descartesclytie0x/descartes-math-platform
บทที่ 50 ตัวแปรสุ่มและการแจกแจงความน่าจะเป็นตรงกับหนังสือ เพิ่มเติม ม.6 เล่ม 2 บทที่ 4เพิ่มเติม

50.1 ตัวแปรสุ่มและการแจกแจง

โยนเหรียญสามครั้ง ผลเป็นลำดับหัวก้อย แต่ถ้าเราสนใจจำนวนหัว เราเปลี่ยนผลแต่ละลำดับให้เป็นตัวเลข ตัวแปรสุ่มทำหน้าที่เชื่อมการทดลองกับตัวเลขนี้

ในบทที่ 44 เราถามทีละคำถาม เช่น โอกาสได้หัวสองครั้งเท่าไร โอกาสได้หัวอย่างน้อยหนึ่งครั้งเท่าไร แต่ละคำถามต้องกลับไปนับปริภูมิตัวอย่างใหม่ ถ้าเราจัดทำตารางไว้ครั้งเดียวว่าจำนวนหัวแต่ละค่ามีโอกาสเท่าไร ทุกคำถามจะตอบได้จากตารางนี้ทันที และในหน้า 50.2 เราจะใช้ตารางเดียวกันหาค่าเฉลี่ยระยะยาวด้วย ตารางนั้นคือสิ่งที่หน้านี้เรียกว่าการแจกแจงความน่าจะเป็น

ไม่ต่อเนื่องกับต่อเนื่อง

นิยาม

ตัวแปรสุ่มเป็นฟังก์ชันจากปริภูมิตัวอย่างไปจำนวนจริง ตัวแปรสุ่มไม่ต่อเนื่องมีค่าที่เป็นไปได้จำกัดหรือนับได้ ส่วนตัวแปรสุ่มต่อเนื่องใช้ความหนาแน่นบรรยายโอกาสบนช่วง

นิยมเขียนตัวแปรสุ่มด้วยตัวพิมพ์ใหญ่ เช่น XX YY และเขียนค่าที่มันเป็นได้ด้วยตัวพิมพ์เล็ก เช่น xx ข้อความ X=2X=2 จึงหมายถึงเหตุการณ์ที่ผลการทดลองทำให้ XX มีค่าเป็น 22 ซึ่งเป็นเซตย่อยของปริภูมิตัวอย่างเหมือนเหตุการณ์ในบทที่ 44 ทุกประการ

วิธีแยกสองชนิดให้ถามว่าค่าของตัวแปรได้มาจากการนับหรือการวัด ถ้านับ เช่น จำนวนนักเรียนที่มาสายในเช้าวันหนึ่ง จำนวนข้อที่ตอบถูก จำนวนครั้งที่โยนเหรียญจนกว่าจะได้หัว ค่าที่เป็นไปได้เรียงเป็นรายการได้ จึงเป็นตัวแปรไม่ต่อเนื่อง ตัวอย่างสุดท้ายนับได้ไม่จำกัด แต่ยังไล่เป็น 1,2,3,…1,2,3,\ldots ได้ จึงยังเป็นไม่ต่อเนื่อง ถ้าวัด เช่น เวลาที่ใช้เดินทางมาโรงเรียน ส่วนสูง น้ำหนักกระเป๋า ระหว่างสองค่าใดก็ยังมีค่าอื่นแทรกได้เสมอ จึงเป็นตัวแปรต่อเนื่อง

สำหรับไม่ต่อเนื่อง p(x)=P(X=x)p(x)=P(X=x) ต้องไม่ติดลบและรวมทุกค่าได้หนึ่ง ความน่าจะเป็นของเหตุการณ์คำนวณโดยรวมค่า p(x)p(x) ที่เข้าเงื่อนไข ตัวแปรสุ่มต่อเนื่องกลับใช้พื้นที่บนช่วง และที่จุดเดี่ยวมีความน่าจะเป็นศูนย์ แม้ค่านั้นจะเป็นผลที่เป็นไปได้

สร้างตารางจากผลพื้นฐาน

เขียนผลลัพธ์การทดลองก่อน แล้วรวมผลที่ให้ค่า XX เดียวกัน จึงไม่แจกโอกาสเท่ากันให้ค่าของ XX โดยอาศัยเพียงจำนวนค่าที่เห็น

