Елементи комбінаторики, ймовірності та статистики

Ця тема відрізняється від решти курсу тим, що тут майже немає формул для заучування — натомість потрібне вміння правильно поставити питання. Практично всі помилки в задачах на ймовірність зводяться до одного: неправильно порахували, скільки всього можливих результатів або скільки з них сприятливі. Тому головна навичка — акуратно описати, що саме вважається «результатом досліду».

Правило добутку й факторіал

Якщо перший вибір можна зробити aa способами, а другий (незалежно) — bb способами, то разом — a⋅ba\cdot b способів (правило добутку).

Факторіал n!n! — добуток усіх натуральних чисел від 11 до nn:

n!=1⋅2⋅3⋯n,0!=1.n! = 1\cdot 2\cdot 3\cdots n, \qquad 0! = 1.

Наприклад, 5!=1205! = 120. Кількість перестановок nn елементів дорівнює Pn=n!P_n = n!.

Факторіали ростуть надзвичайно швидко: 5!=1205! = 120, 10!=3 628 80010! = 3\,628\,800. Тому в задачах їх майже ніколи не обчислюють повністю — натомість скорочують. Наприклад, 10!8!=10⋅9=90\dfrac{10!}{8!} = 10 \cdot 9 = 90: усі множники до 88 включно скоротилися.

Комбінації

Комбінації — це вибірки kk елементів із nn без урахування порядку. Їх кількість:

Cnk=n!k! (n−k)!.C_n^k = \dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}.

Якщо ж порядок важливий, це розміщення Ank=n!(n−k)!=n(n−1)⋯(n−k+1)A_n^k = \dfrac{n!}{(n-k)!} = n(n-1)\cdots(n-k+1). Зв'язок: Ank=Cnk⋅k!A_n^k = C_n^k\cdot k!.

Числа CnkC_n^k утворюють трикутник Паскаля — кожне дорівнює сумі двох над ним:

Вибір між CC і AA — головне рішення в комбінаторній задачі. Питай себе: чи змінює справу порядок? Якщо обирають трьох учнів у команду — ні, тому комбінації. Якщо обирають капітана, заступника й скарбника — так, тому розміщення. Формальна ознака: якщо в умові є слова «перший», «другий», «різні посади», порядок важливий.

Корисна властивість, що економить час: Cnk=Cnn−kC_n^k = C_n^{n-k}. Обрати 88 предметів із 1010 — те саме, що обрати 22, які лишаться; тому C108=C102=45C_{10}^{8} = C_{10}^{2} = 45.

Приклад 1 — комбінації чи розміщення

З 1010 учнів треба обрати трьох. Скільки способів, якщо: (а) це просто делегація; (б) це капітан, заступник і секретар?

(а) Порядок не важливий — комбінації: C103=10!3! 7!=10⋅9⋅83⋅2⋅1=7206=120C_{10}^{3} = \dfrac{10!}{3!\,7!} = \dfrac{10 \cdot 9 \cdot 8}{3 \cdot 2 \cdot 1} = \dfrac{720}{6} = 120.

(б) Порядок важливий — розміщення: A103=10⋅9⋅8=720A_{10}^{3} = 10 \cdot 9 \cdot 8 = 720.

Відповідь: 120120 і 720720. Різниця рівно в 3!=63! = 6 разів — стільки способів переставити трьох обраних між посадами.

Класична ймовірність

Якщо всі результати досліду рівноможливі, ймовірність події дорівнює відношенню кількості сприятливих результатів mm до загальної кількості nn:

P=mn,0≤P≤1.P = \dfrac{m}{n}, \qquad 0 \le P \le 1.

Приклад — куля з коробки

У коробці 1010 однакових на дотик куль, з них 33 червоні. Навмання витягаємо одну. Усі 1010 результатів рівноможливі, сприятливих (червона) — 33, тому

P(червона)=310=0,3.P(\text{червона}) = \dfrac{3}{10} = 0{,}3.

Дуже корисний прийом — ймовірність протилежної події: P(не A)=1−P(A)P(\text{не A}) = 1 - P(A). Коли в умові є слова «хоча б один», рахувати навпростець доводиться довго (один, два, три…), а от протилежна подія «жодного» зазвичай рахується одним виразом.

Приклад 2 — «хоча б один»

Кидають дві гральні кості. Яка ймовірність, що хоча б на одній випаде шістка?

  1. Усього результатів: 6⋅6=366 \cdot 6 = 36 (правило добутку);
  2. рахуємо протилежну подію «жодної шістки»: на кожній кості по 55 варіантів, отже 5⋅5=255 \cdot 5 = 25 результатів;
  3. ймовірність протилежної події: 2536\dfrac{25}{36};
  4. шукана ймовірність: 1−2536=11361 - \dfrac{25}{36} = \dfrac{11}{36}.

Відповідь: 1136≈0,31\dfrac{11}{36} \approx 0{,}31. Пряме обчислення вимагало б розбору трьох випадків — через протилежну подію вийшло значно швидше.

