28.9 Niezależność zdarzeń
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Rzucamy dwiema kostkami do gry. Określamy zdarzenia: $A$ – na pierwszej kostce wypadła trójka, $B$ – na drugiej kostce wypadła czwórka. Zbadaj, czy zdarzenia $A$ i $B$ są niezależne.
Tak, zdarzenia $A$ i $B$ są niezależne.
Zbiór wszystkich możliwych wyników $\Omega$ dla rzutu dwiema kostkami ma moc:\[|\Omega| = 6 \cdot 6 = 36\]Zdarzenie $A$ polega na tym, że na pierwszej kostce wypadła trójka. Zdarzenia sprzyjające to: $A = \{(3, 1), (3, 2), (3, 3), (3, 4), (3, 5), (3, 6)\}$.
Moc zdarzenia $A$ wynosi $|A| = 6$.
Prawdopodobieństwo zdarzenia $A$ wynosi:\[P(A) = \frac{|A|}{|\Omega|} = \frac{6}{36} = \frac{1}{6}\]Zdarzenie $B$ polega na tym, że na drugiej kostce wypadła czwórka. Zdarzenia sprzyjające to: $B = \{(1, 4), (2, 4), (3, 4), (4, 4), (5, 4), (6, 4)\}$.
Moc zdarzenia $B$ wynosi $|B| = 6$.
Prawdopodobieństwo zdarzenia $B$ wynosi:\[P(B) = \frac{|B|}{|\Omega|} = \frac{6}{36} = \frac{1}{6}\]Aby sprawdzić niezależność zdarzeń $A$ i $B$, musimy porównać $P(A \cap B)$ z iloczynem $P(A) \cdot P(B)$.
Zdarzenie $A \cap B$ polega na tym, że na pierwszej kostce wypadła trójka i na drugiej kostce wypadła czwórka. Jest tylko jedno takie zdarzenie: $A \cap B = \{(3, 4)\}$.
Moc zdarzenia $A \cap B$ wynosi $|A \cap B| = 1$.
Prawdopodobieństwo zdarzenia $A \cap B$ wynosi:\[P(A \cap B) = \frac{|A \cap B|}{|\Omega|} = \frac{1}{36}\]Obliczamy iloczyn prawdopodobieństw:\[P(A) \cdot P(B) = \frac{1}{6} \cdot \frac{1}{6} = \frac{1}{36}\]Warunek $P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)$ jest spełniony, więc zdarzenia $A$ i $B$ są niezależne.
Zadanie 2 (2 pkt)
Dwóch strzelców trafia w cel: pierwszy $8$ razy na $10$ oddanych strzałów, drugi – $5$ razy na $10$ oddanych strzałów. Oblicz prawdopodobieństwo zdarzenia:
a) cel został trafiony dwa razy
b) cel został trafiony tylko raz.
a) Prawdopodobieństwo, że cel został trafiony dwa razy, wynosi $0.40$.
b) Prawdopodobieństwo, że cel został trafiony tylko raz, wynosi $0.50$.
Oznaczmy zdarzenia:
$S_1$ - pierwszy strzelec trafia w cel.
$S_2$ - drugi strzelec trafia w cel.
$S_1'$ - pierwszy strzelec nie trafia w cel (zdarzenie przeciwne do $S_1$).
$S_2'$ - drugi strzelec nie trafia w cel (zdarzenie przeciwne do $S_2$).
Z treści zadania znamy prawdopodobieństwa trafienia dla każdego strzelca:\[P(S_1) = \frac{8}{10} = 0.8\]\[P(S_2) = \frac{5}{10} = 0.5\]Obliczamy prawdopodobieństwa chybienia:\[P(S_1') = 1 - P(S_1) = 1 - \frac{8}{10} = \frac{2}{10} = 0.2\]\[P(S_2') = 1 - P(S_2) = 1 - \frac{5}{10} = \frac{5}{10} = 0.5\]Zakładamy, że strzały obu strzelców są zdarzeniami niezależnymi.
a) Cel został trafiony dwa razy.
