СХЕМА БЕРНУЛЛИ

Предположим, что имеется n независимых испытаний с двумя исходами в каждом испытании. Один из исходов будем называть успехом и кодировать цифрой 1, другой исход будем называть неудачей и кодировать цифрой 0. Предполагаем, что вероятность успеха в каждом испытании одна и та же и равна числу p, следовательно, вероятность неудачи равна . Эта схема, очевидно, является обобщением схемы независимого бросания монеты.

Пусть – вероятность того, что общее число успехов равно m. Тогда основная формула схемы Бернулли имеет вид .

Когда числа n и m становятся большими, вычисления по этой формуле становятся затруднительны. Поэтому используются три предельные теоремы: теорема Пуассона, локальная теорема Муавра–Лапласа и интегральная теорема Муавра–Лапласа. Приведем их формулировки.

Теорема Пуассона. (Формулировка приводится в упрощенном виде.) Пусть имеется n независимых испытаний. – вероятность успеха в одном испытании, – вероятность неудачи. Пусть . Тогда для любого фиксированного m справедливо соотношение

при

Комментарий.На практике эта теорема применяется при Это означает, что p должно быть очень малым числом, а n большим.

Локальная теорема Муавра-Лапласа. Пусть имеется n независимых испытаний Бернулли с вероятностью успеха p ( ) в одном испытании и – вероятностью неудачи. Величина не зависит от n. Предположим, что для некоторой постоянной выполнено условие , где Тогда при

Комментарий. Эта теорема применяется, когда p отделено от нуля и единицы.

Интегральная теорема Муавра-Лапласа. Пусть имеется n независимых испытаний с вероятностью успеха p ( ) в одном испытании и вероятностью неудачи. Величина не зависит от n. Тогда для любых вещественных чисел при

Комментарий. Здесь – функция распределения стандартного нормального закона, значения которой затабулированы в таблицах, приведенных в большинстве задачников по теории вероятностей и математической статистике.

Приведем задачи на применение схемы Бернулли и соответствующих предельных теорем.

Задача 30.Случайное блуждание по прямой.Частица движется по целым точкам вещественной прямой, перемещаясь каждую секунду либо на единицу вправо, либо на единицу влево с равными вероятностями. Найти вероятность того, что через n секунд частица вернется в точку 0.

Решение. Очевидно, вернуться в 0 частица может только за четное число секунд. Поэтому считаем, что . Считая успехом движение частицы вправо, заметим, что для возвращения за n секунд должно быть ровно k успехов. Поэтому из формулы Бернулли следует, что вероятность возвращения равна .

Задача 31.Имеется 5 студенческих групп по 25 человек, в каждой из которых по 5 отличников. Из каждой группы выбирается случайным образом по одному студенту. Найти вероятность того, что среди выбранных студентов будет 3 отличника.

Решение. Вероятностьвыбрать отличника в одной группе равна . Выбор отличника будем считать успехом. Тогда число успехов среди испытаний должно равняться . Таким образом, по основной формуле схемы Бернулли искомая вероятность равна .

Задача 32. (Задача Банаха)У рассеянного курильщика в правом и левом карманах пиджака находится по коробку спичек. В каждом коробке по n спичек. Каждый раз, когда ему требуется закурить, курильщик вынимает новую спичку либо из левого, либо из правого кармана с вероятностью 1/2. Найти вероятность того, что в тот момент, когда окажется пустым один из коробков, во втором коробке останется k спичек.

Решение. Пусть A – это событие, сформулированное в вопросе задачи. Будем считать испытанием Бернулли вытаскивание спичек, причем вытаскивание спички из правого кармана будем считать успехом, а из левого – неудачей. Очевидно, вероятность успеха равна 1/2. Поскольку к моменту окончания «эксперимента» из одного коробка вытащили n спичек, а из другого – спичек, то общее число испытаний Бернулли можно считать равным , причем событие A реализуется, если число успехов равно n или k. Поэтому . Здесь использовано свойство биномиальных коэффициентов, согласно которому слагаемые в скобках равны между собой.

Задача 33.Монета бросается 100 раз. Найти приближенно вероятность того, что герб выпадет 40 раз. (Воспользоваться таблицей.)

Решение. Будем считать успехом выпадение герба. Тогда вероятность успеха равна 1/2. Поэтому, используя предельную локальную теорему Муавра Лапласа, получим

,

где Таким образом, используя таблицы для плотности нормального распределения, получим .

Задача 34.Город ежедневно посещают 1000 туристов, которые днем идут обедать. Каждый из них выбирает для обеда один из двух городских ресторанов с равными вероятностями и независимо друг от друга. Владелец одного из ресторанов желает, чтобы с вероятностью близкой к 0,99, все пришедшие в ресторан туристы смогли бы там одновременно пообедать. Сколько мест должно быть для этого в ресторане?

Решение. Обозначим через событие, состоящее в том, что i-й турист пообедал у заинтересованного владельца ресторана i=1, 2,…, 1000. Наступление события будем называть успехом в i-м испытании. Вероятность успеха . Пусть m – общее число успехов, событие A состоит в переполнении ресторана, k – общее число мест в ресторане. Тогда нам надо подобрать k таким образом, чтобы выполнялось приближенное равенство

Из интегральной теоремы Муавра Лапласа следует, что для этого достаточно, чтобы выполнялось равенство .

Обращаясь к таблице значений функции , получим уравнение для нахождения числа k:

.

Поэтому .Поскольку k должно быть целым числом, то следует окончательно выбрать k = 537.

Задача 35.Машинистка печатает текст, который содержит 20 000 знаков. Каждый знак может быть напечатан неправильно с вероятностью 0,0004. Какова вероятность того, что в тексте не менее 3опечаток?

Решение. Если опечатку считать успехом, то к этой задаче применима схема Бернулли при p = 0,0004, n = 20 000. Поскольку , то можно использовать предельную теорему Пуассона. Поэтому, искомая вероятность равна .

Задача 36.При рождении ребенка вероятность рождения мальчика равна 0,512. Найти вероятность того, что среди 1000 новорожденных мальчиков родится больше, чем девочек.

Решение. Пусть A – это событие, соответствующее вопросу задачи, m – это число рожденных мальчиков. Нетрудно видеть, что . Поскольку n = 1000 можно считать достаточно большим, то применим интегральную теорему Муавра Лапласа, согласно которой

.