חישוב ההסתברות של קוביות מאוזנות

מטילים שלוש קוביות מאוזנות: לבנה, שחורה ואדומה.

  1. תארו את מרחב המדגם.
  2. מה ההסתברות שתוצאת הקובייה השחורה היא אי-זוגית?
  3. מה ההסתברות שסכום התוצאות בקובייה הלבנה והאדומה הוא 5?
  4. מה ההסתברות שסכום התוצאות בקובייה הלבנה והשחורה שווה לפעמיים תוצאת הקובייה האדומה?
  5. מה ההסתברות שקיים לפחות זוג אחד של קוביות שסכומם הוא 6?

סעיף ראשון
נסמן את הקובייה הלבנה ב-w, את הקובייה השחורה ב-b ואת הקובייה האדומה ב-r. כמו כן, נמספר את הפאות מ-1 עד 6. ניתן לתאר את מרחב המדגם כאוסף וקטורים באורך שלוש כאשר כל איבר מייצג את תוצאת הקובייה. כלומר, מרחב המדגם ניתן לתיאור בצורה הבאה:

\varOmega=\{(a_{w},a_{b},a_{r})\,:\,a_{i\in\{w,b,r\}}\in\{1,...,6\}\}

לכל a_{i\in\{w,b,r\}} יש שש אפשרויות. מאחר והווקטור באורך 3, נוכל להסיק כי מספר האפשרויות הינו:

|\varOmega|=6^{3}=216

סעיף שני
נגדיר מאורע A להיות המקרה בו תוצאת הקובייה השחורה היא אי-זוגית. לכן, לקובייה הלבנה יש שש אפשרויות, לקובייה השחורה יש שלוש אפשרויות ולקביה האדומה יש שש אפשרויות. סה"כ ע"פ עקרון הכפל |A|=6\cdot3\cdot6=108. מאחר ומדובר במרחב שווה הסתברות נובע:

P(A)=\frac{|A|}{|\varOmega|}=\frac{108}{216}=\frac{1}{2}

סעיף שלישי
נגדיר מאורע B להיות המקרה בו סכום התוצאות בקובייה הלבנה והאדומה הוא 5. לכן, את המאורע B ניתן לתאר בצורה הבאה:

B=\{(1,a,4),(4,a,1),(2,a,3),(3,a,2)\,:\,a\in\{1,...,6\}\}

עבור הקובייה השחורה יש שש אפשרויות ולכן נוכל להסיק כי מספר האפשרויות הינו |B|=4\cdot6=24. מאחר ומדובר במרחב שווה הסתברות נובע:

P(B)=\frac{|B|}{|\varOmega|}=\frac{24}{216}=\frac{1}{9}

סעיף רביעי
נגדיר מאורע C להיות המקרה בו סכום התוצאות בקובייה הלבנה והשחורה שווה לפעמיים תוצאת הקובייה האדומה, כלומר 2a_{r}=a_{w}+a_{b} עבור a_{i\in\{w,b,r\}}\in\{1,...,6\}. נפריד למקריים זרים לפי תוצאת הקובייה האדומה:

  • אם a_{r}=1 אז a_{w}+a_{b}=2 ולכן בהכרח a_{w}=a_{b}=1. כלומר המאורע C_{1} מכיל אפשרות אחת.
  • אם a_{r}=2 אז a_{w}+a_{b}=4 ולכן המאורע C_{2} מכיל את הזוגות הבאים:
C_{2}=\{(1,3,2),(3,1,2),(2,2,2)\}\Rightarrow|C_{2}|=3
  • אם a_{r}=3 אז a_{w}+a_{b}=6 ולכן המאורע C_{3} מכיל את הזוגות הבאים:
C_{3}=\{(1,5,3),(5,1,3),(3,3,3),(2,4,3),(4,2,3)\}\Rightarrow|C_{3}|=5
  • אם a_{r}=4 אז a_{w}+a_{b}=8 ולכן המאורע C_{4} מכיל את הזוגות הבאים:
C_{4}=\{(3,5,4),(5,3,4),(4,4,4),(2,6,4),(6,2,4)\}\Rightarrow|C_{4}|=5
  • אם a_{r}=5 אז a_{w}+a_{b}=10 ולכן המאורע C_{5} מכיל את הזוגות הבאים:
C_{5}=\{(5,5,5),(6,4,5),(4,6,5)\}\Rightarrow|C_{5}|=3
  • אם a_{r}=6 אז a_{w}+a_{b}=12 ולכן המאורע C_{6} מכיל את הזוגות הבאים:
C_{6}=\{(6,6,6)\}\Rightarrow|C_{6}|=1

