Ugrás a fő tartalomhoz

Feltételes valószínűség

Szeretnénk, egy esemény valószínűségét egy másik esemény bekövetkeztének feltételezésével vizsgálni. Ehhez bevezetjük a feltételes valószínűség fogalmát.

Az AA esemény valószínűségét azon feltétel mellett, hogy a BB esemény bekövetkezik, az AA esemény a BB eseményre vonatkozó feltételes valószínűségének nevezzük, P(A∣B)\mathrm{P}(A\mid B)-vel jelöljük és a következő módon definiáljuk:

P(A∣B)=P(A∩B)P(B)\mathrm{P}(A \mid B) = \frac{\mathrm{P}(A \cap B)}{\mathrm{P}(B)}

Szemléletesen, a definíció jelentése a következő:

cond.svg

Tehát P(A∣B)\mathrm{P}(A\mid B) nem más mint (A eˊs B)(A \text{ és } B) valószínűsége BB valószínűségéhez viszonyítva.

PÉLDA

Mennyi a valószínűsége, hogy két kockadobásnál mind a két dobás 6-os, feltéve, hogy tudjuk, hogy legalább az egyik dobás 6-os?

Két dolgot kell meghatároznunk:

  • Annak a valószínűségét, hogy két 6-ost dobunk. (A)(A)
  • Annak a valószínűségét, hogy legalább 1 hatost dobunk. (B)(B)
P(A)=136,P(B)=16⋅56⏟elso˝ dobaˊs 6-os+56∗16⏟maˊsodik dobaˊs 6-os+136⏟mindkeˊt dobaˊs hatos=1136\mathrm{P}(A) = \frac{1}{36}, \quad \mathrm{P}(B) = \underbrace{\frac{1}{6} \cdot \frac{5}{6}}_{\text{első dobás 6-os}} + \underbrace{\frac{5}{6} * \frac{1}{6}}_{\text{második dobás 6-os}} + \underbrace{\frac{1}{36}}_{\text{mindkét dobás hatos}} = \frac{11}{36}

Figyeljük meg, hogy A⊂BA \subset B, ezért A∩B=AA \cap B = A Alkalmazva a képletet azt kapjuk, hogy:

P(A∣B)=1361136=136⋅3611=111 \mathrm{P}(A \mid B) = \frac{\frac{1}{36}}{\frac{11}{36}} = \frac{1}{36} \cdot \frac{36}{11} = \frac{1}{11}

Teljes valószínűség tétele​

Tetszőleges AA esemény és B1,B2,…B_1, B_2, \dots teljes eseményrendszer esetén

P(A)=∑i=1∞P(A∣Bi)⋅P(Bi)\mathrm{P}(A) = \sum_{i=1}^{\infty}{\mathrm{P}(A \mid B_i) \cdot P(B_i)}
Bizonyítás

Mivel B1,B2,…B_1, B_2, \dots teljes eseményrendszer, ezért ⋃i=1∞Bi=Ω\bigcup_{i=1}^\infty B_i = \Omega.

P(A)=P(A∩Ω)(A⊆Ω)=P(A∩(⋃i=1∞Bi))(szorzaˊs disztributıˊv)=P((A∩B1)∪(A∩B2)∪… )(3. axioˊma)=∑i=1∞(A∩Bi)\begin{align*} \mathrm{P}(A) &= \mathrm{P}(A \cap \Omega) \quad & (A \subseteq \Omega) \\ &= \mathrm{P}\left(A \cap \left( \bigcup_{i=1}^\infty B_i \right) \right) & (\text{szorzás disztributív}) \\ &= \mathrm{P}\left((A \cap B_1 ) \cup (A \cap B_2) \cup \dots \right) & (\text{3. axióma}) \\ &= \sum_{i=1}^{\infty}{(A \cap B_i )} \\ \end{align*}

A feltételes valószínűség definíciójának átrendezéséből adódik, hogy (A∩Bi)=P(A∣B)P(Bi)(A \cap B_i ) = \mathrm{P}(A \mid B)\mathrm{P}(B_i). Elvégezve a helyettesítést a bizonyítandó tételt kapjuk.

