất trời mưa là .
d) Biết xe không đến trễ, xác suất trời mưa nhỏ hơn .
Kiến thức: công thức xác suất toàn phần và công thức Bayes; .
Gợi ý các bước:
- Tính .
- Áp dụng công thức Bayes cho "trễ" và cho "không trễ".
Xem lời giải
a) Đúng: .
b) Sai: đề cho xác suất đó là ; là xác suất không trễ khi trời không mưa.
c) Đúng: .
d) Đúng: .
Đáp số. a) Đúng; b) Sai; c) Đúng; d) Đúng.
Ba nhà máy cung cấp linh kiện cho một hãng điện thoại theo tỉ lệ , , , với tỉ lệ lỗi lần lượt , , . Một linh kiện được chọn ngẫu nhiên và bị lỗi. Tính xác suất linh kiện đó của nhà máy thứ nhất (làm tròn đến hàng phần trăm).
Kiến thức: dạng tổng quát của công thức xác suất toàn phần và công thức Bayes với ba trường hợp.
Gợi ý các bước:
- Tính bằng tổng ba tích.
- Chia cho tổng đó.
Xem lời giải
. Xác suất cần tìm là .
Đáp số. .
Trong hộp thư của một công ty, thư là thư rác. Cụm từ "trúng thưởng" xuất hiện trong thư rác nhưng chỉ trong thư thường. Một thư mới có cụm từ "trúng thưởng". Tính xác suất đó là thư rác, ghi dưới dạng phần trăm làm tròn đến hàng phần mười.
Kiến thức: công thức Bayes; đây chính là cách một bộ lọc thư rác đơn giản làm việc.
Gợi ý các bước:
- Tính .
- Chia cho kết quả đó.
Xem lời giải
. .
Đáp số. Khoảng .
Máy A làm sản phẩm, trong đó sản phẩm lỗi; máy B làm sản phẩm, trong đó sản phẩm lỗi. Trộn tất cả lại và lấy ngẫu nhiên một sản phẩm. Tính xác suất sản phẩm bị lỗi bằng hai cách: đếm trực tiếp và dùng công thức xác suất toàn phần. Nếu sản phẩm bị lỗi, xác suất nó do máy B làm là bao nhiêu?
Kiến thức: xác suất có điều kiện bằng cách đếm (xem xác suất có điều kiện).
Gợi ý các bước:
- Đếm: .
- Công thức: , , tương tự cho máy B.
Xem lời giải
Đếm: . Công thức: , trùng khớp. (đếm trong sản phẩm lỗi).
Đáp số. ; .
Hộp I có bi đỏ và bi trắng; hộp II có bi đỏ và bi trắng. Chọn ngẫu nhiên một hộp (mỗi hộp có xác suất ), rồi lấy ngẫu nhiên đồng thời viên bi từ hộp đó. Tính xác suất được bi đỏ. Nếu được bi đỏ, xác suất đã chọn hộp I là bao nhiêu?
Kiến thức: đếm bằng tổ hợp (xem hoán vị, chỉnh hợp và tổ hợp): mỗi hộp có cách lấy viên.
Gợi ý các bước:
- , .
- Dùng công thức xác suất toàn phần rồi công thức Bayes.
Xem lời giải
. .
Đáp số. và .
Một bệnh có ở dân số. Xét nghiệm dương tính với người bệnh và dương tính nhầm với người không bệnh. a) Một người dương tính; tính xác suất người đó mắc bệnh. b) Người đó làm lại xét nghiệm và vẫn dương tính (hai lần độc lập với nhau ở mỗi người); tính lại xác suất mắc bệnh.
Kiến thức: công thức Bayes; với hai lần độc lập, xác suất hai lần dương tính là nếu bệnh và nếu không bệnh.
Gợi ý các bước:
- a) Tử số ; mẫu số cộng thêm .
- b) Thay bằng và bằng .
Xem lời giải
a) .
b) .
Đáp số. a) ; b) .
Kiểm tra mini
Chấm như đề thi tốt nghiệp THPT: Phần I mỗi câu 0,25 điểm; Phần II mỗi câu tối đa 1 điểm (đúng 1, 2, 3, 4 ý được 0,1; 0,25; 0,5; 1 điểm); Phần III mỗi câu 0,5 điểm.
Phần I. Trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn
. A thiếu nhánh , B cộng hai xác suất có điều kiện, C dùng nhầm .
, nên . A là , B là xác suất ban đầu, D là tử số chưa chia.
. A nhân hai xác suất có điều kiện, C chỉ tính nhánh hộp I, D quên nhân với (một xác suất không thể lớn hơn ).
. A nhầm với , B là , D là xác suất ban đầu.
Phần II. Trắc nghiệm đúng sai
| a) Xác suất sản phẩm là phế phẩm bằng . | ||
| b) Xác suất sản phẩm là phế phẩm, biết nó của phân xưởng II, bằng . | ||
| c) Biết sản phẩm là phế phẩm, xác suất nó của phân xưởng II bằng . | ||
| d) Biết sản phẩm không phải phế phẩm, xác suất nó của phân xưởng I lớn hơn . |
a) Đúng: . b) Sai: đề cho xác suất đó là ; là xác suất "của II và là phế phẩm". c) Sai: . d) Đúng: .
Phần III. Trắc nghiệm trả lời ngắn
.
, nên .
Xem đáp án và giải thích
- Phần I, câu 1: D. . A thiếu nhánh , B cộng hai xác suất có điều kiện, C dùng nhầm .
- Phần I, câu 2: C. , nên . A là , B là xác suất ban đầu, D là tử số chưa chia.
- Phần I, câu 3: B. . A nhân hai xác suất có điều kiện, C chỉ tính nhánh hộp I, D quên nhân với (một xác suất không thể lớn hơn ).
- Phần I, câu 4: C. . A nhầm với , B là , D là xác suất ban đầu.
- Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Sai; c) Sai; d) Đúng. a) Đúng: . b) Sai: đề cho xác suất đó là ; là xác suất "của II và là phế phẩm". c) Sai: . d) Đúng: .
- Phần III, câu 1: 0,27. .
- Phần III, câu 2: 0,09. , nên .