กลับไปที่เหรียญสามครั้งตอนต้นหน้า ปริภูมิตัวอย่างมี 23=82^3=8 ลำดับที่มีโอกาสเท่ากัน ให้ XX เป็นจำนวนหัว แล้วจับกลุ่มลำดับตามค่าของ XX

ค่าของ XXลำดับที่ให้ค่านี้P(X=x)P(X=x)
00TTT1/81/8
11HTT, THT, TTH3/83/8
22HHT, HTH, THH3/83/8
33HHH1/81/8

จำนวนลำดับในแต่ละแถวคือการเลือกตำแหน่งที่ออกหัวจากสามตำแหน่ง ซึ่งเป็นการจัดหมู่จากบทที่ 43 เรื่องนี้จะกลับมาเป็นสูตรทวินามในหน้า 50.3

ตัวอย่าง 1

โยนเหรียญยุติธรรมสองครั้ง ให้ XX เป็นจำนวนหัว สร้างการแจกแจง

  1. เขียนปริภูมิตัวอย่างก่อน ได้ HH HT TH TT สี่ลำดับ แต่ละลำดับมีโอกาส 1/41/4 เพราะเหรียญยุติธรรมและการโยนแต่ละครั้งไม่ขึ้นต่อกัน
  2. ลำดับ TT ให้ X=0X=0 ลำดับ HT,TH ให้ X=1X=1 และ HH ให้ X=2X=2
  3. จึงได้โอกาส 1/4,1/2,1/41/4,1/2,1/4 ตามลำดับ รวมหนึ่ง ค่า X=1X=1 มีโอกาสมากที่สุด เพราะมีสองลำดับให้ค่านี้

ตัวอย่าง 2

ตารางให้ X=0,1,2X=0,1,2 มีโอกาส 0.2,0.5,c0.2,0.5,c หา cc และ P(X≥1)P(X\ge1)

  1. ตารางที่ใช้ได้ต้องรวมหนึ่ง จึงได้ c=1−0.2−0.5=0.3c=1-0.2-0.5=0.3 ตรวจด้วยว่า cc ไม่ติดลบ ถ้าได้ค่าติดลบแปลว่าตารางที่โจทย์ให้มาใช้ไม่ได้
  2. X≥1X\ge1 คือ X=1X=1 หรือ X=2X=2 ซึ่งเกิดพร้อมกันไม่ได้ จึงบวกกันตรงๆ P(X≥1)=0.5+0.3=0.8P(X\ge1)=0.5+0.3=0.8
  3. ตรวจอีกทางด้วยส่วนเติมเต็ม 1−P(X=0)=1−0.2=0.81-P(X=0)=1-0.2=0.8 ตรงกัน

ลองคิดก่อน

ทอดลูกเต๋าสองลูกแล้วให้ XX เป็นผลรวมแต้ม ผลรวมเป็นได้ 22 ถึง 1212 รวม 1111 ค่า เพื่อนจึงตอบว่าแต่ละค่ามีโอกาส 1/111/11 ถูกไหม

ดูคำตอบ

ไม่ถูก ผลพื้นฐานที่มีโอกาสเท่ากันคือคู่แต้ม 3636 คู่จากตารางหกคูณหกในบทที่ 44 ไม่ใช่ค่าผลรวม 1111 ค่า ผลรวม 22 เกิดได้จากคู่ (1,1)(1,1) คู่เดียว จึงมีโอกาส 1/361/36 ส่วนผลรวม 77 เกิดได้หกคู่ จึงมีโอกาส 6/36=1/66/36=1/6 นับคู่ก่อนแล้วค่อยรวมตามค่าของ XX ทุกครั้ง

ลองคิดก่อน

ความน่าจะเป็นที่ตัวแปรต่อเนื่องเท่ากับค่าหนึ่งเป็นศูนย์ แปลว่าค่านั้นเป็นไปไม่ได้หรือไม่