Статистика

Для набору чисел x1,x2,…,xnx_1, x_2, \ldots, x_n:

  • середнє арифметичне xˉ=x1+x2+…+xnn\bar{x} = \dfrac{x_1 + x_2 + \ldots + x_n}{n};
  • мода — значення, що трапляється найчастіше;
  • медіана — середнє значення впорядкованого набору.

Наприклад, для набору 2, 5, 5, 6, 72,\ 5,\ 5,\ 6,\ 7: мода =5= 5, медіана =5= 5 (третє число), середнє =2+5+5+6+75=5= \dfrac{2+5+5+6+7}{5} = 5.

Медіану шукають лише у впорядкованому ряді. Якщо чисел парна кількість, медіана — півсума двох середніх, і вона може не збігатися з жодним числом набору.

Ймовірність — це частка

Ймовірність зручно уявляти як частку «вдалих» випадків. Вона завжди між 00 (подія неможлива) і 11 (подія достовірна); P=12P = \tfrac12 означає рівні шанси.

Типові помилки

  • Плутають комбінації з розміщеннями. Питай себе, чи важливий порядок.
  • Неправильно рахують загальну кількість результатів. Це найчастіша причина хибної ймовірності — сама формула при цьому застосована правильно.
  • Дають ймовірність, більшу за одиницю. Це неможливо; така відповідь — сигнал помилки в підрахунку.
  • Шукають медіану без упорядкування ряду.
  • Забувають про прийом протилежної події в задачах зі словами «хоча б один».

Перевір себе

Порада щодо вводу

Ймовірність вводь дробом (1/3) або десятковим (0,25). Перевірка порівнює чисельно.

Завдання формату НМТ

Завдання в тому вигляді, як їх дають на національному мультипредметному тесті: вибір однієї відповіді з п’яти (А–Д), установлення відповідності та коротка відповідь десятковим дробом. Там, де є позначка «Прототип», задачу побудовано за типом реального завдання НМТ минулих років; числа в умові щоразу нові.

  • Імовірність вибору місця

    Вибір А–Д · Прототип: НМТ 2024 · зошит 2 · №1

  • Кількість способів вибору

    Вибір А–Д

  • Комплекти книг

    Коротка відповідь · Прототип: НМТ 2023 · зошит 1 · №20

  • Вибір команди

    Коротка відповідь · Прототип: НМТ 2023 · зошит 2 · №20

  • Розклад уроків

    Коротка відповідь · Прототип: НМТ 2024 · зошит 2 · №20

  • Кількість рядів за ймовірністю

    Коротка відповідь · Прототип: НМТ 2025 · зошит 1 · №20 · Прототип: НМТ 2025 · зошит 2 · №20

Приклади розв’язання завдань НМТ

Так розв’язують завдання формату НМТ із цієї теми — по одному прикладу на кожен формат: вибір відповіді, відповідність, коротка відповідь. У розділі «Завдання формату НМТ» числа щоразу нові, а тут кожен крок розписано.

  1. 1Імовірність вибору місця
    Вибір А–Д
    Прототип: НМТ 2024 · зошит 2 · №1
    У салоні літака 30 рядів, у кожному з яких по 2 крісла обабіч проходу. Під час реєстрації система навмання обирає пасажирові місце. Яка ймовірність того, що місце буде біля вікна?
    • А160\dfrac{1}{60}
    • Б14\dfrac{1}{4}
    • В12\dfrac{1}{2}
    • Г11
    • Д130\dfrac{1}{30}
    P=кількість сприятливих місцькількість усіх місць.P = \dfrac{\text{кількість сприятливих місць}}{\text{кількість усіх місць}}.
    Показати розв’язання
    1. 1
      усього місць 120 120, сприятливих 60 60
    2. 2
      P=60120=12P = \dfrac{60}{120} = \dfrac{1}{2}
    Відповідь: В) 12 \dfrac{1}{2}
  2. 2Кількість способів вибору
    Вибір А–Д
    Скількома способами з 5 учнів можна обрати двох чергових?
    • А13
    • Б20
    • В5
    • Г25
    • Д10
    Порядок не важливий: Cn2=n(n−1)2. C_n^2 = \dfrac{n(n-1)}{2}.
    Показати розв’язання
    1. 1
      5⋅42=10\dfrac{5\cdot4}{2} = 10
    Відповідь: Д) 10 10
  3. 3Комплекти книг
    Коротка відповідь
    Прототип: НМТ 2023 · зошит 1 · №20
    Переможцю олімпіади заплановано подарувати комплект із 4 книг: один збірник олімпіадних задач і три науково-популярні книги. Вибирати можна з 4 різних збірників і 5 різних науково-популярних книг. Скільки всього є варіантів такого комплекту?
    Вибори незалежні — кількості способів перемножуються.
    Показати розв’язання
    1. 1
      C41⋅C53=4⋅10=40C_{4}^{1}\cdot C_{5}^{3} = 4\cdot10 = 40
    Відповідь: 4040