排列組合與機率計算(五) - 銘記星辰之下 - udn部落格
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作家:m06f06
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    排列組合與機率計算(五)
    2025/04/20 21:28:20
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    排列組合與機率計算()

     

    排列組合 - 好用工具箱

     


     

     

    關卡:帽子精靈的早晨混亂

    劇情:五頂魔法帽被小精靈亂丟,現在帽子們亂跑到不同的櫃子裡了。請問——要計算五頂不同的魔法帽放入五個不同的櫃子(每個櫃子恰放一頂)的排列方式。


    首先,排列數的基本概念是,當有n個不同的物品要放到n個不同的位置,每個位置恰好一個物品的話,排列數就是n的階乘,也就是n!

     

    這裡n5,所以答案應該是5!,也就是5×4×3×2×1=120

    不過我要確認用戶是否有其他的條件或者限制,比如有沒有帽子或者櫃子是否有區別。

     

    題目裡提到的是五頂不同的帽子,還是五頂相同的帽子?

    題目裡說“五頂魔法帽被小精靈亂丟”,雖然沒有明確說明帽子是否不同,但通常這種排列問題默認物品是不同的,除非特別說明。如果帽子是不同的,那麼每個排列都是不同的,所以是5!種方式。

    如果帽子是相同的,那就是另一種情況,不過這裡應該不是這種情況,因為題目問的是排列方式,而排列通常考慮順序。

     

    另外,櫃子是否不同呢?題目裡說“不同的櫃子裡”,所以每個櫃子都是不同的位置,因此每個帽子放進不同的櫃子,每個排列都是不同的組合。

    因此正確的計算方式應該是5的階乘,即5×4×3×2×1=120

     

     

    關卡:南瓜馬車亂配對

    🌟童話情境

    你有7匹馬和4輛車,要選3匹馬搭配1車送王子去參加舞會。問:有多少種不重複組合?

    🎯

    首先,考慮選馬的部分。因為題目裡說要選3匹馬,而總共有7匹馬,那麼選馬的組合數應該是從7匹中選出3匹的組合數。

    組合數的公式是C(n, k) = n! / (k!(n - k)!))

    所以這裡應該是C(7, 3)765除以321,那應該是35種選法。

     

    接下來是選車的部分,總共有4輛車,要選1輛出來。

    那選車的方式就是C(4, 1),也就是4種選擇方法。

     

    那現在,馬和車的選擇是各自獨立的,

    所以總的組合數應該是兩者的乘積,也就是35乘以4354等於140,所以總共有140種不重複的組合方式。

     

    不過,等一下,我是不是哪裡弄錯了?

    比如說,題目有沒有什麼特殊的條件,比如某些馬不能和某些車搭配?

    不過題目裡沒有提到這樣的限制,所以應該不用考慮。

    也就是說,任何3匹馬都可以和任何一輛車搭配,所以的確是組合數的乘積。

     

    再檢查一下,選馬的組合數是否正確。

    C(7,3)的確是7×6×5/(3×2×1)=35。選車是C(4,1)=4,沒錯。

    然後35×4=140,這個結果應該是對的。

     

    不過,有時候可能會有同學犯錯的地方是分不清排列和組合。

    比如說,選馬的時候是否需要考慮順序?

    但題目裡說是不重複的組合,所以應該是組合不考慮順序的。

    所以C(7,3)是對的。而車的話,選一輛當然也不涉及順序,所以直接4種選擇沒問題。

     

    所以結論應該是140種組合方式。

     

     

    關卡 :妖精黑市的抽獎詐欺

    劇情:抽獎箱有 10 張券,3 張有獎。小巫喵抽 2 張,但妖精說「不放回」!
    任務:計算「至少中 1 獎」的機率?
     提示:用1−(C(7,2)/C(10,2)),小心妖精的奸笑!

    首先,我需要確定這個問題正確的解決方式。

    題目是說至少中1獎的機率,也就是抽到1張或者2張有獎券的機率。

     

    一般來說,這樣的問題可以用兩種方法解決:

    一種是直接計算抽到1張的機率加上抽到2張的機率,

    另一種是用1減去都不中獎的機率。

     

    首先,先確認組合數的計算是否正確。C(n,k)代表從n個元素中取出k個的組合數,公式是C(n,k) = n! / [k!(n - k)!]

