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📐 · 第 10 堂

機率與期望值 — 用樹狀圖破解條件機率

⏱ 約 30 分鐘📝 12 題深度測驗
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第10堂:機率與期望值 — 用樹狀圖破解條件機率

🎯 核心心法:條件機率不是新規則,而是「已知部分資訊後,重新計算比例」。樹狀圖就是把這個過程一步一步畫出來。

📖 一、核心解析

1. 條件機率 \(P(A|B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)}\):把樣本空間從全集縮小到 \(B\),所有比例都只看 \(B\) 內部。
2. 樹狀圖第一層是「先發生事件」的機率,第二層每一條都是「在上一層已發生的條件下」的條件機率。
3. 從樹根到葉子的一條路,代表「同時發生一串事件」的機率;算法是沿途所有分支機率相乘。
4. 如果同一個最終結果可由多條路徑到達,例如「至少一紅」包含紅白、白紅、紅紅,就把各路徑機率加起來。
5. 看到「已知」二字,立刻把分母換成「已知事件」的機率,不是原樣本空間的總數。
6. 條件機率不對稱:\(P(A|B)\) 與 \(P(B|A)\) 通常不相等,必須用定義或樹狀圖重新判斷。
7. 常見的「抽籤先後公平性」可以用樹狀圖證明:不放回抽籤時,任何順位的中獎機率都相同。
8. 期望值是樹狀圖的延伸應用:把每個末梢的「結果數值」乘上「路徑機率」再加總,就是期望值。
🌱 樹狀圖為什麼能「分解」條件機率? 因為每一層的分支都已經自動把「前一層發生」當作前提,所以第二層的機率本身就是條件機率。
🌱 全機率公式藏在哪裡? 把走到同一結果的每一條路徑機率相加,就是全機率公式:\(P(X)=P(A)P(X|A)+P(B)P(X|B)+\cdots\)。
🌱 貝氏型問題怎麼看? 題目若問「已知結果發生,問來自哪一條原因」,就回到「該路徑機率 ÷ 所有到達該結果的路徑機率總和」。

🔤 二、重點表:四欄掌握情境與條件機率

情境 已知條件 所求 樹狀圖操作
不放回抽球 第一次抽到紅球 第二次抽到白球 第一層放紅/白,第二層以剩餘球數填機率
篩檢問題 檢驗陽性 真正有病的機率 第一層有病/沒病,第二層陽性/陰性
抽籤順序 前兩人未中獎 第三人中獎 一層一人,未中獎的機率相乘後再乘第三人中獎率
硬幣與骰子 硬幣正面 骰子點數大於4 先畫硬幣再畫骰子,路徑相乘即可
班級調查 是女生 女生戴眼鏡 第一層性別,第二層眼鏡,只取女生分支
兩台機器 產品不良 來自甲機器 第一層甲/乙,第二層不良/良好,用「甲且不良」÷「不良」
天氣預報 預報下雨 真的下雨 第一層天氣,第二層預報,看「下雨且預報」佔「預報」的比例
兩顆骰子 點數和至少8 其中一顆為6 列舉所有點數和≥8的樣本點,再數符合條件的樣本點
城市居民 有手機 是青少年 第一層年齡,第二層手機,求反推條件機率
疾病篩檢 檢測陰性 沒有生病 把「沒病且陰性」的機率除以「陰性」總機率

🎯 三、SOP:五步破解條件機率與期望值

Step 1 定層次:找出「先發生」與「後發生」的事件,畫出第一層與第二層。
Step 2 填機率:每一層分枝依題意填上條件機率,注意「有放回/無放回」「已知/未知」造成的改變。
Step 3 算路徑:路徑機率 = 各層機率相乘;同結果多路徑就相加。
Step 4 看條件:題目有「已知」時,以已知事件的總機率為分母,分子為交集路徑機率。
Step 5 求期望:若題目問期望值,用末梢數值 × 路徑機率加總,並檢查所有路徑機率和為1。

📝 四、實戰演練:兩題完整解析

例題 1:不放回抽球 + 條件機率

題目:袋中有3顆紅球、2顆白球。從袋中一次取一球、不放回,連續取兩球。已知兩球中至少有一顆紅球,求兩球皆為紅球的機率。

解析:先畫樹狀圖:第一次紅 \(3/5\)、白 \(2/5\);第二次依序為紅 \(2/4\)、白 \(2/4\)、紅 \(3/4\)、白 \(1/4\)。

路徑機率:\(RR=3/5\times2/4=3/10\),\(RW=3/5\times2/4=3/10\),\(WR=2/5\times3/4=3/10\),\(WW=2/5\times1/4=1/10\)。

「至少一紅」的路徑機率 \(=3/10+3/10+3/10=9/10\)。

所求 \(P(RR|\text{至少一紅})=\frac{3/10}{9/10}=1/3\)。

例題 2:樹狀圖 + 期望值

題目:攤位遊戲規定:袋中有3紅球、1白球。先抽一球,若抽中白球可得100元並結束;若抽中紅球,再從袋中抽一球(不放回),第二次抽中白球可得80元,抽中紅球可得20元。每次參加須付50元,求玩一次期望淨收益。

解析:樹狀圖:第一次白 \(1/4\);第一次紅 \(3/4\),第二次白 \(1/3\)、紅 \(2/3\)。

路徑貢獻:白:\(1/4\times100=25\);紅→白:\(3/4\times1/3=1/4\),\(1/4\times80=20\);紅→紅:\(3/4\times2/3=1/2\),\(1/2\times20=10\)。

期望獎金 \(=25+20+10=55\) 元。淨收益期望值 \(=55-50=5 元

📝 深度測驗(12題)