医用高等数学课件：随机事件及其概率

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1、医用高等数学”医用高等数学第六章 概率论基础 概率论是研究随机现象的数量规律的一门学科，在自然科学、社会科学和技术科学的所有领域里都有广泛的应用.概率论的基本理论和方法是医学统计学、卫生统计学、临床流行病学等课程的基础，是医学基础研究和临床实践不可缺少的重要工具.本章内容包括关于随机事件的概率和随机变量的分布等基本概念和方法.医用高等数学第一节第一节 随机事件及概率随机事件及概率一、随机试验与随机事件一、随机试验与随机事件二、事件的关系与运算二、事件的关系与运算三、概率的定义三、概率的定义医用高等数学 确定现象确定现象(必然或不可能事件必然或不可能事件)随机现象随机现象(随机事件随机事件)1.

2、太阳西升东落；3.函数在可导点处必连续；2.在一标准大气压下，水的沸点100；1.投掷硬币,正面或反面朝上；2.获救矿工 的康复时间；3.轻微腹泻病人的病因；在科学研究和人们的实践活动中，所遇到的现象一般可以分为两类：一、随机试验与随机事件一、随机试验与随机事件医用高等数学 对随机现象进行观察或试验统称为随机试验，简称试验.随机试验的任何结果都称为随机事件随机事件(random event)，简称事件，常用A、B、C等符号表示。试验中，如果出现了某种事件A，就称事件A发生了.例如，以A表示“一个人的血型测定为O型”这一随机事件，如果某个志愿献血者被测定是O型，则事件A发生了.在试验中肯定出现的

3、事件称为必然事件必然事件U；在试验中肯定不出现的事件，称为不可能事件不可能事件V。确定现象是随机现象的特殊情况，就如常量是特殊变量一样.医用高等数学二、事件的关系与运算二、事件的关系与运算事件之间的关系和运算：1.包含与相等包含与相等 若事件A发生必然导致事件B发生，则称事件B包含事件A或称事件A含于事件B，记为 BA，或 AB。例如，A“考试成绩优异”，B“考试及格”，则.AB若事件A包含事件B，同时事件B也包含事件A，即 AB且 BA，则称事件A与事件B相等，记为 AB.例如掷骰 子两次，记A=“两次的点数之和是奇数”，B=“恰有一次得 偶数点”，则 AB.任何事件A，总是有.VAU医用高

4、等数学样是否含某种病毒，A=“甲的血样阳性”，B=“乙的血样阳性”，C=“混合血样为阳性”，显然.CABBA2.事件的和与差事件的和与差事件A与事件B至少有一个发生，则这一事件称为事件A与事件B的和，记为.AB例如，化验甲，乙两人的血通常 n个事件的和记为 121,niniAAAA表示这 n个 事件至少有一个发生.事件A发生而事件B不发生，这一事件称为事件A与事 件B的差，记为 AB.例如，A“考试及格”，B“考试成 医用高等数学绩优异，则当考试结果为及格但非优异时,事件AB就发生了.如果 BA,则有:()BBAA.对于任意的A,B,总有()().ABBAAABB3.事件的积事件的积 若事件A

5、与事件B同时发生，则这一事件称为事件A与事件B的积，记为AB.化验甲，乙两人的血样，A=“甲血样为阴性”，B=“乙血样为阴性”，C=“混合血样为阴性”，则有.CABBAn个事件的积通常记为 1niiA,表示 12,nA AA 这 n个事 医用高等数学件同时发生.4.互不相容关系互不相容关系若事件A与事件B不可能同时发生，即AB=V，则称事 件A与事件B互不相容或互斥.如果 12,nA AA中任意两个事 件都是互不相容的，则称 12,nA AA两两互不相容.例如，一个家庭有两个孩子.记 =“两个都是男孩”,=“哥哥和1A2A3A4A和妹妹”,=“姐姐和弟弟”,=“两个都是女孩”.显然，是两两互不

6、相容的事件.1234,A A A A5.互逆关系互逆关系若事件A与事件B有且仅有一个发生，即同时满足 医用高等数学ABU和 ABV，则称事件A与B为互逆事件或对立事件，通常把A的逆事件记为 A，表示“A不发生”这一事件.例如，例如，对学生进行考核，以事件A表示“及格”，以事件B表 示“不及格”，则A、B互为逆事件,即 ABBA.且一对互逆的事件A和 A,把随机试验的全部结果分成互不重叠的两类,例如，男和女,是和非,阳性和阴性,成功和失败,等等.在语法上,一个陈述前加上“不”（或者“非”）就得到其对立事件.事件的运算满足如下关系：医用高等数学（1）交换律,ABBAABBA（2）结合律()(),(