     

    題目中的總共有10張券,其中3張有獎,7張沒獎。

    小巫喵抽2張,不放回,所以是組合問題,不考慮順序。

     

    按照提示,先計算都不中獎的機率,即兩次都抽到沒獎的券。

    抽到第一張沒獎的機率是7/10,然後不放回,剩下6張沒獎的,9張總券,所以第二張的機率是6/9=2/3

    所以都不中獎的機率應該是7/10 * 6/9 = (7*6)/(10*9) = 42/90 = 7/15

    這時候,用1減去這個機率就是至少中1獎的機率,即1 - 7/15 = 8/15

     

    用組合數來計算,也就是C(7,2)/C(10,2)

    C(7,2)是從7張沒獎的券中抽2張的組合數,C(10,2)是總共有多少種可能的抽法。計算一下這兩個值:

     

    C(7,2) = 7!/(2!5!) = (7*6)/2 = 21

     

    C(10,2) = 10!/(2!8!) = (10*9)/2 = 45

     

    所以C(7,2)/C(10,2) = 21/45 = 7/15,也就是上面計算的不中獎的機率,

    因此1 - 7/15 = 8/15,大約0.5333,即53.33%的機率。

     

    再考慮另一種方法,直接計算至少中1獎的機率。

    也就是說,抽到1張有獎或者2張都有獎的機率之和。

     

    有獎券和沒獎券的選擇是獨立事件,所以組合數需要相乘。

     

    例如,選1張有獎券和1張無獎券,這兩個選擇是獨立的,所以用乘法。而如果只是選1張有獎或1張無獎,則是加法。

     

    這裡C(3,1)是從3張有獎中選1張,C(7,1)是從7張沒獎中選1張,

    總共的組合數是C(10,2)=45

    要從 3 張有獎券中選 1 張(記為 C(3,1)=3),

    同時從 7 張無獎券中選 1 張(記為 C(7,1)=7)。

    這兩步是獨立的,因此需將組合數相乘。

    計算的話,C(3,1)=3C(7,1)=7,所以分子是3*7=21,這部分機率是21/45=7/15

     

    抽到2張有獎的機率:C(3,2)/C(10,2)C(3,2)=3,所以機率是3/45=1/15

     

    所以至少中1獎的機率就是7/15 + 1/15 = 8/15,和之前的計算結果一致,所以沒問題。

     

    關鍵思路:分步計算「1張有獎」和「2張有獎」的機率

     

    第一步:明確「恰好1張有獎」的含義

        2張券,要求 其中1張有獎,另1張無獎。

        這需要 同時滿足兩個條件:選1張有獎券 + 1張無獎券。

     

    第二步:為什麼需要從7張無獎券中選1張?

        問題結構:

        你抽的是 2張券,而題目要求 恰好1張有獎。

            因此,另一張 必須是無獎券!

            如果你不選無獎券,就無法滿足“恰好1張有獎”的條件。

     

        具體操作:

            先選1張有獎券 3種選擇(C(3,1)=3)。

            必須再選1張無獎券 7種選擇(C(7,1)=7)。

            總共有 3×7=21 種組合。

     

    第三步:用實際例子理解

    假設有獎券是 A,B,C,無獎券是 1,2,3,4,5,6,7

        所有可能的組合:

            A 1,2,3,4,5,6,7 7

            B 1,2,3,4,5,6,7 7

            C 1,2,3,4,5,6,7 7

        總共有 3×7=21 種組合,對應 C(3,1)×C(7,1)

     

     

    第四步:為什麼不是只用有獎券計算?