ดูคำตอบ

ไม่ใช่ จุดเดี่ยวไม่มีความกว้างจึงไม่มีพื้นที่ใต้โค้ง แต่ผลการวัดยังเป็นค่าหนึ่งในช่วงได้ ต้องแยกโอกาสศูนย์ของจุดออกจากเหตุการณ์ว่าง

การแจกแจงเอกรูป

ลูกเต๋าที่เที่ยงตรงมีหกหน้า แต่ละหน้ามีโอกาสเท่ากัน ครูที่จับสลากเลขที่ 11 ถึง 4040 เพื่อเรียกนักเรียนตอบคำถาม ก็ให้ทุกเลขที่มีโอกาสเท่ากัน โปรแกรมสุ่มเลข 11 ถึง nn ในโทรศัพท์ก็เช่นกัน ทั้งสามสถานการณ์มีการแจกแจงแบบเดียวกันที่เรียกว่าเอกรูป

การแจกแจงเอกรูป

ตัวแปรสุ่ม XX ที่มีค่าที่เป็นไปได้ nn ค่า คือ x1,x2,…,xnx_1,x_2,\ldots,x_n มีการแจกแจงเอกรูปเมื่อ P(X=xi)=1nP(X=x_i)=\dfrac1n ทุกค่า ii

ความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ใดๆ ในการแจกแจงเอกรูปจึงเท่ากับจำนวนค่าที่เข้าเงื่อนไขหารด้วย nn คือสูตรโอกาสเท่ากันของบทที่ 44 นั่นเอง สิ่งที่ต้องระวังคือคำว่าเอกรูปพูดถึงค่าของ XX ไม่ใช่ผลของการทดลอง ผลรวมแต้มลูกเต๋าสองลูกในกล่องลองคิดก่อนข้างบนมาจากการทดลองที่ผลพื้นฐานมีโอกาสเท่ากัน แต่ค่าของ XX มีโอกาสไม่เท่ากัน จึงไม่ใช่เอกรูป

ตัวอย่าง 3

ครูจับสลากเลขที่ 11 ถึง 4040 หนึ่งใบ ให้ XX เป็นเลขที่ที่ได้ หา P(X≤10)P(X\le10) และโอกาสที่เลขที่หารด้วย 33 ลงตัว

  1. ทุกเลขที่มีโอกาส 1/401/40 เท่ากัน XX จึงมีการแจกแจงเอกรูปบน 1,2,…,401,2,\ldots,40
  2. ค่าที่ไม่เกิน 1010 มี 1010 ค่า จึงได้ P(X≤10)=10/40=1/4P(X\le10)=10/40=1/4
  3. เลขที่หารด้วย 33 ลงตัวคือ 3,6,…,393,6,\ldots,39 นับได้ 39/3=1339/3=13 ค่า ไม่ใช่ 40/340/3 เพราะต้องนับเฉพาะพหุคูณที่ไม่เกิน 4040
  4. โอกาสจึงเป็น 13/4013/40

ตัวอย่าง 4

แอปสุ่มเลขจำนวนเต็ม 11 ถึง nn โดยทุกเลขมีโอกาสเท่ากัน ถ้าโอกาสได้เลขไม่เกิน 55 เท่ากับ 1/41/4 หา nn แล้วหาโอกาสได้เลขมากกว่า 1515

  1. ค่าที่ไม่เกิน 55 มีห้าค่า แต่ละค่ามีโอกาส 1/n1/n จึงได้ P(X≤5)=5/nP(X\le5)=5/n ข้อนี้ใช้ได้เมื่อ n≥5n\ge5
  2. ตั้ง 5/n=1/45/n=1/4 ได้ n=20n=20
  3. ค่าที่มากกว่า 1515 คือ 1616 ถึง 2020 มีห้าค่า โอกาสจึงเป็น 5/20=1/45/20=1/4 เท่ากับฝั่งเลขน้อย เพราะการแจกแจงเอกรูปไม่เอียงไปทางใด