7、)()ABCABCA BCAB C（4）（3）分配律(),()A BCABACAB CACBC,ABABABABABAB 随机事件的关系和运算与集合的关系和运算是完全相似的，例如对任意事件A，B，总有：,AABBABABBAUAAVV等.通常，把一次试验的每一个可能结果称为基本事件基本事件或简单事件简单事件，一个事件是否称为基本事件取决于试验目的.医用高等数学 例如，考试结果，一般0分至100分中的每个分数都是一个基本事件；若只需知道是否通过了考试，则只有及格和不及格这两个基本事件.进行一次试验,全部基本事件中必然会出现某一个，因此，由所有基本事件所组成的集合作为事件就是必然事件，复合事件是其

8、子集，这样，便可参照表6-1将事件与集合进行对比来加以理解.医用高等数学AUA符 号概率论集合论U必然事件全集V不可能事件空集事件AU 的子集AB事件A发生必导致事件B发生（事件的包含）集合A是B的子集A=B事件A与B相等（事件的相等）集合A与B 相等A+B事件A与B至少有一个发生（事件的和）集合A与B 的并集AB 事件A与B同时发生（事件的积）集合A与B 的交集AB事件A发生而B 不发生（事件的差）集合A与B 的差集AB=V事件A与B不可能同时发生（互不相容）集合A与B无公共元素事件A不发生（A的逆事件）集合A的补集表 6-1医用高等数学 例例6-1 依次检查三人的肝脏功能，记A=“第一人正

9、常”，B=“第二人正常”，C=“第三人正常”，试写出这一试验的全部基本事件以及下列事件：（1）只有第一人正常；（2）只有一人正常；（3）三人都不正常；（4）至少有一人正常；（5）只有第三人不正常.解解 全部基本事件为:ABC、ABC、ABC、ABC、ABC、ABC、ABC、ABC，则 以上事件可分别表示为:(1)ABC或 或 ABC()ABC；(2)+;ABC ABCABC医用高等数学(3)ABC(4)ABC(5)ABC或 或 ABCABABC 例例6-2 设A,B,C是三个事件且满足A+B+C=U,试用A,B,C表示下列事件:(1)A不发生；只有A发生；只有A不发生；(2)A,B 同时出现；

10、A,B 同时不出现；A,B不同时出现；(3)不是“只有A 发生”；不是“只有A不发生”；(4)A发生且不是“只有A发生”；(5)A不发生且不是只有A不发生；(6)只有A出现或只有A不出现；(7)(不是“只有A 发生”)且(不是“只有A不发生”).医用高等数学解解 A,B,C不一定互斥,但是，因为,ABCU每次试验,至少要出现其中一个.题目里提到的“只有只有”和“不不”是针对A,B,C三个事件而言的，所以要留意“只有”和“不”的位置.(1)A不发生=A；只有A发生=ABC；只有A不发生=ABC;(2)A,B同时出现=AB；A,B同时不出现=AB；A,B不 同时出现=AB;(3)不是“只有A 发生

11、”=ABCABCABC;医用高等数学不是“只有A不发生”=ABCABCABC;(4)A发生且不是“只有A发生”=AABCA(AB C)AAAB ACA B C;()(5)A不发生且不是只有A不发生=AABCA(ABC)A BC;()(6)只有A出现或只有A不出现=ABCABC;(7)(不是“只有A 发生”)且(不是“只有A不发生”)=(ABC)(ABC)A(BC)(BCBC)A(BC)ABACBCBCABAC.医用高等数学三、概率的定义三、概率的定义 随机试验中，事件A发生的可能性的大小定义定义为事件A的概率概率(the probability of event A)，记为P(A)，任何事件A

12、，P(A)都是0至1间的实数，若事件A和事件B相等，则P(A)=P(B).对于必然事件和不可能事件,规定:P(U)=1和P(V)=0.如果 AB,则P(A)P(B).因此对任何事件A，总有 0=P(V)P(A)P(U)=1.1.概率的统计定义概率的统计定义 定义定义6.1 设在相同条件下进行的 n次试验中，随机事 医用高等数学件A发生了 m次，则称比值 mn为事件A的频率，记为 nmfAn()对任何试验，都有 01,nf()1,nfU()0nfV.而且,若 AB,必有()().nnfAfB例如，掷一个均匀的硬币,设事件A=“得到正面”，则当 1n 时,1()f A只能等于0或1，而当 2n 时