סה"כ, נוכל להסיק כי מתקיים:

|C|=\sum_{i=1}^{6}|C_{i}|=1+3+5+5+3+1=18

מאחר ומדובר במרחב שווה הסתברות נובע:

P(C)=\frac{|C|}{|\varOmega|}=\frac{18}{216}=\frac{1}{12}

סעיף חמישי
נגדיר מאורע D_{k,m} להיות המקרה בו סכום של תוצאות בקוביות k ו-m שווה ל-6. תחילה נחשב את ההסתברות של מאורע D_{b,w}. מאורע זה ניתן לתיאור בצורה הבאה:

D_{b,w}=\{(1,5,a),(2,4,a),(3,3,a),(4,2,a),(5,1,a)\,:\,a\in\{1,...,6\}\}

עבור הקובייה האדומה יש שש אפשרויות. לכן, נוכל להסיק כי מתקיים: |D_{b,w}|=6\cdot5=30. מאחר ומדובר במרחב שווה הסתברות נובע:

P(D_{b,w})=\frac{|D_{b,w}|}{|\varOmega|}=\frac{30}{216}=\frac{5}{36}

מטעמי סימטריה נקבל:

P(D_{b,w})=P(D_{b,r})=P(D_{w,r})=\frac{5}{36}

עתה, נמצא את ההסתברות של המאורע D_{b,w}\cap D_{b,r}. מאורע זה ניתן לתיאור בצורה הבאה:

D_{b,w}\cap D_{b,r}=\{(1,5,1),(2,4,2),(3,3,3),(4,2,4),(5,1,5)\}\Rightarrow|D_{b,w}\cap D_{b,r}|=5

מאחר ומדובר במרחב שווה הסתברות נובע:

P(D_{b,w}\cap D_{b,r})=\frac{|D_{b,w}\cap D_{b,r}|}{|\varOmega|}=\frac{5}{216}

מטעמי סימטריה נקבל:

P(D_{b,w}\cap D_{b,r})=P(D_{b,r}\cap D_{w,r})=P(D_{b,w}\cap D_{w,r})=\frac{5}{36}

כעת, נמצא את הסתברות של המאורע D_{b,w}\cap D_{b,r}\cap D_{w,r}. מאורע זה מכיל רק את האפשרות (3,3,3) ולכן נקבל:

|D_{b,w}\cap D_{b,r}\cap D_{w,r}|=3\Rightarrow P(D_{b,w}\cap D_{b,r}\cap D_{w,r})=\frac{|D_{b,w}\cap D_{b,r}\cap D_{w,r}|}{|\varOmega|}=\frac{1}{216}

ע"פ עקרון ההכלה והפרדה נקבל:

\begin{align*} P(D_{b,w}\cup D_{b,r}\cup D_{w,r})&=P(D_{b,w})+P(D_{b,r})+P(D_{w,r})-P(D_{b,w}\cap D_{b,r})-P(D_{b,r}\cap D_{w,r})-P(D_{b,w}\cap D_{w,r})+P(D_{b,w}\cap D_{b,r}\cap D_{w,r})\\&=\frac{5}{36}+\frac{5}{36}+\frac{5}{36}-\frac{5}{216}-\frac{5}{216}-\frac{5}{216}+\frac{1}{216}=\frac{19}{54} \end{align*}