К содержанию
Фонтум Основы статистики Урок 4 / 24 Все уроки

Главная · Курсы · Основы статистики · Программа курса · Модуль II. Случайность · урок 4 из 24

Что такое вероятность

Что можно проверить в утверждении «вероятность дождя 30 %»

Вероятность события означает долю, к которой стремится частота его появления при неограниченном повторении опыта в одинаковых условиях. Поэтому «вероятность дождя 30 %» проверяется не по одному дню, а калибровкой: из всех дней с таким прогнозом дождь должен идти примерно в трёх из десяти. Арифметика вероятностей держится на правилах сложения, умножения и дополнения, причём правило умножения работает только при независимости событий.

MIT 18.05, занятия 1-2 · Stat 110, лекции 1-2 · 45 мин · обновлено 01.10.2026

После урока вы сможете

  • Формулировать вероятность как долю в длинной серии и указывать, чем эту долю проверить
  • Считать составные вероятности через правила сложения, умножения и дополнения
  • Проверять допущение независимости вместо того, чтобы принимать его по умолчанию
  • Опознавать ошибку игрока и обратную ей ошибку «горячей руки» в готовых рассуждениях

Синоптик сказал: вероятность дождя завтра 30 %. Назавтра шёл дождь. Синоптик ошибся?

По одному дню сказать нельзя ничего. Прогноз в 30 % не запрещает дождю идти, он утверждает нечто другое и куда более проверяемое. Возьмите все дни, в которые этот синоптик обещал 30 %, и пусть их набралось двести. Если дождь шёл примерно в шестидесяти из них, прогноз хорош. Если в ста сорока, прогноз плох, и это установлено, а не почувствовано.

Отсюда весь урок. Вероятность не измеряет уверенность говорящего и не принадлежит отдельному событию. Это утверждение о доле в длинной серии, и оно проверяется счётом.

Что именно проверяется

Определение, с которым будет работать курс: вероятностью события называют ту долю, к которой стремится частота его появления при неограниченном повторении опыта в одинаковых условиях. Вероятность 0,3 означает: в длинной серии таких дней дождь будет примерно в трёх из десяти.

Проверка такого утверждения называется калибровкой и делается тривиально. Собираются все случаи, где было объявлено одно и то же число. Считается доля тех, где событие произошло. Два числа сравниваются. Так проверяют прогнозы погоды, оценки кредитного риска, предсказания аналитиков. Отдельное предсказание проверить нельзя, а набор можно.

Отсюда следует то, что ломает большинство бытовых споров о вероятности: у единичного неповторимого события частотной вероятности нет. «Вероятность, что этот конкретный проект провалится, равна 40 %» не проверяется ничем, если проект один. Утверждение станет проверяемым, только если говорящий регулярно раздаёт такие оценки: тогда можно взять все его сорокапроцентные прогнозы и посчитать.

У вероятности есть и вторая трактовка, она говорит о степени обоснованного убеждения, которую можно приписывать и единичным событиям. Она законна, работает по тем же правилам и составляет предмет шестого модуля. Пока важно другое: какую бы трактовку вы ни выбрали, арифметика ниже одна и та же, и ошибки в ней делаются одинаковые.

методВопрос к любой названной вероятности

Спросите: в какой серии эту долю можно посчитать? Если серии нет и говорящий не выдаёт такие оценки регулярно, число выражает его уверенность, а не измеренную частоту. Это не запрещено, но и проверить его нечем, а путать одно с другим не стоит.

Три правила и одно, которое важнее остальных

Вся арифметика вероятностей держится на трёх правилах. Каждое разберём на числах, которые можно проверить в уме.

Правило сложения. Вероятность того, что произошло A или B, равна сумме их вероятностей минус вероятность того, что произошли оба. Вычитание нужно, чтобы не посчитать пересечение дважды. Из ста сотрудников шестьдесят читают рабочую почту с телефона, тридцать с планшета, двадцать делают и то и другое. Тех, кто читает хотя бы с одного устройства, не девяносто, а 60 + 30 − 20 = 70. Ошибка в двадцать человек возникает от одного забытого вычитания.

Правило умножения. Вероятность того, что произошли и A, и B, равна произведению их вероятностей, если события независимы. Оговорка здесь главное, к ней вернёмся отдельно.

Правило дополнения. Вероятность того, что событие не произошло, равна единице минус вероятность того, что произошло. Выглядит тривиально и на практике решает больше задач, чем два предыдущих правила вместе.

Вот почему. Прямой подсчёт вероятности «хотя бы одного» требует перебора всех случаев: одно, два, три и так далее. Подсчёт через дополнение требует одного умножения. Бросаем две игральные кости, спрашиваем вероятность выпадения хотя бы одной шестёрки. Наивный ответ даёт 1/6 + 1/6 = 1/3. Правильный: вероятность, что шестёрки нет ни на одной, равна 5/6 × 5/6 = 25/36. Значит, хотя бы одна шестёрка выпадает с вероятностью 11/36, то есть примерно 0,306. Наивный ответ завышен ровно на вероятность выпадения двух шестёрок сразу, на 1/36.