13、,2()fA可以等 于0,1/2,1,余类推.但在一次具体的实验里()nfA等于多少 只能实验完成后才能确定.医用高等数学 例例6-3 历史上数位数学家先后做过大量的投掷硬币试验，结果如表6-2所示.n nn n试验者试验者投掷次数投掷次数(n)出现正面次数出现正面次数(m)频率频率(m/n)De Morgan2 0461 0610.518 6Buffon4 0402 0480.506 9Pearson12 0006 0190.501 6Pearson24 00012 0120.500 5表6-2 频率虽然具有随机性，但是当试验次数n充分大时，频率会显示出它的稳定性。医用高等数学 由于投掷硬币

14、试验只产生“正面”和“反面”两种结果，因此，凡Yes or No一类的对立事件的概率，都能够用掷币试验来实证.计算机模拟时,更是简化为用1和0来代替A和.A例例6-4人类的男婴出生率总在0.517上下，各种族各 地区之间并无实质性差异.甚至于某些遗传性疾病的发生率也是如此.人类遗传学家G.Wealer和助手花费十数年时间追踪了18000多名儿童及其家系成员，于1927发表调查结果，在9040个男性中，725人患有红绿色盲；在9072个医用高等数学女性中，40人患有红绿色盲.并由此推断,红绿色盲是X染色体隐性遗传疾病.以后的研究表明,男性患红绿色盲的机率是女性的16倍,与Wealer的结果是吻合

15、的.例例6-5 根据Brillouin在1956年发表的结果，对总量大约有4千万字母的英文文字材料所作抽样统计，英文26个字母的使用率是很稳定的.E、T、O、A等出现的频率远远高于X、J、Q、Z等.实际上,各种语言,包括计算机语言,都有类似规律.可见，随机现象固然具有偶然性，同时也有必然性.医用高等数学必然性表现为大量试验中，一个随机事件的频率总是围绕着某一个定值而波动，并且波动的幅度越来越小，随机现象的这种统计规律性表明随机事件的概率与频率有密切的联系.定义定义6.2 设在同一条件下重复进行n次试验，事件A出现m次，若试验次数n足够大，频率 mn稳定地在某一确 定值p的附近摆动，则称p为事件

16、A的概率，记为 P(A)=p 此定义为概率的统计定义，它提供了求概率的一种近医用高等数学似方法，即当试验次数足够大时，事件A的概率近似地等于事件A的频率.医学统计学(medical statistics)中，所谓患病率、死亡率、治愈率等就是指相应的频率，统计例数相当多时，也可理解为相应的概率，并用频率值来估计相应的概率值.例例6-6 某医院用一种新药治疗老年性气管炎，疗效见表6-3，求临床治愈率.医用高等数学表6-3 治疗结果治疗结果临床治愈（临床治愈（A A）明显好转（明显好转（B B）症状缓解（症状缓解（C C）无效（无效（D D）合计合计例数（例数（m m）838318018011711

17、72323403403频率频率(m/nm/n)0.2060.2060.4770.4770.2600.2600.0570.0571.001.00 解解:这里的病例数403可认为足够大，故可以用临床治愈频率来近似表示本题所求的概率，即P(A)=mn=0.206,当然，例数越多，这个近似值就越值得信赖.概率的统计定义仍然具有下列性质性质:（1）对任何事件A，恒有0 P(A)1；（2）必然事件的概率为1，即P(U)=1；不可能事件的概率为零，即P(V)=0.医用高等数学（3）若 AB则()()P AP B故总有()()().P VP AP U2.古典概型古典概型 例例6-7 一个正六面体的均匀骰子,各

18、面分别为1,2,3,4,5,6点.投掷一次,记:A=“得到1点”,B=“得到偶数点”,C=“点数不大于5点”.由于所有结果所有结果无非是1,2,3,4,5,6点之一,且得到1,2,3,4,5,6点之一的机会是均等的机会是均等的(因为骰子正且匀),很自然地可以断定:P(A)=1/6,P(B)=3/6=1/2以及P(C)=4/6=2/3.如果随机试验都具有如下理想化特征：医用高等数学（1）试验的所有可能结果为有限个，记为 12,nEEE且 1niiEU；（完备性）（2）事件 12,nEEE两两互不相容，即当 ijijE EV时，；（互不相容性）（3）事件 12,nEEE发生的可能性相等，即()1,

