Chương 5 · Phép đếm & Xác suất

第だい5章しょう 場合ばあいの数かずと確率かくりつ — Phép đếm & Xác suất

Bài toán quen thuộc của đời sống lên đề thi. Quy tắc cộng – nhân, hoán vị, tổ hợp, xác suất cổ điển, kỳ vọng — luyện kỹ "dịch đề" để chọn đúng công thức.
15

§1 Quy tắc đếm cơ bản (場合ばあいの数かずの基本きほん) Quy tắc cộng & quy tắc nhân — hai "định luật cơ bản" của phép đếm

Quy tắc CỘNG (和わの法則ほうそく)

Nếu có thể thực hiện công việc theo cách $A$ ($m$ kiểu) hoặc cách $B$ ($n$ kiểu), không trùng nhau, thì tổng số cách: $m + n$.

Từ khóa nhận biết: "hoặc", "cách A hoặc cách B".

Quy tắc NHÂN (積せきの法則ほうそく)

Nếu công việc gồm hai công đoạn liên tiếp $A$ rồi $B$, công đoạn $A$ có $m$ cách, ứng với mỗi cách của $A$, công đoạn $B$ có $n$ cách, thì tổng số cách: $m \times n$.

Từ khóa nhận biết: "và rồi", "thực hiện liên tiếp".

VÍ DỤ 1 Đếm số tự nhiên
Từ các chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, lập được bao nhiêu số tự nhiên: a) có 3 chữ số khác nhau; b) có 3 chữ số khác nhau và chia hết cho 5?
LỜI GIẢI
a) Chữ số hàng trăm $\ne 0$: 5 cách. Hàng chục: 5 cách còn lại. Hàng đơn vị: 4 cách. Tổng = $5 \cdot 5 \cdot 4 = 100$ số.
b) Chia hết cho 5 ⟹ chữ số cuối là $0$ hoặc $5$.
• Cuối là 0: hàng trăm 5 cách, hàng chục 4 cách → $5 \cdot 4 = 20$.
• Cuối là 5: hàng trăm $\ne 0,5$: 4 cách, hàng chục: 4 cách → $4 \cdot 4 = 16$.
Tổng = $20 + 16 = 36$ số.
a) 100 số;   b) 36 số.

Tự học và luyện tập

Đọc phương pháp, làm ví dụ rồi tự giải bài tập trước khi mở lời giải.

Chọn quy tắc cộng hay quy tắc nhân

Phân biệt và áp dụng chính xác quy tắc cộng, quy tắc nhân và quy tắc lấy phần bù trong các bài toán đếm.

Quy tắc cộng dùng cho các trường hợp rời nhau: một cách làm chỉ thuộc một trường hợp. Quy tắc nhân dùng cho các bước liên tiếp: bước đầu có $n_1$ lựa chọn; với mỗi lựa chọn trước đó, bước tiếp theo luôn có $n_2$ lựa chọn, rồi $n_3$, … Khi đó số cách hoàn thành là $n_1n_2n_3\cdots$. Các lựa chọn cụ thể có thể thay đổi; điều cần giữ cố định trong một nhánh là số lựa chọn ở mỗi bước.

Khi các trường hợp có số cách chọn ở các bước tiếp theo khác nhau, ta phải chia nhánh: tính số cách bằng quy tắc nhân trong từng nhánh rồi cộng các kết quả lại. Lưu ý các điều kiện ràng buộc đặc biệt như chữ số hàng cao nhất của một số tự nhiên không được bằng $0$, hoặc chữ số tận cùng của số chẵn phải thuộc $\{0, 2, 4, 6, 8\}$.

Quy tắc lấy phần bù được dùng khi việc đếm trực tiếp các trường hợp thỏa mãn quá phức tạp hoặc chứa điều kiện 'ít nhất một'. Số trường hợp thỏa mãn điều kiện bằng tổng số trường hợp có thể có trừ đi số trường hợp không thỏa mãn điều kiện, với điều kiện mọi trường hợp đều được xác định rõ ràng và không tính trùng.

Cách làm

  1. Bước 1: Phân tích bài toán để xác định công việc cần thực hiện theo các phương án rời nhau hay các công đoạn nối tiếp, đồng thời liệt kê các điều kiện ràng buộc (chữ số khác $0$, tính chẵn/lẻ, chữ số khác nhau, ký tự lặp hay không lặp).
  2. Bước 2: Nếu bài toán chia thành các trường hợp rời nhau, tính số cách của từng trường hợp rồi áp dụng quy tắc cộng. Nếu công việc gồm nhiều bước liên tiếp, tính số cách chọn ở từng bước rồi áp dụng quy tắc nhân. Nếu gặp điều kiện 'ít nhất một', xem xét áp dụng quy tắc lấy phần bù.
  3. Bước 3: Thực hiện tính toán số học, kiểm tra các trường hợp đã đếm có bỏ sót hay tính trùng không, và đảm bảo mọi điều kiện của đề bài đều được thỏa mãn.