     

        如果只算有獎券(C(3,1)=3),代表 只抽了1張券(但題目是抽2張券!)。

        必須同時考慮第二張券,而第二張券必須是無獎券。

     

     

    第五步:總結關鍵邏輯

        「恰好1張有獎」= 1有獎 + 1無獎 需同時計算兩者的組合數。

        組合數相乘:因為每一步選擇都是獨立的(選有獎不影響選無獎的選項)。

        最終公式:C(3,1)×C(7,1)=3×7=21

     

    所以:

    1. 計算「恰好1張有獎」的機率

     

        步驟1:從3張有獎券中選1張,組合數為 C(3,1)=3

        步驟2:從7張無獎券中選1張,組合數為 C(7,1)=7

        總組合數:3×7=21 種(乘法原理)。

        機率:21/45=7/15

     

    2. 計算「2張均有獎」的機率

        組合數:從3張有獎券中選2張,即 C(3,2)=3

        機率:3/45=1/15

     

    3. 總機率 = 兩種情況的機率之和

    至少中1=7/15+1/15=8/15

     

    再檢查一下組合數是否正確:

    C(7,2)確實是21C(10,2)確實是45,所以21/45=7/15,沒錯。所以1-7/15=8/15,即約為53.33%

    看起來沒有問題,所以最終的答案應該是8/15

     

    不過為了確認,再試一種方法:

     

    用超幾何分佈來計算。

    超幾何分佈的機率公式是P(X=k) = [C(K, k) * C(N-K, n-k)] / C(N, n),其中N是總數,K是成功數,n是抽取的數量,k是成功次數。

    這裡N=10K=3n=2,求至少1次成功,即k=1k=2

     

    計算k=1時的機率:C(3,1)*C(7,1)/C(10,2) =3*7/45=21/45=7/15

    k=2時的機率:C(3,2)*C(7,0)/C(10,2)=3*1/45=3/45=1/15

    所以總機率是7/15+1/15=8/15,和之前一致。

     

    所以看起來無論是用補集的方法還是直接計算,結果都是8/15

     

     


    關卡 :魔法網紅的按讚詛咒

    劇情:小巫喵發咒語影片,每 100 次瀏覽有 5 次按讚,求「10 次瀏覽中 ≥1 讚」的機率?
     提示:用二項分佈 1−(0.95)^10,別被酸民咒語影響!
    吐槽:「按讚機率比召喚惡魔還低!」

     

    首先,題目裡提到的每100次流覽有5次按贊,所以單次流覽被點贊的機率應該是5/100,也就是0.05,對吧。

    這個機率應該是對的,因為每個流覽事件是獨立的,或者說可以近似為獨立事件,假設流覽的人之間沒有互相影響之類的。

     

    接下來,問題是要計算在10次流覽中至少有一個贊的機率。

    這時候應該用二項分佈來計算,因為每一次流覽都是結果只有兩種可能:

    被點贊(成功)或者不被點贊(失敗)。

    而我們需要的是在n=10次獨立試驗中,成功次數k≥1的機率。

     

    根據二項分佈的機率函數,計算至少一個贊的機率,其實就是1減去完全沒有贊的機率。

    因為“至少一個”的對立事件是“0個贊”,所以可以用補集的思想來簡化計算,

    也就是1 - P(k=0)

    這樣的話,計算起來會比較方便,不需要把k=1k=10的機率全部加起來,直接算1減去k=0的機率就可以了。

     

    那麼,k=0的情況就是10次流覽中每次都沒有被點贊。

    每一次不被點贊的機率是1 - 0.05 = 0.95,所以10次都不被點贊的機率就是0.9510次方,也就是0.95^10

    然後,這個值的補集就是至少有一次點贊的機率,也就是1 - 0.95^10

     

    不過,這裡我需要確認一下是否真的適用二項分佈的條件。

    二項分佈需要滿足每次試驗獨立,且機率相同。

    題目裡是否隱含這樣的條件呢?

    比如說,每個流覽的人是否獨立地決定是否點贊,並且每個人的點贊機率都是5%

    題目裡並沒有說明有依賴關係,所以可以假設滿足獨立性和同機率的條件,所以用二項分佈應該是合適的。

     

    再考慮一下可能的誤區,比如會不會有人認為應該用泊松分佈或者其他分佈?