Второй пример, уже не про кости. Операция отказывает в одном случае из ста, отказы независимы, операций за квартал сто. Вероятность, что не откажет ни разу, равна 0,99 в сотой степени, это примерно 0,366. Значит, хотя бы один отказ случится с вероятностью около 0,634. Событие, названное редким, происходит чаще, чем не происходит, и всё, что для этого понадобилось, это повторить его сто раз.

Редкое для одного и частое для всех

Интуиция плохо работает с малыми вероятностями, и ломается она в обе стороны сразу.

Возьмём лотерею, где надо угадать шесть номеров из сорока пяти. Число возможных комбинаций равно 8 145 060, а вероятность выигрыша с одного билета примерно одна восьмимиллионная. Покупая билет каждую неделю пятьдесят лет, вы купите около 2 600 билетов. Вероятность выиграть хотя бы раз за эти полвека выходит примерно 2 600 / 8 145 060, то есть около одной трёхтысячной. Полвека еженедельной покупки дают шанс порядка одного к трём тысячам.

А теперь та же лотерея со стороны организатора. Если в тираже продаётся три миллиона билетов, ожидаемое число выигравших билетов равно 3 000 000 / 8 145 060, примерно 0,37. Джекпот берут примерно раз в три тиража, и в новостях он появляется регулярно. Оба числа посчитаны из одной вероятности, и оба верны: событие, практически недостижимое для человека, для системы происходит постоянно.

Это и есть первый источник ошибок с редкими событиями. Второй оказывается обратным: невероятное совпадение, случившееся хоть с кем-то, воспринимается как требующее объяснения. Если некое совпадение имеет вероятность одна миллионная за год для одного человека, то в стране на сто миллионов человек оно происходит около ста раз в год. Найти после этого одного человека, с которым оно произошло, и удивиться значит забыть, из скольких кандидатов он выбран.

Держать в голове стоит простую перестановку вопроса: не «какова вероятность, что это случилось именно с ним», а «каково ожидаемое число таких случаев вообще». Первое число всегда крошечное и всегда бесполезное. Второе получается умножением на количество попыток и обычно объясняет всё.

осторожно«Это не может быть совпадением»

Посылка требует числа, которого у говорящего почти никогда нет: сколько было попыток. Совпадение, невероятное для одной попытки, становится ожидаемым при миллионе попыток, а попыток обычно и есть миллион, просто их не считали, потому что заметили только удачную.

Независимость: допущение, а не свойство

Два события независимы, если наступление одного не меняет вероятности другого. Только при этом условии вероятности можно перемножать, и именно здесь делается самая дорогая ошибка в прикладных расчётах.

Причина в том, что независимость принимают по умолчанию: если связь между событиями не бросается в глаза, их считают несвязанными. Но отсутствие видимой связи и независимость это разные вещи. Связь может идти через общую причину, о которой считающий не подумал.

Цена ошибки считается легко. Пусть отказ узла имеет вероятность 0,01, и узлов в системе два. При независимости вероятность отказа обоих равна 0,01 × 0,01 = 0,0001, один случай на десять тысяч. Теперь предположим, что оба узла питаются от одного источника, и при его сбое второй отказывает с вероятностью 0,5, если отказал первый. Тогда вероятность отказа обоих выходит 0,01 × 0,5 = 0,005, один случай на двести. Разница в пятьдесят раз, и получена она не из новых данных, а из одного пересмотренного допущения.

Чем длиннее цепочка перемножений, тем сильнее расхождение. Десять событий с вероятностью 0,01 каждое при независимости дают в произведении десять в минус двадцатой степени, и любой человек прочтёт такое число как «невозможно». При общей причине то же самое может случиться с вероятностью порядка 0,01. Между «невозможно» и «раз в сто раз» здесь стоит одно недоказанное слово.

Практический вывод: каждое перемножение вероятностей это утверждение о независимости, и оно требует обоснования наравне с самими числами. Задавать надо не вопрос «связаны ли эти события», а вопрос «что могло бы связать их так, чтобы я этого не заметил»: общий поставщик, общая методика измерения, общее время, общий человек, принимавший решение.

Ошибка игрока и её зеркало

Монета выпала орлом пять раз подряд. Что вероятнее на шестом броске?

Ошибка игрока отвечает: решка, потому что должна же выровняться. Монета не помнит предыдущих бросков. Вероятность решки на шестом броске равна 0,5, как и на первом. Путаница возникает от смешения двух разных вопросов. Вероятность выпадения шести орлов подряд, посчитанная заранее, действительно мала: 1/64, около 0,016. Но пять орлов уже выпали, они больше не случайны, и остаётся ровно один бросок с вероятностью 0,5.