19、kP En1,2,.kn（等可能性）(1,2,3)的基本事件组 kE每个事件均称为事件A的基本事件，12,nEEE称为等概率基本等概率基本具有特征1,2,kn（）医用高等数学事件组事件组.定义定义6.3 设 12,nEEE是试验的等概率基本事件组，其 中事件A所包含的基本事件数为m，则事件A的概率为()mP AnA事件 包含的基本事件数基本事件的总数 这个定义称为概率的古典定义，亦称古典概型古典概型.例例6-8 带活动门的小盒子里有采自同一巢的20只工蜂和10只雄蜂，现随机地放出5只做实验，求其中有3只工蜂的概率.医用高等数学 解解 设A=“任取5只蜜蜂有3只是工蜂”，依题意可知，基本事件总数

20、为 530142506nC，事件A所包含的基本事件数为 32201051300mC C，所以32201053051300()0.360142506C CP AC 把这个例子抽象为一般化的问题是：从a只工蜂和b只雄蜂中不放回地取出n只，其中有k只工蜂(min,na b0kn)的概率为：(),(0,1,2,)kn kabnna bC CP kknC医用高等数学称为超几何分布超几何分布(hypergeometric distribution).例例6-9 有6匹赛马,编号为1,2,3,4,5和6.比赛时,它们越过终点的顺序(共6!种)是等可能的.记A=“1号马跑在前三位”,B=“2号马跑在第二位”.

21、求P(A),P(B)和P(AB).解解 已知6匹赛马的全排列共n=6!种.当1号马在前三位中任意占一位之后,让另5匹赛马在剩下的5个位置上全排列,有5!种不同方式,故 Am=35!,则 Am3 51P(A);n62!类似，Bm51P(B);n66!至于事件AB，先让2号马确定在第 二位，则1号马只有第一位和第三位两种选择，于是，医用高等数学ABm2 41P(AB)n615!例例6-10 一个袋中装有外形完全相同的a只白球和b只黑球，现任意地把这些球从袋中一个一个地全部摸出来，问第二个是黑球的概率是多少?解解 设A=“第2个球是黑球”.假设把这ab个球编了号码以便区别.如果把这ab个球摸出来依次

22、摆成一排，不同的摆法（对应于不同的摸球结果）有n=(a+b)!种.现在,首先从个黑球中取出一个放在第二个位置，这有b种选法;其次，把剩下的ab1个球随意地摸出来依次摆放 医用高等数学在剩下的ab1个位置上，有(a+b-1)!种摆法，所以共有m=b(a+b-1)!种选取方式使第二个位置上是黑球，这些都是事件A所包含的，所以(1)!()()!b abbP Aabab 如果记 =“第k个是黑球”，k=1,2,，a+b，同理P()=b/(a+b)对所有k都成立，由此知抽样结果的概率与抽样结果的概率与抽样顺序无关抽样顺序无关.kAkA像掷币和投骰一样，抽牌和摸球，是数学家们热衷的医用高等数学游戏之一.摸

23、球模型也是概率论里最常用的攻关利器.在生命科学里,常用来拟合基因漂移，人口结构,传染病扩散,正常细胞和癌细胞的竞争等问题.例例6-11 一个袋中装有a只白球和b只黑球，a 0而b0.另一个大盒子中装有非常多的白球和黑球，其中，白球和黑球的比例分别为q和p,p+q=1.现在，每次从袋中取出一个黑球，然后从大盒子中随机地取出一个球，并且放回袋中.重复这些操作,直到袋中无黑球为止.数学家提出问题是,平均要操作多少次,袋中首次无黑球?医用高等数学 已知人体免疫系统的T细胞粗分为CD4和CD8两种，正常人的CD4和CD8之比约为6:4.近来发现,虽然早期AIDS病人的T细胞总量和正常人大致一样,但是CD

24、4和CD8两种T细胞的比例却在不断下降.新近的模型假设,人体免疫系统的补偿机制不区分受损T细胞类型,固定地按照6:4的比例生成CD4和CD8,以保持CD4和CD8的比例不变.但是,如果HIV病毒专门专门攻击CD4细胞,CD4细胞就会越来越少，导致免疫系统的崩溃.从感染HIV病毒到免疫系统失效，平均要多少时间?这个问题与上面的摸球模型非常类似.解决这医用高等数学样的问题,需要后面几节的理论和方法.主主 要要 内内 容容作业：作业：思考与练习思考与练习 1.2.3.4.1、随机事件、随机事件、必然事件和必然事件和 不可能事件不可能事件 2、事件的关系：事件的包含、相等、互不相容、事件的关系：事件的包含、相等、互不相容、互互逆逆 3、事件的运算、事件的运算：事件的和与差、事件的积事件的和与差、事件的积 4、概率：统计定义、概率：统计定义、古典概型古典概型