    不過這裡試驗次數n=10是確定的,而且每次的成功機率p=0.05也是已知的,所以二項分佈應該是正確的選擇。

    另外,當n比較大而p比較小時,泊松分佈可以近似,但這裡n=10不算很大,直接計算更準確。

     

    現在計算具體的數值結果,先算0.9510次方是多少。可以用計算器來算,或者用對數的方法。比如:

     

    0.95^10 = e^(10 * ln(0.95)) ≈ e^(10 * (-0.051293)) ≈ e^(-0.51293) ≈ 0.5987

     

    所以1 - 0.5987 ≈ 0.4013,也就是大約40.13%的機率。

     

    不過可能需要更精確的計算,比如用計算器計算:

     

    0.95^10

     

    0.95^1 = 0.95

     

    0.95^2 = 0.9025

     

    0.95^3 = 0.857375

     

    0.95^4 ≈ 0.81450625

     

    0.95^5 ≈ 0.7737809375

     

    0.95^6 ≈ 0.7350918906

     

    0.95^7 ≈ 0.6983372961

     

    0.95^8 ≈ 0.6634204313

     

    0.95^9 ≈ 0.6302494097

     

    0.95^10 ≈ 0.5987369392

     

    所以精確到小數點後四位的話是0.5987,所以1 - 0.5987 ≈ 0.4013,也就是40.13%左右。

     

    不過題目可能只需要運算式,也就是1 - (0.95)^10,而不用具體數值,不過可能也需要給出數值結果。

    根據提示,給出的答案應該是用這個運算式,所以可能不需要更詳細的步驟,但為了確保正確,我需要再檢查一遍。

     

    有沒有可能哪裡出錯了?

    比如,是否題目中的流覽次數是按不同的用戶,或者有沒有可能每次流覽的點贊不是獨立事件?

    比如,如果同一個用戶多次流覽,可能會影響結果,但題目裡說的應該是每次流覽都是獨立的,所以沒問題。

     

    另外,題目裡說“每100次流覽有5次按贊”,這是否意味著機率確實是5/100=0.05

    是的,因為5次成功事件發生在100次試驗中,所以單次機率估計為5/100=0.05,這個是對的。

     

    總結一下,計算過程是對的,至少有一個贊的機率是1 - (0.95)^10 ≈ 40.13%

    所以答案應該是這個數值,或者以分數形式表達,不過可能題目需要四捨五入到小數點後兩位,或者保留四位小數,具體要看要求。

    不過題目裡沒有說明,所以可能直接寫成分數運算式或者近似值就可以了。

     

    另外,也可以考慮用二項分佈的機率公式直接計算

     

    P(k≥1) = Σk=110C(10,k)*(0.05)^k*(0.95)^(10−k)

     

    但顯然這樣計算起來麻煩,而且結果應該和1 - (0.95)^10一樣,所以用補集的方法更高效。

     

    所以最終的答案應該是1 - (0.95)^10,大約等於0.4013,或者40.13%

     

    根據二項分佈的性質,「10次瀏覽中至少1次按讚」的機率可透過以下步驟計算:

     

    單次按讚機率:每100次瀏覽有5次按讚,故單次按讚機率為 p=0.05,不按讚機率為 1−p=0.95

     

        計算無按讚的機率:

        10次瀏覽中完全沒有按讚的機率為 (0.95)^10

     

        求補集:

        至少1次按讚的機率為 1−(0.95)^10

     

        數值計算:

        (0.95)^10≈0.5987,因此所求機率為 1−0.5987≈0.4013,即約 40.13%

     

    答案:

    \boxed{1 - (0.95)^{10} \approx 40.13%}

     

     

     


    關卡 :最終試煉!時空魔王的條件機率

    劇情:魔王冷笑:「已知傳送門 60% 是晴天,晴天王國 80% 有寶藏,雨天王國 30% 有寶藏,求『遇到雨天卻有寶藏』的機率?」
    任務:用貝氏定理破解!
     提示P(雨天∩寶藏)=0.4×0.3=0.12
    吐槽:「魔王的心機比多元宇宙還複雜!」

     

    題目是說,已知傳送門有60%是晴天,晴天王國80%有寶藏,雨天王國有30%有寶蔵,求遇到雨天卻又有寶藏的機率。

    然後提示用貝氏定理,還給了P(雨天∩寶藏)=0.4×0.3=0.12

    不過雖然提示直接給了一個答案,但我還是要仔細思考一下,確認這個答案是否正確,以及背後的邏輯是什麼。

     

    首先,我需要明確題目中的各個概率代表什麼。

    題目裡提到傳送門有60%是晴天,那也就是說傳送門對應的天氣有兩種可能,晴天和雨天,對吧?

