条件概率:把样本空间换掉
「已知 B 发生」不是给 A 加一个修正,是把整个分母换成 B。换分母这一个动作,解释了条件概率几乎所有的反直觉。
8 分钟思维方法: 化归
把没见过的问题变形成见过的问题
这一片为什么存在
一种病一万人里有一个。检测很准:有病的必定阳性,没病的只有 1% 误报。你查出阳性,直觉说「那基本就是了」,可真实数字接近 1%。同一个 99% 在这两句话里指的根本不是同一件事,而分辨它们只要问一句:分母是谁。
内容
先别管公式,想一件事:概率是一个比例,而比例总要说清「从多少里挑」。这个「多少」就是样本空间。平时它藏在背后不出声,因为它从头到尾没变过。
「已知 B 发生了」这句话干的事,是把背后这个东西整个换掉。原来你面对的是全部一万人,现在你面对的是「检测呈阳性的那一批人」。不是在原来的答案上乘一个修正系数,是重新划出一块地,然后在这块地里从头数。
画出来最清楚。画一个大方框代表所有可能结果,里面画两个圈 A 和 B。原来问 P(A),算的是 A 占大方框的多少。现在告诉你 B 发生了,大方框作废,B 这个圈本身变成新的方框,框外的一切消失。问题于是变成:A 和 B 的重叠部分占 B 的多少。
分子是重叠的那块,分母是 B 的全部。就这些。
回头看开头那个检测。一万人里 1 个真有病,检测阳性;剩下 9999 个没病的人,1% 误报,约 100 个也阳性。阳性的人一共约 101 个,其中真有病的只有 1 个。
「检测很准」说的是:在「有病」这块地里,阳性的比例极高。你真正想知道的是:在「阳性」这块地里,有病的比例是多少。两块地,一块装 1 个人,一块装 101 个人。重叠区域是同一块,除以不同的分母,得到的是两个毫不相干的数。
所以 P(A|B) 和 P(B|A) 不是同一个数。它们甚至不该被放在一起直接比较,因为分母来自两个不同的世界。
还有一种更隐蔽的错法。分子取对了——「B 发生且 A 也发生」的那些情形——分母却写成了总人数,或者写成 A 发生的次数。分母必须是 B 发生的全部情形,一个不多一个不少。新的样本空间就是 B,不是别的任何东西。
定义:设 P(B) > 0,则 P(A|B) = P(A∩B) / P(B)。
逐个交代符号。A 和 B 是两个事件,都是样本空间 Ω 的子集。A∩B 表示「A 与 B 同时发生」这个事件,就是图上那块重叠区域。条件 P(B) > 0 不是技术性的挑剔:若 B 根本不可能发生,「已知 B 发生」这句话就没有内容,新分母是 0,式子失去意义。
竖线「|」读作「在……条件下」,左边是你要问的事件,右边是你已经知道的事件。左右不能互换。换过来得到的是 P(B|A) = P(A∩B) / P(A),分子一模一样,分母换了人。这正是 1 和 101 的差别。
值得留意的是:分子里的交集是对称的,P(A∩B) = P(B∩A)。全部的不对称都来自分母。所以「P(A|B) 与 P(B|A) 谁更大」只取决于 P(A) 与 P(B) 谁更小。
两边同乘 P(B),得到乘法公式 P(A∩B) = P(B)·P(A|B)。它说的是同一件事,只是读法反过来:先让 B 发生,再在 B 里面让 A 发生。
跟着做一遍
掷一红一蓝两颗骰子。已知「至少有一颗是 6」,求「两颗都是 6」的概率。先凭直觉猜一个数写在纸上,再按下面的步骤数一遍。
- 写下样本空间:一红一蓝两颗骰子,各有 1 到 6,共 36 个等可能结果。这是没有任何条件时的分母。
- 命名事件:B =「至少有一颗是 6」,A =「两颗都是 6」。条件给的是 B,所以新分母必须是 B。
- 数 B 有多少个结果:红是 6 的有 6 个,蓝是 6 的也有 6 个,但「红6蓝6」被重复数了一次。6 + 6 - 1 = 11。
- 数 A∩B:A 只包含「红6蓝6」这一个结果,而它本来就在 B 里,所以重叠部分也只有这 1 个。
- 代入定义:P(A|B) = (1/36) ÷ (11/36) = 1/11。分母上的 36 被约掉了,剩下的就是 1 除以 11。
- 对照直觉给出的 1/6:那是把分母偷偷换成了「另一颗骰子的 6 种结果」,相当于默认已经知道是哪一颗出了 6。
- 验证这个差别:把条件改成「红骰子是 6」,新样本空间只剩 6 个结果,答案才真的是 1/6。A 没变,换了分母,答案就变了。
结果
P(两颗都是 6 | 至少有一颗是 6) = 1/11 ≈ 0.091,而 P(两颗都是 6 | 红骰子是 6) = 1/6 ≈ 0.167。两个问题只差一句话,圈出的样本空间却一个装 11 个结果、一个装 6 个。1/11 不是从 1/6 修正出来的,它就是 1 除以 11。