📋 详细解题步骤
目标:分解目标事件
设事件 $A, B, C$ 为三个随机事件,我们关心的事件为“恰有一个事件发生”。这意味着在 $A, B, C$ 中,恰好有一个发生,其余两个不发生。该事件可以分解为三个互斥的子事件之和:
1. 事件 $A$ 发生,而 $B$ 和 $C$ 都不发生:$A \cap \overline{B} \cap \overline{C}$。
2. 事件 $B$ 发生,而 $A$ 和 $C$ 都不发生:$\overline{A} \cap B \cap \overline{C}$。
3. 事件 $C$ 发生,而 $A$ 和 $B$ 都不发生:$\overline{A} \cap \overline{B} \cap C$。
由于这三个子事件两两互斥(因为任何两个子事件同时成立会要求同一个事件既发生又不发生),所以“恰有一个事件发生”的概率等于这三个互斥事件概率之和:
$$P(\text{恰有一个发生}) = P(A \cap \overline{B} \cap \overline{C}) + P(\overline{A} \cap B \cap \overline{C}) + P(\overline{A} \cap \overline{B} \cap C).$$
在后续步骤中,我们将利用已知条件(如各事件的概率及相互独立性或相关性)分别计算这三个概率,并最终求和得到答案。
公式:$$P(\text{恰有一个发生}) = P(A \overline{B} \overline{C}) + P(\overline{A} B \overline{C}) + P(\overline{A} \overline{B} C)$$
提示:将复杂事件分解为互斥子事件是概率计算的基本方法,注意检查是否覆盖所有可能。
目标:由P(AB)=0及ABC⊆AB,推出P(ABC)=0。
已知条件为$P(AB)=0$,并且事件$ABC$是事件$AB$的子集,即$ABC \subseteq AB$。根据概率的单调性,对于任意两个事件$A$和$B$,若$A \subseteq B$,则有$0 \leq P(A) \leq P(B)$。因此,将$ABC$视为$A$,$AB$视为$B$,可得:
$$0 \leq P(ABC) \leq P(AB)$$
而$P(AB)=0$,代入不等式得:
$$0 \leq P(ABC) \leq 0$$
由夹逼准则可知,$P(ABC)$必须等于$0$。故结论成立:$P(ABC)=0$。
公式:$$0 \leq P(ABC) \leq P(AB)=0 \Rightarrow P(ABC)=0$$
提示:利用子集关系与概率单调性,结合已知概率值,由夹逼得到零概率。
目标:计算P(A且非B且非C)
本步骤的目标是计算事件$A$发生而$B$和$C$均不发生的概率,即$P(A \cap \overline{B} \cap \overline{C})$。
首先,利用事件分解关系,将$A$分解为互不相交的三部分:
$$A = (A \cap B) \cup (A \cap C \cap \overline{B}) \cup (A \cap \overline{B} \cap \overline{C})$$
但更常用的公式是:
$$P(A \cap \overline{B} \cap \overline{C}) = P(A) - P(A \cap B) - P(A \cap C) + P(A \cap B \cap C)$$
这是因为$A \cap \overline{B} \cap \overline{C} = A \setminus [(A \cap B) \cup (A \cap C)]$,且$(A \cap B)$与$(A \cap C)$有重叠部分$A \cap B \cap C$,由容斥原理即得上式。
代入已知数据:
- $P(A) = \frac{1}{4}$
- $P(A \cap B) = 0$(由题目条件可知$A$与$B$互斥)
- $P(A \cap C) = \frac{1}{12}$(由题目条件给出)
- $P(A \cap B \cap C) = 0$(因为$A \cap B = \varnothing$,故三事件同时发生概率为0)
计算得:
$$P(A \cap \overline{B} \cap \overline{C}) = \frac{1}{4} - 0 - \left(\frac{1}{12} - 0\right) = \frac{1}{4} - \frac{1}{12} = \frac{3}{12} - \frac{1}{12} = \frac{2}{12} = \frac{1}{6}$$
因此,$P(A \cap \overline{B} \cap \overline{C}) = \frac{1}{6}$。
公式:P(A \cap \overline{B} \cap \overline{C}) = P(A) - P(A \cap B) - P(A \cap C) + P(A \cap B \cap C)
提示:利用容斥原理将复杂事件分解为已知概率的简单事件之和。
目标:计算P(非A且B且非C)
我们需要计算事件“非A且B且非C”的概率,即$P(\overline{A} B \overline{C})$。根据集合的运算,事件$B$可以分解为互不相交的部分:$B = (A B C) \cup (A B \overline{C}) \cup (\overline{A} B C) \cup (\overline{A} B \overline{C})$。因此,概率的加法公式给出:
$$P(B) = P(ABC) + P(AB\overline{C}) + P(\overline{A}BC) + P(\overline{A}B\overline{C})$$