To zdarzenie, oznaczmy je $A$, zachodzi wtedy, gdy obaj strzelcy trafią w cel. Jest to iloczyn zdarzeń $S_1$ i $S_2$.\[P(A) = P(S_1 \cap S_2)\]Ponieważ zdarzenia są niezależne, możemy pomnożyć ich prawdopodobieństwa:\[P(A) = P(S_1) \cdot P(S_2) = \frac{8}{10} \cdot \frac{5}{10} = \frac{40}{100} = 0.40\]b) Cel został trafiony tylko raz.
To zdarzenie, oznaczmy je $B$, zachodzi w dwóch rozłącznych przypadkach:
1. Pierwszy strzelec trafia, a drugi chybia ($S_1 \cap S_2'$).
2. Pierwszy strzelec chybia, a drugi trafia ($S_1' \cap S_2$).
Prawdopodobieństwo zdarzenia $B$ jest sumą prawdopodobieństw tych dwóch przypadków.\[P(B) = P((S_1 \cap S_2') \cup (S_1' \cap S_2)) = P(S_1 \cap S_2') + P(S_1' \cap S_2)\]Korzystając z niezależności zdarzeń:\[P(B) = P(S_1) \cdot P(S_2') + P(S_1') \cdot P(S_2)\]\[P(B) = \frac{8}{10} \cdot \frac{5}{10} + \frac{2}{10} \cdot \frac{5}{10} = \frac{40}{100} + \frac{10}{100} = \frac{50}{100} = 0.50\]
Zadanie 3 (2 pkt)
Dwa niezależne systemy alarmowe chronią obiekt. Pierwszy system wykrywa włamanie z prawdopodobieństwem $0,95$, a drugi z prawdopodobieństwem $0,90$. Oblicz prawdopodobieństwo zdarzeń: $A$ – włamanie nie zostanie wykryte, $B$ – włamanie zostanie wykryte przez co najmniej jeden system.
Prawdopodobieństwo zdarzenia $A$ wynosi $0,005$, a prawdopodobieństwo zdarzenia $B$ wynosi $0,995$.
Oznaczmy zdarzenia:
$S_1$ – pierwszy system wykryje włamanie.
$S_2$ – drugi system wykryje włamanie.
Mamy dane prawdopodobieństwa:
$P(S_1) = 0,95$
$P(S_2) = 0,90$
Zdarzenia są niezależne. Obliczmy prawdopodobieństwa zdarzeń przeciwnych:
$S_1'$ – pierwszy system nie wykryje włamania.
$S_2'$ – drugi system nie wykryje włamania.
$P(S_1') = 1 - P(S_1) = 1 - 0,95 = 0,05$
$P(S_2') = 1 - P(S_2) = 1 - 0,90 = 0,10$
Obliczamy prawdopodobieństwo zdarzenia $A$ – włamanie nie zostanie wykryte. Oznacza to, że ani pierwszy, ani drugi system nie wykryje włamania. Ponieważ zdarzenia są niezależne, możemy pomnożyć ich prawdopodobieństwa.\[P(A) = P(S_1' \cap S_2') = P(S_1') \cdot P(S_2')\]\[P(A) = 0,05 \cdot 0,10 = 0,005\]Obliczamy prawdopodobieństwo zdarzenia $B$ – włamanie zostanie wykryte przez co najmniej jeden system. Jest to zdarzenie przeciwne do zdarzenia $A$ (włamanie nie zostanie wykryte przez żaden system).\[P(B) = 1 - P(A)\]\[P(B) = 1 - 0,005 = 0,995\]
Zadanie 4 (3 pkt)
Strzelec ma dwa naboje. Prawdopodobieństwo trafienia w cel pojedynczym strzałem wynosi $0,7$. Może on również użyć specjalnego trybu strzelania, wystrzeliwując oba naboje jednocześnie, co daje prawdopodobieństwo trafienia równe $0,9$. Która metoda daje większą szansę na trafienie w cel: oddanie dwóch osobnych strzałów czy jeden strzał w trybie specjalnym?