    因為傳送門要麼是晴天,要麼是雨天,所以晴天的概率是60%,也就是0.6,那麼雨天的概率自然就是1 - 0.6 = 0.4,也就是40%對嗎?

    所以首先,P(晴天)=0.6P(雨天)=0.4

     

    接下來,題目還提到,晴天王國有80%的概率有寶藏,雨天王國則有30%的概率有寶藏。

    這裡的“有寶藏”應該是在對應天氣條件下發生的概率,也就是條件概率。

    也就是說,P(寶藏|晴天)=0.8,而P(寶藏|雨天)=0.3。對嗎?

     

    題目要求求的是“遇到雨天卻又有寶藏的機率”,也就是在雨天的情況下同時有寶藏的概率。

    這裡可能需要明確,題目要的是P(雨天∩寶藏),也就是兩者同時發生的概率,還是說P(寶藏|雨天),也就是在雨天的條件下有寶藏的概率?

    不過根據提示給出的P(雨天∩寶藏)=0.4×0.3=0.12,看起來這裡的答案確實是兩者的聯合概率,也就是P(雨天且寶藏)

    不過題目中的描述可能有點容易混淆,因為問題本身問的是“遇到雨天卻又有寶藏”,這其實應該就是兩者同時發生的概率,也就是聯合概率,而不是條件概率。

    而根據題目給出的資訊,確實可以用乘法規則直接計算,也就是P(雨天)乘以P(寶藏|雨天),即0.4×0.3=0.12,對嗎?

     

    不過題目提示說要使用貝氏定理來破解,所以我可能需要用貝葉斯定理來驗證這個結果是否正確,或者看看是否需要用貝葉斯定理來解決這個問題。

    不過通常貝葉斯定理是用來計算條件概率的,比如已知某結果發生的情況下,求某個原因的概率,也就是逆條件概率。

     

    例如,已知有寶藏,求是在雨天的概率,這時候可能需要用到貝葉斯定理。

    但題目這裡的情況是求聯合概率,所以可能並不需要貝葉斯定理,而是直接應用乘法規則。

    不過可能題目想讓我們用貝葉斯定理來確認這個結果是否正確,或者通過不同的方式來推導。

     

    讓我再仔細分析一下。貝葉斯定理的公式是:

     

    P(A|B) = [P(B|A) × P(A)] / P(B)

     

    但在這裡,如果我們要求的是P(雨天 寶藏),也就是P(寶藏 雨天),根據乘法規則,這等於P(雨天) × P(寶藏|雨天),也就是0.4×0.3=0.12,這和題目中的提示一致。

    所以這個過程其實不需要用到貝葉斯定理,而是直接應用乘法規則。不過可能題目中的“貝氏定理”是更廣義的應用,或者作者希望學生通過貝葉斯定理來理解這個聯合概率的計算方式。

     

    不過為了確保正確,讓我再檢查一遍。

    首先,傳送門有60%的概率是晴天,所以雨天是40%。在晴天的情況下,有寶藏的概率是80%,在雨天的情況下是30%

    所以,當傳送門是晴天時,有寶藏的聯合概率是0.6×0.8=0.48,也就是48%

    而雨天有寶藏的聯合概率是0.4×0.3=0.12,即12%

     

    這樣的話,總的出現寶藏的概率是0.48+0.12=0.60,也就是60%

    這個時候,如果有寶藏,那麼其中來自雨天的概率是0.12/0.60=0.2,也就是20%。這時候用到了貝葉斯定理,計算的是P(雨天|寶藏)=0.12/0.60=0.2