Ошибка «горячей руки» зеркальна и встречается не реже: серия воспринимается как доказательство того, что процесс изменился, что игрок «поймал волну», а трейдер нащупал систему. Проблема не в том, что процессы не меняются. Иногда меняются. Проблема в том, что серии возникают в случайной последовательности постоянно, и сама по себе серия ничего не доказывает.

Насколько постоянно, можно посчитать. В двадцати бросках монеты есть семнадцать позиций, с которых может начаться серия из четырёх орлов. Вероятность такой серии на конкретной позиции равна 1/16. Ожидаемое число окон из четырёх орлов подряд выходит 17/16, чуть больше одного. То есть в случайной двадцатке серия из четырёх орлов остаётся рядовым явлением, а не аномалией. В сотне бросков окон длины пять ожидается 96/32, то есть примерно три. Человек, увидевший такую серию, назовёт её неслучайной, а счёт говорит, что она обычна.

Правильный ход в обоих случаях один: сравнить наблюдаемое с тем, что дала бы чистая случайность. Не «выглядит закономерно» и не «выглядит случайно», а «сколько таких серий ожидалось бы, если бы вероятность не менялась». Эта процедура служит заготовкой для всего четвёртого модуля курса.

И последняя оговорка, которая важнее, чем кажется. Всё сказанное про монету верно при условии, что монета честная. Если в честности есть сомнение, длинная серия орлов уже становится свидетельством, но свидетельством не о том, что решка «догонит», а о том, что монета несимметрична. Это ровно противоположное направление вывода, и разбирается оно в следующем уроке.

на заметкуУ двух ошибок одна причина

И ошибка игрока, и «горячая рука» происходят от неверного представления о том, как выглядит случайность. Она выглядит комковато: с сериями, скоплениями и пустотами. Человек, которого просят написать «случайную» последовательность, чередует символы слишком часто, и по этому признаку выдуманные данные отличают от настоящих.

Ключевые работы

Orloff, Kamrin, MIT 18.05 «Introduction to Probability and Statistics»2022Конспекты занятий 1-2, комбинаторика и основы вероятности: пространство элементарных исходов, правила сложения и умножения, независимость.
Blitzstein, Hwang, «Introduction to Probability», Chapman & Hall2014Учебник курса Stat 110: вероятностные пространства и независимость с разбором того, почему независимость почти никогда не следует из отсутствия видимой связи.

Что здесь путают

отвергнутоПосле пяти орлов подряд решка становится вероятнее.

Монета не хранит истории. Вероятность решки на шестом броске остаётся 0,5, как и на первом. Смешиваются два разных вопроса: вероятность шести орлов подряд, посчитанная до начала серии, равна 1/64, но пять бросков уже состоялись и перестали быть случайными. Закон больших чисел, на который обычно ссылаются, действительно уравнивает доли, но за счёт разбавления прошлого новыми бросками, а не за счёт компенсации. Разбор этого ждёт в шестом уроке.

отвергнутоЕсли между событиями нет видимой связи, их вероятности можно перемножать.

Перемножение законно только при независимости, а независимость это утверждение, которое надо обосновывать, а не отсутствие возражений. Два узла с вероятностью отказа 0,01 при независимости отказывают вместе с вероятностью 0,0001. При общем источнике питания, дающем условную вероятность 0,5, они отказывают вместе с вероятностью 0,005. Пятидесятикратное расхождение получено без единого нового измерения. Чем длиннее цепочка перемножений, тем сильнее расходятся оценки, и в длинных цепочках результат обычно определяется допущением, а не данными.

сильно ослабленоСобытие с вероятностью одна миллионная можно считать невозможным.

Верно для одной попытки у одного человека и неверно для системы. Умножьте вероятность на число попыток: одна миллионная за год на сто миллионов человек даёт около ста случаев в год. Именно поэтому «невероятные совпадения» происходят регулярно и не требуют объяснения сверх арифметики. Практическое правило: малая вероятность становится осмысленной только вместе с числом попыток, а число попыток почти никогда не называют.

Термины

вероятностьprobability
Доля, к которой стремится частота события при неограниченном повторении опыта в одинаковых условиях.
пространство элементарных исходовsample space
Множество всех возможных результатов опыта. У двух костей оно состоит из 36 равновероятных исходов.
событиеevent
Подмножество исходов, о котором задаётся вопрос: «хотя бы одна шестёрка», «сумма больше десяти».
правило сложенияaddition rule
Вероятность «A или B» равна сумме вероятностей минус вероятность их совместного наступления.
правило умноженияmultiplication rule
Вероятность «A и B» равна произведению вероятностей, но только при независимости событий.
правило дополненияcomplement rule
Вероятность того, что событие не произошло, равна единице минус его вероятность. Основной приём для задач про «хотя бы один».
независимостьindependence
Свойство пары событий, при котором наступление одного не меняет вероятности другого. Допущение, требующее обоснования.
калибровкаcalibration
Проверка набора вероятностных прогнозов: совпадает ли объявленная вероятность с наблюдаемой долей событий.
ошибка игрокаgambler's fallacy
Убеждение, что после серии одинаковых исходов противоположный становится вероятнее.
ожидаемое число событийexpected count
Вероятность, умноженная на число попыток. Обычно информативнее самой вероятности.

