两两独立与相互独立

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前言

将两个数学对象的关系类比推理到三个数学对象时,我们是容易犯错的,比如一元二次方程的求根公式刻画的是两个根的和与积的关系,但是当类比推理到一元三次方程的求根公式时,我们容易只想到三个根的和与三个根的积的关系,很少会想到三个根中的两两的关系 . 参见1参见2

两个事件相互独立

定义:对任意两个事件 AABB,如果满足 P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B),则称事件 AABB 相互独立,简称为独立;

由定义可知,事件AABB相互独立的充要条件是P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B)

三个事件两两独立

定义:对任意三个事件 AABBCC,若满足 P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B)①, P(BC)=P(B)P(C)P(BC)=P(B)P(C)②, P(AC)=P(A)P(C)P(AC)=P(A)P(C)③,则称三个事件 AABBCC两两独立;

三个事件相互独立

定义:对任意三个事件 AABBCC,若满足条件Ⅰ:即 P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B)①, P(BC)=P(B)P(C)P(BC)=P(B)P(C)②, P(AC)=P(A)P(C)P(AC)=P(A)P(C)③,且还满足添加Ⅱ:P(ABC)=P(A)P(B)P(C)P(ABC)=P(A)P(B)P(C),则称三个事件 AABBCC相互独立;

简言之,同时满足添加Ⅰ和Ⅱ的三个事件 AABBCC 的关系,称为相互独立,高一阶段暂时了解即可,不做要求;[容易混淆为相互独立就是两两独立,其实两个内涵不一样] .

  • 深入理解:满足条件Ⅰ,不一定满足条件Ⅱ;

【人教 2019A 版教材P253P_{253} 页习题10.2 第 2 题】设样本空间 Ω=1,2,3,4\Omega={1,2,3,4},定义事件 A=1,2A={1,2}B=1,3B={1,3}C=1,4C={1,4},请验证 AABBCC三个事件两两独立,但P(ABC)P(A)P(B)P(C)P(ABC)\neq P(A)P(B)P(C) .

解:由题目可知,AB=AC=BC=1AB=AC=BC={1}ABC=1ABC={1},容易知道,P(A)=12P(A)=\cfrac{1}{2}P(B)=12P(B)=\cfrac{1}{2}P(C)=12P(C)=\cfrac{1}{2},且 P(AB)=14=P(A)P(B)P(AB)=\cfrac{1}{4}=P(A)P(B)P(BC)=14=P(B)P(C)P(BC)=\cfrac{1}{4}=P(B)P(C)P(AC)=14=P(A)P(C)P(AC)=\cfrac{1}{4}=P(A)P(C),则事件 AABBCC两两独立[即满足上述的条件1];并不一定能得到 P(ABC)=P(A)P(B)P(C)P(ABC)=P(A)P(B)P(C),理由如下:

接上计算得到,P(ABC)=14P(ABC)=\cfrac{1}{4},但是利用 P(A)P(B)P(C)=18P(A)P(B)P(C)=\cfrac{1}{8},故此时 P(ABC)P(A)P(B)P(C)P(ABC)\neq P(A)P(B)P(C)

结论:当三个事件 AABBCC两两独立时,等式 P(ABC)=P(A)P(B)P(C)P(ABC)=P(A)P(B)P(C) 不一定成立 . [这是人教2019 A版 P250P_{250} 页内容的具体例子的解答] .

  • 深入理解:满足条件Ⅱ,不一定满足条件Ⅰ;

【人教 2019A 版教材P253P_{253} 页习题10.2 第 5 题】一个正八面体的八个面分别标以数字 1 到 8 ,任意抛掷一次这个正八面体,观察它与地面接触的面上的数字,得到样本空间为 Ω\Omega = {1,2,3,4,5,6,7,8},构造适当的事件 AABBCC ,使得 P(ABC)=P(A)P(B)P(C)P(ABC)=P(A)P(B)P(C) 成立,但不满足 AABBCC 两两独立 .

解:样本空间 Ω=1,2,3,4,5,6,7,8\Omega={1,2,3,4,5,6,7,8},则 n(Ω)=8n(\Omega)=8

定义事件 A=1,2,3,4A={1,2,3,4}B=1,3,4,5B={1,3,4,5}C=1,4,5,6C={1,4,5,6},则 ABC=1ABC={1}

由古典概型可知,P(A)=48=12P(A)=\cfrac{4}{8}=\cfrac{1}{2},同理,P(B)=12P(B)=\cfrac{1}{2}P(C)=12P(C)=\cfrac{1}{2}P(ABC)=18P(ABC)=\cfrac{1}{8}

满足 P(ABC)=P(A)P(B)P(C)P(ABC)=P(A)P(B)P(C)

又由上可知,AB=1,3,4AB={1,3,4}AC=1,4AC={1,4}BC=1,4,5BC={1,4,5}

P(AB)=38P(AB)=\cfrac{3}{8},则 P(AB)P(A)P(B)P(AB)\neq P(A)P(B),此时 AABB不独立;

P(AC)=14P(AC)=\cfrac{1}{4},则 P(AC)=P(A)P(C)P(AC)=P(A)P(C),此时 AACC独立;

P(BC)=38P(BC)=\cfrac{3}{8},则 P(B)P(B)P(C)P(B)\neq P(B)P(C),此时 BBCC不独立;

故不满足 AABBCC 两两独立 .

【解后反思】:此处容易将三个事件的相互独立和三个事件中的两两独立混淆,其实两个内涵不一样;两两独立,每次只涉及两个数学对象,再比如三条直线 aabbcc 两两垂直;或者三(四、五)个事件的彼此互斥,也可以称为三(四、五)个事件两两互斥] .

相关引申

四个事件相互独立:我们往往通过题意来判断四个事件相互独立[比如一个射击技术稳定的射手的四次射击是相互独立的;或者四个射手每人一次的射击事件是相互独立的],最主要的是我们以此为依据能得到 P(ABCD)=P(A)P(B)P(C)P(D)P(ABCD)=P(A)\cdot P(B)\cdot P(C) \cdot P(D)