diff --git a/luku24.tex b/luku24.tex index 2e2ab08..b0e66b8 100644 --- a/luku24.tex +++ b/luku24.tex @@ -1,211 +1,208 @@ \chapter{Probability} -\index{todennxkzisyys@todennäköisyys} +\index{probability} -\key{Todennäköisyys} on luku väliltä $0 \ldots 1$, -joka kuvaa sitä, miten todennäköinen jokin -tapahtuma on. -Varman tapahtuman todennäköisyys on 1, -ja mahdottoman tapahtuman todennäköisyys on 0. +A \key{probability} is a number between $0 \ldots 1$ +that indicates how probable an event is. +If an event is certain to happen, +its probability is 1, +and if an event is impossible, +its probability is 0. -Tyypillinen esimerkki todennäköisyydestä -on nopan heitto, jossa tuloksena -on silmäluku väliltä $1,2,\ldots,6$. -Yleensä oletetaan, että kunkin silmäluvun -todennäköisyys on $1/6$ -eli kaikki tulokset ovat yhtä todennäköisiä. +A typical example is throwing a dice, +where the result is an integer between +$1,2,\ldots,6$. +Usually it is assumed that the probability +for each result is $1/6$, +so all results have the same probability. -Tapahtuman todennäköisyyttä merkitään $P(\cdots)$, -jossa kolmen pisteen tilalla on tapahtuman kuvaus. -Esimerkiksi nopan heitossa -$P(\textrm{''silmäluku on 4''})=1/6$, -$P(\textrm{''silmäluku ei ole 6''})=5/6$ -ja $P(\textrm{''silmäluku on parillinen''})=1/2$. +The probability of an event is denoted $P(\cdots)$ +where the three dots are +a description of the event. +For example, when throwing a dice, +$P(\textrm{''the result is 4''})=1/6$, +$P(\textrm{''the result is not 6''})=5/6$ +and $P(\textrm{''the result is even''})=1/2$. -\section{Laskutavat} +\section{Calculation} -Todennäköisyyden laskemiseen on kaksi -tavallista laskutapaa: -kombinatorinen laskeminen ja prosessin simulointi. -Lasketaan esimerkkinä, mikä on todennäköisyys sille, -että kun sekoitetusta korttipakasta nostetaan -kolme ylintä korttia, jokaisen kortin arvo on sama -(esimerkiksi ristikasi, herttakasi ja patakasi). +There are two standard ways to calculate +probabilities: combinatorial counting +and simulating a process. +As an example, let's calculate the probability +of drawing three cards with the same value +from a shuffled deck of cards +(for example, eight of spades, +eight of clubs and eight of diamonds). -\subsubsection*{Laskutapa 1} +\subsubsection*{Method 1} -Kombinatorisessa laskutavassa -todennäköisyyden kaava on +We can calculate the probability using +the formula -\[\frac{\textrm{halutut tapaukset}}{\textrm{kaikki tapaukset}}.\] +\[\frac{\textrm{desired cases}}{\textrm{all cases}}.\] -Tässä tehtävässä halutut tapaukset ovat niitä, -joissa jokaisen kolmen kortin arvo on sama. -Tällaisia tapauksia on $13 {4 \choose 3}$, -koska on 13 vaihtoehtoa, mikä on kortin arvo, -ja ${4 \choose 3}$ tapaa valita 3 maata 4 mahdollisesta. +In this problem, the desired cases are those +in which the value of each card is the same. +There are $13 {4 \choose 3}$ such cases, +because there are $13$ possibilities for the +value of the cards and ${4 \choose 3}$ ways to +choose $3$ suits from $4$ possible suits. -Kaikkien tapausten määrä on ${52 \choose 3}$, -koska 52 kortista valitaan 3 korttia. -Niinpä tapahtuman todennäköisyys on +The number of all cases is ${52 \choose 3}$, +because we choose 3 cards from 52 cards. +Thus, the probability of the event is \[\frac{13 {4 \choose 3}}{{52 \choose 3}} = \frac{1}{425}.\] -\subsubsection*{Laskutapa 2} +\subsubsection*{Method 2} -Toinen tapa laskea todennäköisyys on simuloida prosessia, -jossa tapahtuma syntyy. -Tässä tapauksessa pakasta nostetaan kolme korttia, -joten prosessissa on kolme vaihetta. -Vaatimuksena on, että prosessin jokainen vaihe onnistuu. +Another way to calculate the probability is +to simulate the process that generates the event. +In this case, we draw three cards, so the process +consists of three steps. +We require that each step in the process is successful. -Ensimmäisen kortin nosto onnistuu varmasti, -koska mikä tahansa kortti kelpaa. -Tämän jälkeen kahden seuraavan kortin -arvon tulee olla sama. -Toisen kortin nostossa kortteja on jäljellä 51 -ja niistä 3 kelpaa, joten todennäköisyys on $3/51$. -Vastaavasti kolmannen kortin nostossa -todennäköisyys on $2/50$. +Drawing the first card certainly succeeds, +because any card will do. +After this, the value of the cards has been fixed. +The second step succeeds with probability $3/51$, +because there are 51 cards left and 3 of them +have the same value as the first card. +Finally, the third step succeeds with probability $2/50$. -Todennäköisyys koko prosessin onnistumiselle on +The probability that the entire process succeeds is \[1 \cdot \frac{3}{51} \cdot \frac{2}{50} = \frac{1}{425}.