Практикум · Сто бросков и одно допущение

Нужны монета или генератор случайных чисел, лист бумаги и полчаса. Задача состоит в том, чтобы увидеть своими глазами, как выглядит случайность, и один раз проверить допущение независимости на чужом рассуждении.

  1. Сделайте 100 бросков монеты (или получите 100 случайных значений 0 и 1) и запишите последовательность подряд, не группируя.
  2. Выпишите долю орлов после 10, 20, 50 и 100 бросков, всего четыре числа. Посмотрите, насколько они гуляют в начале и как сближаются с 0,5 к концу.
  3. Найдите самую длинную серию одинаковых исходов. Сравните с расчётом, но осторожно: в уроке посчитаны окна из пяти орлов подряд, и таких ожидается 96/32, около трёх. Серия из пяти одинаковых исходов это либо пять орлов, либо пять решек, поэтому вероятность окна вдвое выше, 2/32, а ожидание выходит 96/16, то есть около шести. Отметьте, показалась ли вам ваша самая длинная серия неслучайной до этого подсчёта.
  4. Возьмите бытовое событие, которое случается с вами примерно раз в год: поломка, опоздание рейса, потерянный документ. Оцените его вероятность за один день (порядка 1/365) и посчитайте по правилу дополнения вероятность хотя бы одного случая за 30 дней и за год. Сравните с тем, сколько раз оно действительно случилось.
  5. Найдите в новости, отчёте или рекламе утверждение, где вероятности перемножены или где сказано «вероятность такого совпадения ничтожна». Напишите одно предложение: какое допущение о независимости там сделано и какая общая причина могла бы его нарушить.

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1

Бросают две игральные кости. Какова вероятность, что хотя бы на одной выпадет шестёрка?

  • 1/3: по 1/6 на каждую кость, вероятности складываются
  • 1/36: нужно, чтобы шестёрка выпала на обеих костях
  • 11/36: единица минус 25/36
  • 1/6: вторая кость шансов не добавляет
Вопрос 2

Синоптик объявил вероятность дождя 30 %, и дождь пошёл. Что из этого следует?

  • Прогноз был верен: 30 % это немало
  • Вероятность надо было объявить выше 50 %
  • Ничего: одно наблюдение прогноз не проверяет
  • Прогноз был неверен, раз событие произошло
Вопрос 3

Операция отказывает с вероятностью 0,01, отказы независимы, за квартал выполняется 100 операций. Вероятность хотя бы одного отказа за квартал:

  • около 0,01
  • около 0,10
  • ровно 1,0
  • около 0,63
Вопрос 4

В отчёте о надёжности сказано: «Одновременный отказ обеих систем имеет вероятность 0,0001, то есть практически исключён». Какой вопрос здесь главный?

  • На каком основании отказы считаются независимыми
  • Достаточно ли точно измерена вероятность 0,01 для каждой системы
  • Сколько всего систем в установке
  • Не округлили ли 0,0001 в меньшую сторону
Вопрос 5

Игрок выиграл шесть ставок подряд и объявляет, что нащупал систему. Что можно сказать?

  • Шесть подряд слишком маловероятны, чтобы быть случайностью: такая серия встречается реже одного раза на тысячу игроков
  • Серия сама по себе не свидетельство: такие серии случайность даёт регулярно
  • Вопрос неразрешим: вероятности здесь неприменимы
  • Вероятность выигрыша на седьмой ставке теперь ниже: длинные серии редки, и каждая следующая ставка выравнивает счёт

Ответы и разбор открываются в самопроверке урока: она считает результат и отмечает урок пройденным. Пройти самопроверку.

Что читать

  • MIT 18.05, конспекты занятий 1-2: Комбинаторика и основы вероятности с задачами и решениями. Разбираются те же правила, но строже и с большим числом упражнений.
  • Blitzstein, Hwang, «Introduction to Probability», probabilitybook.net: Первые две главы: пространство исходов, аксиомы, независимость. Учебник открыт бесплатно.
Все курсы и разделы школы
Фонтум

Открытая школа: университетские программы и практикумы на русском. Целиком, бесплатно, без регистрации.

Курс «Основы статистики»

ВАШ СЛЕДУЮЩИЙ ВОПРОС

Что хотите понять?