Bayes-tétel​

Tetszőleges AA esemény és B1,B2,…B_1, B_2, \dots teljes eseményrendszer esetén

P(Bi∣A)=P(A∣Bi)⋅P(Bi)∑i=1∞P(A∣Bi)⋅P(Bi)\mathrm{P}(B_i \mid A) = \frac{\mathrm{P}(A \mid B_i) \cdot \mathrm{P}(B_i)}{\sum_{i=1}^{\infty}{\mathrm{P}(A \mid B_i)} \cdot \mathrm{P}(B_i)}
Bizonyítás

A feltételes valószínűség definícióját átalakítva és kihasználva, hogy a szorzat kommutatív:

P(Bi∩A)=P(Bi∣A)⋅P(A)=P(A∩Bi)=P(A∣Bi)⋅P(Bi)\mathrm{P}(B_i \cap A) = \mathrm{P}(B_i \mid A) \cdot \mathrm{P}(A) = \mathrm{P}(A \cap B_i) = \mathrm{P}(A \mid B_i) \cdot \mathrm{P}(B_i)

Behelyettesítve a feltételes valószínűség definíciójába:

P(Bi∣A)=P(Bi∩A)P(A)=P(A∣Bi)⋅P(Bi)P(A)\mathrm{P}(B_i \mid A) = \frac{\mathrm{P}(B_i \cap A)}{\mathrm{P}(A)} = \frac{\mathrm{P}(A \mid B_i) \cdot \mathrm{P}(B_i)}{\mathrm{P}(A)}

Végül fejezzük ki P(A)\pr(A)-t a teljes valószínűség tételével. Elvégezve a helyettesítést a bizonyítandó tételt kapjuk.

PÉLDA

100 érme közül az egyik hamis (ennek mindkét oldalán fej található). Egy érmét véletlenszerűen kiválasztva és azzal 10-szer dobva, 10 fejet kaptunk. Ezen feltétellel mi a valószínűsége, hogy a hamis érmével dobtunk?

Legyenek az események a következők:

  • AA: 10-ből 10 fejet dobunk
  • B1B_1: hamis érmét választottuk ki
  • B2B_2: nem hamis érmét választottuk ki

Ekkor:

  • P(B1)=1100\mathrm{P}(B_1) = \frac{1}{100}
  • P(B2)=99100\mathrm{P}(B_2) = \frac{99}{100}

Nem nehéz meggondolni a következőket sem:

  • Ha, hamis érmével dobtunk, azaz B1B_1 igaz, akkor biztosan csak fejet dobunk, azaz P(A∣B1)=1\mathrm{P}(A \mid B_1) = 1
  • Ha, nem hamis érmével dobtunk, azaz B2B_2 igaz, akkor (12)10\left(\frac{1}{2}\right)^{10} eséllyel dobunk csak fejet, azaz P(A∣B2)=1210\mathrm{P}(A \mid B_2) = \frac{1}{2^{10}}

Felhasználva a Bayes-tételt így:

P(B1∣A)=P(A∣B1)P(B1)P(A∣B1)P(B1)+P(A∣B2)P(B2)=1210⋅11001⋅1100+1210⋅99100≈0,9118\mathrm{P}(B_1 | A) = \frac{\mathrm{P}(A \mid B_1)\mathrm{P}(B_1)}{\mathrm{P}(A \mid B_1)\mathrm{P}(B_1)+\mathrm{P}(A \mid B_2)\mathrm{P}(B_2)} = \frac{ \frac{1}{2^{10}} \cdot \frac{1}{100}}{1 \cdot \frac{1}{100} + \frac{1}{2^{10}} \cdot \frac{99}{100}} \approx 0,9118