\] -\section{Tapahtumat} +\section{Events} -Todennäköisyyden tapahtuma -voidaan esittää joukkona +An event in probability can be represented as a set \[A \subset X,\] -missä $X$ sisältää kaikki mahdolliset alkeistapaukset -ja $A$ on jokin alkeistapausten osajoukko. -Esimerkiksi nopanheitossa alkeistapaukset ovat +where $X$ contains all possible outcomes, +and $A$ is a subset of outcomes. +For example, when drawing a dice, the outcomes are \[X = \{x_1,x_2,x_3,x_4,x_5,x_6\},\] -missä $x_k$ tarkoittaa silmälukua $k$. -Nyt esimerkiksi tapahtumaa ''silmäluku on parillinen'' -vastaa joukko +where $x_k$ means the result $k$. +Now, for example, the event ''the result is even'' +corresponds to the set \[A = \{x_2,x_4,x_6\}.\] -Jokaista alkeistapausta $x$ -vastaa todennäköisyys $p(x)$. -Tämän ansiosta joukkoa $A$ vastaavan tapahtuman -todennäköisyys $P(A)$ voidaan -laskea alkeistapausten todennäköisyyksien -summana kaavalla +Each outcome $x$ is assigned a probability $p(x)$. +Furthermore, the probability $P(A)$ of an event +that corresponds to a set $A$ can be calcuted as a sum +of probabilities of outcomes using the formula \[P(A) = \sum_{x \in A} p(x).\] -Esimerkiksi nopanheitossa $p(x)=1/6$ -jokaiselle alkeistapaukselle $x$, joten -tapahtuman ''silmäluku on parillinen'' -todennäköisyys on +For example, when throwing a dice, +$p(x)=1/6$ for each outcome $x$, +so the probability for the event +''the result is even'' is \[p(x_2)+p(x_4)+p(x_6)=1/2.\] -Alkeistapahtumat tulee aina valita niin, -että kaikkien alkeistapausten -todennäköisyyksien summa on 1 eli $P(X)=1$. +The total probability of the outcomes in $X$ must +be 1, i.e., $P(X)=1$. -Koska todennäköisyyden tapahtumat ovat joukkoja, -niihin voi soveltaa jouk\-ko-opin operaatioita: +Since the events in probability are sets, +we can manipulate them using standard set operations: \begin{itemize} -\item \key{Komplementti} $\bar A$ tarkoittaa -tapahtumaa ''$A$ ei tapahdu''. -Esimerkiksi nopanheitossa tapahtuman -$A=\{x_2,x_4,x_6\}$ komplementti on +\item The \key{complement} $\bar A$ means +''$A$ doesn't happen''. +For example, when throwing a dice, +the complement of $A=\{x_2,x_4,x_6\}$ is $\bar A = \{x_1,x_3,x_5\}$. -\item \key{Yhdiste} $A \cup B$ tarkoittaa -tapahtumaa ''$A$ tai $B$ tapahtuu''. -Esimerkiksi tapahtumien $A=\{x_2,x_5\}$ -ja $B=\{x_4,x_5,x_6\}$ yhdiste on +\item The \key{union} $A \cup B$ means +''$A$ or $B$ happen''. +For example, the union of +$A=\{x_2,x_5\}$ +and $B=\{x_4,x_5,x_6\}$ is $A \cup B = \{x_2,x_4,x_5,x_6\}$. -\item \key{Leikkaus} $A \cap B$ tarkoittaa -tapahtumaa ''$A$ ja $B$ tapahtuvat''. -Esimerkiksi tapahtumien $A=\{x_2,x_5\}$ -ja $B=\{x_4,x_5,x_6\}$ leikkaus on +\item The \key{intersection} $A \cap B$ means +''$A$ and $B$ happen''. +For example, the intersection of +$A=\{x_2,x_5\}$ and $B=\{x_4,x_5,x_6\}$ is $A \cap B = \{x_5\}$. \end{itemize} -\subsubsection{Komplementti} +\subsubsection{Complement} -Komplementin $\bar A$ -todennäköisyys lasketaan kaavalla +The probability of the complement +$\bar A$ is calculated using the formula \[P(\bar A)=1-P(A).\] -Joskus tehtävän ratkaisu on kätevää -laskea komplementin kautta -miettimällä tilannetta käänteisesti. -Esimerkiksi todennäköisyys saada -silmäluku 6 ainakin kerran, -kun noppaa heitetään kymmenen kertaa, on +Sometimes, we can solve a problem easily +using complements by solving an opposite problem. +For example, the probability of getting +at least one six when throwing a dice ten times is \[1-(5/6)^{10}.