Większą szansę na trafienie w cel daje oddanie dwóch osobnych strzałów. Prawdopodobieństwo sukcesu wynosi wtedy $0,91$, w porównaniu do $0,9$ dla strzału w trybie specjalnym.
Aby odpowiedzieć na pytanie, musimy porównać prawdopodobieństwo sukcesu w obu metodach.
Metoda 1: Strzał w trybie specjalnym (oba naboje jednocześnie).
Zgodnie z treścią zadania, prawdopodobieństwo trafienia w cel w tym przypadku wynosi:\[P_1 = 0,9\]Metoda 2: Oddanie dwóch osobnych strzałów.
Oznaczmy zdarzenie $T$ jako trafienie w cel pojedynczym strzałem. Prawdopodobieństwo tego zdarzenia wynosi $P(T) = 0,7$.
Zdarzeniem przeciwnym $T'$ jest chybienie celu. Jego prawdopodobieństwo wynosi:\[P(T') = 1 - P(T) = 1 - 0,7 = 0,3\]Sukces w tej metodzie oznacza co najmniej jedno trafienie. Obliczymy prawdopodobieństwo zdarzenia przeciwnego, czyli że oba strzały będą chybione. Zakładając niezależność strzałów, prawdopodobieństwo to wynosi:\[P(\text{oba chybione}) = P(T') \cdot P(T') = 0,3 \cdot 0,3 = 0,09\]Prawdopodobieństwo sukcesu ($P_2$), czyli co najmniej jednego trafienia, jest równe 1 minus prawdopodobieństwo dwóch chybionych strzałów:\[P_2 = 1 - P(\text{oba chybione}) = 1 - 0,09 = 0,91\]Porównanie prawdopodobieństw:
Porównujemy prawdopodobieństwa sukcesu z obu metod:\[P_1 = 0,9\]\[P_2 = 0,91\]Ponieważ $0,91 > 0,9$, czyli $P_2 > P_1$, strzelec ma większą szansę na trafienie w cel, oddając dwa osobne strzały.
Zadanie 5 (5 pkt)
Firma farmaceutyczna planuje zakup systemu do kontroli czystości próbek leków. Dostępne są dwie technologie. Technologia X, w postaci jednego urządzenia, wykrywa zanieczyszczenie z prawdopodobieństwem $98\%$. Alternatywą jest system złożony z kilku niezależnych urządzeń technologii Y, z których każde wykrywa zanieczyszczenie z prawdopodobieństwem $75\%$. Koszt jednego urządzenia Y jest trzy razy niższy niż koszt urządzenia X. Które rozwiązanie jest bardziej opłacalne, jeśli wymagana skuteczność systemu kontroli wynosi co najmniej $98\%$?
Obie opcje mają taki sam koszt, więc są jednakowo korzystne finansowo.
Oznaczmy cenę urządzenia technologii X jako $C_X$, a cenę urządzenia technologii Y jako $C_Y$. Zgodnie z treścią zadania, $C_X = 3C_Y$.
Opcja 1: Zakup urządzenia technologii X.
Prawdopodobieństwo wykrycia zanieczyszczenia wynosi $P(X) = 98\% = 0,98$. Warunek minimalnej skuteczności jest spełniony. Koszt tej opcji to $C_X$.
Opcja 2: Zakup systemu $n$ urządzeń technologii Y.
Prawdopodobieństwo, że pojedyncze urządzenie Y wykryje zanieczyszczenie, to $P(Y) = 75\% = 0,75$. Prawdopodobieństwo, że urządzenie Y nie wykryje zanieczyszczenia, wynosi $P(Y') = 1 - 0,75 = 0,25$.