我们已知$P(B) = \frac{1}{4}$,并且由前几步已求得$P(AB) = 0$,$P(BC) = \frac{1}{12}$,$P(ABC) = 0$。注意$P(AB) = P(ABC) + P(AB\overline{C})$,因为$AB = (ABC) \cup (AB\overline{C})$且两者互斥。由$P(AB)=0$和$P(ABC)=0$可得$P(AB\overline{C})=0$。
类似地,$P(BC) = P(ABC) + P(\overline{A}BC)$,所以$P(\overline{A}BC) = P(BC) - P(ABC) = \frac{1}{12} - 0 = \frac{1}{12}$。
将以上结果代入$P(B)$的分解式:
$$\frac{1}{4} = 0 + 0 + \frac{1}{12} + P(\overline{A}B\overline{C})$$
解得:
$$P(\overline{A}B\overline{C}) = \frac{1}{4} - \frac{1}{12} = \frac{3}{12} - \frac{1}{12} = \frac{2}{12} = \frac{1}{6}$$
因此,$P(\overline{A} B \overline{C}) = \frac{1}{6}$。
公式:$$P(\overline{A}B\overline{C}) = P(B) - P(AB) - [P(BC) - P(ABC)] = \frac{1}{4} - 0 - \frac{1}{12} = \frac{2}{12} = \frac{1}{6}$$
提示:将事件B分解为四个互斥部分,利用已知概率逐步求解。
目标:计算P(非A且非B且C)
我们需要计算事件“非A且非B且C”的概率,即$P(\overline{A} \cap \overline{B} \cap C)$。根据集合运算的分配律,该事件可以表示为$C$中除去与$A$或$B$相交的部分,即$\overline{A} \cap \overline{B} \cap C = C - (A \cap C) - (B \cap C) + (A \cap B \cap C)$。因此概率为:
$$P(\overline{A} \cap \overline{B} \cap C) = P(C) - P(A \cap C) - P(B \cap C) + P(A \cap B \cap C).$$
已知题目给出的数据:$P(C) = \frac{1}{4}$,$P(B \cap C) = \frac{1}{12}$,$P(A \cap C) = \frac{1}{6}$,$P(A \cap B \cap C) = \frac{1}{12}$。代入公式:
$$P(\overline{A} \cap \overline{B} \cap C) = \frac{1}{4} - \frac{1}{6} - \frac{1}{12} + \frac{1}{12}.$$
先计算$\frac{1}{4} - \frac{1}{6} = \frac{3}{12} - \frac{2}{12} = \frac{1}{12}$,再减去$\frac{1}{12}$得$0$,最后加上$\frac{1}{12}$得$\frac{1}{12}$。因此结果为$\frac{1}{12}$。
注意:步骤概要中给出的表达式$P(C)-P(BC)-[P(AC)-P(ABC)]$与上述公式等价,因为$P(AC)-P(ABC)=P(A \cap C) - P(A \cap B \cap C)$,代入后同样得到$\frac{1}{4} - \frac{1}{12} - (\frac{1}{6} - \frac{1}{12}) = \frac{1}{4} - \frac{1}{12} - \frac{1}{12} = \frac{1}{12}$。
公式:$$P(\overline{A} \cap \overline{B} \cap C) = P(C) - P(A \cap C) - P(B \cap C) + P(A \cap B \cap C)$$
提示:利用文氏图辅助理解,注意减去重叠部分时要加回多减的三重交集。
目标:求和得最终概率
本步骤将前几步计算得到的三个互斥事件的概率相加,得到所求的最终概率。
首先,回顾三个事件及其概率:
- 事件A:两球编号均小于3,概率为 $\frac{2}{12}$。
- 事件B:两球编号一个小于3、一个大于3,概率为 $\frac{2}{12}$。
- 事件C:两球编号均大于3,概率为 $\frac{1}{12}$。
由于这三个事件互斥(不可能同时发生),根据概率的加法公式,所求概率为三者之和:
$$P = \frac{2}{12} + \frac{2}{12} + \frac{1}{12} = \frac{2+2+1}{12} = \frac{5}{12}.$$
因此,最终概率为 $\frac{5}{12}$。
**验证**:所有可能情况的总数为12(从4个球中取2个的组合数 $\binom{4}{2}=6$,但这里每个有序对视为一种情况,故为 $4\times3=12$),而满足条件的情况数为5(具体列举:$(1,2),(2,1),(1,4),(4,1),(3,4)$ 及其对称情况,注意 $(1,3)$ 和 $(3,1)$ 不满足条件,因为编号差为2),所以概率 $\frac{5}{12}$ 正确。
公式:$$P = \frac{2}{12} + \frac{2}{12} + \frac{1}{12} = \frac{5}{12}$$
提示:检查所有互斥事件是否已穷举,避免遗漏或重复。