\] -Tässä $5/6$ on todennäköisyys, -että yksittäisen heiton silmäluku ei ole 6, -ja $(5/6)^{10}$ on todennäköisyys, että yksikään -silmäluku ei ole 6 kymmenessä heitossa. -Tämän komplementti tuottaa halutun tuloksen. +Here $5/6$ is the probability that the result +of a single throw is not six, and +$(5/6)^{10}$ is the probability that none of +the ten throws is a six. +The complement of this is the answer for the problem. -\subsubsection{Yhdiste} +\subsubsection{Union} -Yhdisteen $A \cup B$ todennäköisyys lasketaan kaavalla +The probability of the union $A \cup B$ +is calculated using the formula \[P(A \cup B)=P(A)+P(B)-P(A \cap B).\] -Esimerkiksi nopanheitossa tapahtumien -\[A=\textrm{''silmäluku on parillinen''}\] -ja -\[B=\textrm{''silmäluku on alle 4''}\] -yhdisteen -\[A \cup B=\textrm{''silmäluku on parillinen tai alle 4''}\] -todennäköisyys on +For example, when throwing a dice, +the union of events +\[A=\textrm{''the result is even''}\] +and +\[B=\textrm{''the result is less than 4''}\] +is +\[A \cup B=\textrm{''the result is even or less than 4''},\] +and its probability is \[P(A \cup B) = P(A)+P(B)-P(A \cap B)=1/2+1/2-1/6=5/6.\] -Jos tapahtumat $A$ ja $B$ ovat \key{erilliset} eli $A \cap B$ on tyhjä, -yhdisteen $A \cup B$ todennäköisyys on yksinkertaisesti +If the events $A$ and $B$ are \key{disjoint}, i.e., +$A \cap B$ is empty, +the probability of the event $A \cup B$ is simply \[P(A \cup B)=P(A)+P(B).\] -\subsubsection{Ehdollinen todennäköisyys} +\subsubsection{Conditional probability} -\index{ehdollinen todennxkzisyys@ehdollinen todennäköisyys} +\index{conditional probability} -\key{Ehdollinen todennäköisyys} +The \key{conditional probability} \[P(A | B) = \frac{P(A \cap B)}{P(B)}\] -on tapahtuman $A$ todennäköisyys -olettaen, että tapahtuma $B$ tapahtuu. -Tällöin todennäköisyyden laskennassa otetaan -huomioon vain ne alkeistapaukset, -jotka kuuluvat joukkoon $B$. +is the probability of an event $A$ +assuming that an event happens. +In this case, when calculating the +probability of $A$, we only consider the outcomes +that also belong to $B$. -Äskeisen esimerkin joukkoja käyttäen +Using the sets in the previous example, \[P(A | B)= 1/3,\] -koska joukon $B$ alkeistapaukset ovat -$\{x_1,x_2,x_3\}$ ja niistä yhdessä -silmäluku on parillinen. -Tämä on todennäköisyys saada parillinen silmäluku, -jos tiedetään, että silmäluku on välillä 1--3. +Because the outcomes in $B$ are +$\{x_1,x_2,x_3\}$, and one of them is even. +This is the probability of an even result +if we know that the result is between $1 \ldots 3$. -\subsubsection{Leikkaus} +\subsubsection{Intersection} -\index{riippumattomuus@riippumattomuus} +\index{independence} -Ehdollisen todennäköisyyden avulla -leikkauksen $A \cap B$ todennäköisyys -voidaan laskea kaavalla +Using conditional probability, +the probability of the intersection +$A \cap B$ can be calculated using the formula \[P(A \cap B)=P(A)P(B|A).\] -Tapahtumat $A$ ja $B$ ovat \key{riippumattomat}, jos -\[P(A|B)=P(A) \hspace{10px}\textrm{ja}\hspace{10px} P(B|A)=P(B),\] -jolloin $B$:n tapahtuminen ei vaikuta $A$:n -todennäköisyyteen ja päinvastoin. -Tässä tapauksessa leikkauksen -todennäköisyys on +Events $A$ and $B$ are \key{independent} if +\[P(A|B)=P(A) \hspace{10px}\textrm{and}\hspace{10px} P(B|A)=P(B),\] +which means that the fact that $B$ happens doesn't +change the probability of $A$, and vice versa. +In this case, the probability of the intersection is \[P(A \cap B)=P(A)P(B).\] -Esimerkiksi pelikortin nostamisessa -tapahtumat -\[A = \textrm{''kortin maa on risti''}\] -ja -\[B = \textrm{''kortin arvo on 4''}\] -ovat riippumattomat. -Niinpä tapahtuman -\[A \cap B = \textrm{''kortti on ristinelonen''}\] -todennäköisyys on +For example, when drawing a card from a deck, the events +\[A = \textrm{''the suit is clubs''}\] +and +\[B = \textrm{''the value is four''}\] +are independent. Hence the event +\[A \cap B = \textrm{''the card is the four of clubs''}\] +happens with probability \[P(A \cap B)=P(A)P(B)=1/4 \cdot 1/13 = 1/52.\] \section{Satunnaismuuttuja}