แนวคิดเดียวกันใช้กับค่าต่อเนื่องได้ เช่น รถประจำทางมาทุก 1010 นาที และเราเดินถึงป้ายในเวลาสุ่ม ให้ TT เป็นเวลารอ TT อยู่ระหว่าง 00 ถึง 1010 นาที และช่วงย่อยที่ยาวเท่ากันมีโอกาสเท่ากัน ความหนาแน่นจึงเป็นเส้นแนวนอนสูง 1/101/10 และความน่าจะเป็นของช่วงคือพื้นที่สี่เหลี่ยมผืนผ้า เท่ากับความยาวช่วงหารด้วย 1010 นี่คือการแจกแจงเอกรูปต่อเนื่อง

ตัวอย่าง 5

จากรถประจำทางข้างบน หาโอกาสรอไม่เกิน 33 นาที และโอกาสรอระหว่าง 22 ถึง 66 นาที

  1. รอไม่เกิน 33 นาทีคือช่วง 00 ถึง 33 ยาว 33 นาที พื้นที่เท่ากับ 3×110=0.33\times\dfrac1{10}=0.3
  2. รอระหว่าง 22 ถึง 66 นาทียาว 44 นาที พื้นที่เท่ากับ 4×110=0.44\times\dfrac1{10}=0.4
  3. จะรวมหรือไม่รวมจุดปลาย 22 กับ 66 ก็ได้ค่าเดิม เพราะจุดเดี่ยวไม่มีความกว้าง

เหตุการณ์สะสมจากตาราง

ฟังก์ชันแจกแจงสะสม F(x)=P(X≤x)F(x)=P(X\le x) ช่วยตอบคำถามไม่เกินค่าหนึ่ง สำหรับตัวแปรไม่ต่อเนื่องกราฟจะกระโดดที่ค่าที่มีโอกาสบวก และคงที่ระหว่างค่านั้น ความต่างระหว่างน้อยกว่ากับไม่เกินมีผลเมื่อจุดปลายมีโอกาสบวก จึงไม่ตัดเครื่องหมายเท่ากับออกเหมือนกรณีต่อเนื่อง

ถ้าทำตารางสะสมของจำนวนหัวจากเหรียญสามครั้ง จะได้ F(0)=1/8F(0)=1/8 F(1)=4/8F(1)=4/8 F(2)=7/8F(2)=7/8 และ F(3)=1F(3)=1 แต่ละค่าคือค่าก่อนหน้าบวกโอกาสของค่าใหม่ ค่าสุดท้ายต้องเป็นหนึ่งเสมอ ใช้ตรวจตารางได้

ตัวอย่าง 6

ให้ X=0,1,2X=0,1,2 มีโอกาส 1/4,1/2,1/41/4,1/2,1/4 หา P(X<1)P(X<1) และ P(X≤1)P(X\le1)

  1. น้อยกว่าหนึ่งรวมเฉพาะ X=0X=0 ได้ 1/41/4
  2. ไม่เกินหนึ่งรวม X=0,1X=0,1 ได้ 1/4+1/2=3/41/4+1/2=3/4
  3. ความต่างเท่ากับ P(X=1)=1/2P(X=1)=1/2 ซึ่งไม่เป็นศูนย์

ตรวจวิธีคิด

เขียนค่าที่เข้าเงื่อนไขก่อนรวมความน่าจะเป็นช่วยป้องกันพลาดจุดปลาย และถ้าตัวแปรเป็นต่อเนื่องจุดปลายมีโอกาสศูนย์จึงไม่เปลี่ยนผล ต่างจากตัวอย่างตารางนี้

สรุป

  • ตัวแปรสุ่มกำหนดค่าจากผลทดลอง
  • ค่าที่ได้จากการนับเป็นไม่ต่อเนื่อง ค่าที่ได้จากการวัดเป็นต่อเนื่อง
  • การแจกแจงไม่ต่อเนื่องต้องไม่ติดลบและรวมหนึ่ง สร้างตารางจากผลพื้นฐานที่มีโอกาสเท่ากันก่อนรวมตามค่าของ XX
  • การแจกแจงเอกรูปให้ทุกค่าของ XX มีโอกาส 1/n1/n เท่ากัน
  • ต่อเนื่องใช้พื้นที่ช่วงแทนการบวกโอกาสรายจุด
  • หน้าถัดไปใช้ตารางการแจกแจงหาค่าเฉลี่ยระยะยาว เพื่อตอบว่าเกมหนึ่งคุ้มที่จะเล่นหรือไม่