System $n$ urządzeń Y nie wykryje zanieczyszczenia, jeśli żadne z nich go nie wykryje. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia to:\[P(\text{system Y nie wykryje}) = (P(Y'))^n = (0,25)^n\]Prawdopodobieństwo, że system wykryje zanieczyszczenie, wynosi:\[P(\text{system Y wykryje}) = 1 - (0,25)^n\]Wymagana skuteczność to co najmniej $98\%$, więc:\[1 - (0,25)^n \ge 0,98\]\[- (0,25)^n \ge 0,98 - 1\]\[- (0,25)^n \ge -0,02\]\[(0,25)^n \le 0,02\]Sprawdzamy kolejne wartości $n$:
Dla $n=1$: $(0,25)^1 = 0,25 > 0,02$.
Dla $n=2$: $(0,25)^2 = 0,0625 > 0,02$.
Dla $n=3$: $(0,25)^3 = 0,015625 \le 0,02$.
Potrzebne są więc co najmniej 3 urządzenia typu Y. Koszt tej opcji to $3 \cdot C_Y$.
Porównanie kosztów:
Koszt opcji 1: $C_X = 3C_Y$.
Koszt opcji 2: $3C_Y$.
Koszty obu opcji są takie same.
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Rzucamy dwiema kostkami do gry. Określamy zdarzenia: $A$ – na pierwszej kostce wypadła liczba parzysta, $B$ – na drugiej kostce wypadła liczba podzielna przez 3. Zbadaj, czy zdarzenia $A$ i $B$ są niezależne.
Tak, zdarzenia $A$ i $B$ są niezależne.
Zadanie 2 (2 pkt)
Dwóch strzelców trafia w cel: pierwszy $9$ razy na $10$ oddanych strzałów, drugi – $4$ razy na $10$ oddanych strzałów. Oblicz prawdopodobieństwo zdarzenia:
a) cel został trafiony dwa razy
b) cel został trafiony tylko raz.
a) Prawdopodobieństwo, że cel został trafiony dwa razy, wynosi $0.36$.
b) Prawdopodobieństwo, że cel został trafiony tylko raz, wynosi $0.58$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Dwóch łuczników strzela niezależnie do tarczy. Pierwszy trafia w cel z prawdopodobieństwem $0,8$, a drugi z prawdopodobieństwem $0,75$. Oblicz prawdopodobieństwo zdarzeń: $A$ – tarcza nie zostanie trafiona, $B$ – tarcza zostanie trafiona przez co najmniej jednego łucznika.
Prawdopodobieństwo zdarzenia $A$ wynosi $0,05$, a prawdopodobieństwo zdarzenia $B$ wynosi $0,95$.
Zadanie 4 (3 pkt)
Informatyk ma dwie próby na odblokowanie systemu. Prawdopodobieństwo sukcesu przy pojedynczej próbie (wpisaniu hasła) wynosi $0,6$. Istnieje też możliwość użycia specjalnego programu, który przeprowadza atak na oba zabezpieczenia jednocześnie, a jego skuteczność (prawdopodobieństwo odblokowania systemu) wynosi $0,85$. Która strategia jest lepsza: dwie oddzielne próby wpisania hasła czy użycie programu?
Lepszą strategią jest użycie specjalnego programu. Prawdopodobieństwo sukcesu wynosi wtedy $0,85$, w porównaniu do $0,84$ dla dwóch oddzielnych prób.
Zadanie 5 (5 pkt)
Port lotniczy chce zainstalować nowy system skanowania bagażu. System typu 'Alfa' wykrywa niebezpieczny przedmiot z prawdopodobieństwem $99,9\%$. System typu 'Beta' składa się z kilku identycznych, niezależnie działających skanerów, z których każdy wykrywa zagrożenie z prawdopodobieństwem $90\%$. Jeden skaner 'Beta' jest pięć razy tańszy od systemu 'Alfa'. Jaka jest bardziej ekonomiczna opcja, jeśli zarząd lotniska wymaga, aby system wykrywał zagrożenie z prawdopodobieństwem nie mniejszym niż $99,9\%$?
Bardziej ekonomiczną opcją jest zakup systemu składającego się z trzech skanerów typu Beta.