    但這可能不是題目所求的問題,所以這裡可能題目確實只需要聯合概率,而答案就是0.12

     

    不過題目中提到用貝氏定理來破解,所以可能作者希望學生使用貝葉斯定理來解答,而不僅僅是應用乘法規則。

    因此可能需要將問題轉化為貝葉斯定理的形式。

     

    不過,貝葉斯定理通常用於已知某個結果的情況下,求某個原因的概率。

    例如,已知有寶藏,求是雨天的概率,這時候應用貝葉斯定理:

     

    P(雨天|寶藏) = [P(寶藏|雨天) × P(雨天)] / P(寶藏)

     

    而這裡的P(寶藏)可以通過全概率公式計算,即:

     

    P(寶藏) = P(寶藏|晴天) × P(晴天) + P(寶藏|雨天) × P(雨天) = 0.8×0.6 + 0.3×0.4 = 0.48 + 0.12 = 0.60

     

    所以,P(雨天|寶藏) = (0.3×0.4)/0.60 = 0.12/0.60 = 0.2

     

    但題目並沒有問這個,而是直接問P(雨天 寶藏),也就是0.12

    所以可能題目的提示只是讓學生用乘法規則來計算聯合概率,而題目中提到的貝氏定理可能是一個誤導,或者需要結合到某個步驟中。

     

    不過也有可能,題目中的“遇到雨天卻有寶藏”的機率,如果被理解為在雨天的情況下遇到寶藏的概率,那其實就是P(寶藏|雨天)=0.3,也就是30%

    不過這裡題目給出的提示是0.4×0.3=0.12,所以顯然題目問的是聯合概率,即天氣是雨天同時有寶藏的情況,而不是在雨天條件下有寶藏的概率。

     

    因此,答案應該是0.12,也就是12%。這符合乘法規則的應用,而貝氏定理可能在這個問題中並沒有直接應用的必要,除非存在其他的條件或者問題中的某些部分被誤解了。

     

    總結一下,步驟應該是:

     

    1. 確定天氣的概率:P(晴天)=0.6P(雨天)=0.4

     

    2. 確定在對應天氣下有寶藏的條件概率:P(寶藏|晴天)=0.8P(寶藏|雨天)=0.3

     

    3. 計算聯合概率P(雨天 寶藏)=P(雨天) × P(寶藏|雨天)=0.4 × 0.3=0.12

     

    因此,答案就是12%,也就是0.12

     

    不過,為了確保自己理解正確,再考慮是否有其他可能的解釋。例如,是否存在其他因素,或者題目的表述是否有歧義。

    例如,“遇到雨天卻有寶藏”是否指的是在傳送門是雨天的情況下,發現確實有寶藏的概率,這其實就是條件概率P(寶藏|雨天)=0.3,但題目給的提示是聯合概率,所以可能題目的表述存在歧義,但根據提示,正確答案應該是聯合概率的0.12

     

    或者,可能作者希望用貝葉斯定理來推導這個結果,即使這其實不需要。

    例如,或許需要從另一個角度,比如已知寶藏的存在,求雨天的概率,然後再反過來應用,但這可能反而複雜。

     

    總之,根據題目的資訊和提示,正確的計算方式應該是聯合概率,即0.4乘以0.3,得到0.12。因此,答案就是0.12,即12%

     

    根據題目條件與貝氏定理的應用,我們可以逐步解析如下:

     

    步驟解析:

     

        確定天氣的概率:

     

            晴天概率 P(晴天)=0.6

     

            雨天概率 P(雨天)=1−P(晴天)=0.4

     

        確定條件概率(寶藏存在於對應天氣下的機率):

     

            晴天王國有寶藏的概率 P(寶藏∣晴天)=0.8

     

            雨天王國有寶藏的概率 P(寶藏∣雨天)=0.3

     

        計算「雨天且存在寶藏」的聯合概率:

     

            根據乘法規則,聯合概率 P(雨天∩寶藏)=P(雨天)×P(寶藏∣雨天)

     

            代入數值:0.4×0.3=0.12

     

    答案:

    遇到雨天卻有寶藏的機率為 12%,即0.12

     

     

     

     

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