骰 子俗称色(shai)子,是一种中国传统的博彩道具。骰子本身是一个正六面体(正方体),每个面上刻有不同数量的点,六个面上分别刻有1,2,3,…,6这6个点。不要小看这个不起眼的骰子,里面也蕴藏着丰富的概率知识!
甲、乙、丙、丁四人凑在一起玩掷骰子游戏,甲首先掷骰子,结果一下掷出了最大点两个 6(两个骰子均6点面朝上)。旁边的乙、丙、丁三人不由得惊呼:“一开始运气就这么好啊,这1/12的概率都让你一下就给碰上了!”
其实乙、丙、丁三人都犯了一个原则性的错误,就是用两个骰子掷出12点的概率并非1/12,那正确的概率是多少呢?两个骰子可以掷出很多种点数的组合,这些组合的概率又是多少呢?
难度:★★
首先我们来分析只有一个骰子的情况。如果只掷一个骰子,那么结果有六种可能,即1~6点数的面朝上,这是显而易见的。由于六种结果的任何一种掷出的概率都相等,因此可以得到一个骰子掷出不同点数的概率。
其中 P 1 表示掷出1点的概率, P 2 表示掷出2点的概率,…, P 6 表示掷出6点的概率。
但是两个骰子就没有那么简单了。这里先要明确一点的是,随机掷出两个骰子可能出现的结果一共有11种,即2~12。这是显而易见的,因为无论我们如何掷骰子,结果只能是两个面朝上,而朝上的两个面的点数最小是2(掷出两个1点的情况),最多是12(掷出两个6点的情况),所以其结果只可能是2,3,4,…,11,12这11种可能之一。
但是,掷出每一种结果的概率却是不同的,我们只需要简要地分析一下就可以明确这个结论。比如掷出12点只有一种组合方式,也就是骰子A是6点,骰子B是6点,除此之外没有其他组合方式;而掷出8点的方式就很多了,例如骰子A是6点,骰子B是2点,或者骰子A是3点,骰子B是5点,还有其他组合这里暂时不逐一列出,我们想说明的是,每种结果的组成种类多少是不同的,因此概率也不一样。
那么问题来了,随机掷两个骰子一共有多少种点数组合方式呢?答案是36种。因为骰子A可以有6种点数选择,骰子B同样可以有6种点数选择,将两个骰子的点数选择种类相乘,就得到了两个骰子的点数组合方式。也就是说,36种点数组合方式构成了11种点数结果。
前面已经提到,掷出12点只可能有一种组合方式,即骰子A掷出6点,骰子B掷出6点,而任意掷出的骰子可能有36种点数组合方式,所以掷出12点的概率为
所以并不是乙、丙、丁认为的1/12。
再看一下8点的所有组合。为了便于说明,在这里用( a , b )表示骰子A和骰子B的点数。使用这种表达方式,可以写出所有构成8点的点数组合:(2,6)(3,5)(4,4)(5,3)(6,2)。通过穷举我们知道,组成8点一共有5种组合方式,需要说明的一点是(2,6)和(6,2)是两种不同的组合方式,前者代表骰子A是2点而骰子B是6点,后者代表骰子A是6点骰子B是2点,因此得到掷出8点的概率为
可见掷出12点的概率和掷出8点的概率是不同的。仿照上面计算掷出8点概率的方式,我们可以计算出掷出2~12点各种结果的概率,见表2-1。
表2-1 掷出2~12点的所有组合方式及概率
通过观察表2-1中的结果不难发现一个有趣的现象,所有的概率都是对称出现的,例如掷出11点的概率等于掷出3点的概率,掷出5点的概率等于掷出9点的概率。还有一个现象是位于表两端的概率最低,也就是掷出2点和掷出12点的概率最低,越向中间靠拢概率越高,处于中间的概率达到最高值,也就是掷出7点的概率最高。表中列出的所有组合方式解释了这两个现象的原因。
通过上面两题,我们知道了一种计算概率的方法,这就是古典概率模型。古典概率是最为简单、最容易理解,也是人们最早开始研究的一种概率模型。
使用古典概率的模型求解概率问题有两个基本的前提:①所有的可能性是有限的;②每个基本结果发生的概率是相同的。在满足这两个条件的情况下,就可以用古典概率模型求解某一随机事件的概率。如果用更加抽象的数学语言来描述,可以对古典概率模型做如下定义。
假设一个随机事件共有 n 种可能的结果( n 是有限的),并且这些结果发生的可能性都是均等的,而某一事件A包含其中 s 个结果,那么事件A发生的概率 P (A)就可以定义为
这就是古典概率的定义。
上面两题就是典型的古典概率模型的例子。对于抛硬币的事件,虽然抛出的硬币有3种结果,即两个正面、两个反面、一正一反,但是构成这3种结果的组合方式共有4种,即(A,B)(A′,B)(A,B′)(A′,B′),所以事件的可能性 n =4,而出现两个都是反面的组合方式只有一种(A′,B′),即 s =1,所以这个概率为1/4。掷骰子游戏则更复杂一些,因为随机掷出两个骰子可能的点数组合方式是有限的(共36种可能),而且掷出每一种组合的概率又是相同的(假设骰子的质地是均匀的),也就是说,掷出(1,1)(1,2)(2,2)…(5,6)(6,6)这36种组合的概率都是相同的。同时每一种点数结果对应了明确的点数组合方式(见表2-1),例如点数为4的组合方式为(1,3)(2,2)(3,1)三种,点数为8的组合方式为(2,6)(3,5)(4,4)(5,3)(6,2)五种,……所以可以应用古典概率模型来求解此题。也就是用点数结果对应的组合方式数除以全部的点数组合方式数(36)即为掷出该点数的概率。
掌握了古典概率模型,我们可以继续来思考更为复杂的问题,例如,投掷两个骰子,掷出的点数不大于8的概率是多少?
我们只需要计算出“点数不大于8”的组合方式数,再用这个数除以36就是答案了。那么根据表2-1的总结,可以知道点数不大于8的组合方式为
点数为2:(1,1)
点数为3:(1,2)(2,1)
点数为4:(1,3)(2,2)(3,1)
点数为5:(1,4)(1,3)(3,2)(4,1)
点数为6:(1,5)(2,4)(3,3)(4,2)(5,1)
点数为7:(1,6)(2,5)(3,4)(4,3)(5,2)(6,1)
点数为8:(2,6)(3,5)(4,4)(5,3)(6,2)
共26种,所以投掷两个骰子点数不大于8的概率为26/36≈0.722。