Ví dụ có lời giải

Có 2 đường đi từ A đến B, 3 đường đi từ B đến C và 1 đường đi thẳng từ A đến C. Chỉ đi từ A đến C trực tiếp hoặc qua B một lần. Có bao nhiêu cách chọn lộ trình?

  1. Tính số lộ trình đi từ A đến C qua điểm B bằng quy tắc nhân.

    $$2 \cdot 3 = 6$$
  2. Xác định số lộ trình đi trực tiếp từ A đến C.

    $$1$$
  3. Cộng số cách của hai phương án rời nhau để tìm tổng số lộ trình.

    $$2 \cdot 3 + 1 = 7$$
Kết quả
$$2\cdot3+1=7$$

Tự kiểm tra: Hai nhóm lộ trình (qua B và trực tiếp) hoàn toàn rời nhau với số cách lần lượt là 6 và 1, vậy tổng số lộ trình là $6 + 1 = 7$.

Lỗi cần tránh: Nhân tất cả các số $(2 \cdot 3 \cdot 1 = 6)$ do nhầm lẫn đường đi trực tiếp là một giai đoạn nối tiếp thay vì một phương án rời nhau.

Bài tự luyện 01 Cơ bản

Một kệ có 4 sách Toán khác nhau và 3 sách Vật lý khác nhau. Chọn đúng một quyển từ kệ. Có bao nhiêu cách chọn?

Gợi ý

Việc chọn một quyển sách Toán và chọn một quyển sách Vật lý là hai phương án rời nhau.

Lời giải từng bước
  1. Xác định số cách chọn một quyển sách Toán từ 4 quyển sách Toán phân biệt.

    $$4$$
  2. Xác định số cách chọn một quyển sách Vật lý từ 3 quyển sách Vật lý phân biệt.

    $$3$$
  3. Áp dụng quy tắc cộng cho hai phương án rời nhau không trùng nhau để tìm tổng số cách chọn.

    $$4 + 3 = 7$$
Kết quả
$$7$$

Tự kiểm tra: Tổng số sách trên kệ là 7 quyển phân biệt, chọn 1 quyển bất kỳ có đúng 7 cách chọn.

Lỗi cần tránh: Nhân hai số $4 \cdot 3 = 12$ do nhầm lẫn chọn 1 quyển sách với việc chọn đồng thời 1 sách Toán và 1 sách Vật lý.

Bài tự luyện 02 Cơ bản

Có 3 áo khác nhau và 2 quần khác nhau. Chọn một áo và một quần. Có bao nhiêu bộ?

Gợi ý

Việc chọn một bộ gồm hai công đoạn liên tiếp: chọn áo rồi chọn quần.

Lời giải từng bước
  1. Xác định số cách chọn 1 chiếc áo từ 3 chiếc áo phân biệt.

    $$3$$
  2. Xác định số cách chọn 1 chiếc quần từ 2 chiếc quần phân biệt.

    $$2$$
  3. Áp dụng quy tắc nhân cho hai công đoạn nối tiếp để tìm tổng số bộ trang phục.

    $$3 \cdot 2 = 6$$
Kết quả
$$3\cdot2=6$$

Tự kiểm tra: Mỗi áo trong số 3 áo có thể kết hợp với đúng 2 quần, cho ta $3 \times 2 = 6$ bộ phân biệt.

Lỗi cần tránh: Cộng hai số $3 + 2 = 5$ do áp dụng nhầm quy tắc cộng cho các công đoạn liên tiếp.

Bài tự luyện 03 Cơ bản

Có 3 đường từ A đến B, 2 đường từ B đến C và 4 đường thẳng từ A đến C. Chỉ đi trực tiếp hoặc qua B một lần. Có bao nhiêu lộ trình?

Gợi ý

Chia thành hai trường hợp không giao nhau: đi từ A đến C qua B, và đi trực tiếp từ A đến C.

Lời giải từng bước
  1. Tính số lộ trình đi qua B bằng quy tắc nhân.

    $$3 \cdot 2 = 6$$
  2. Xác định số lộ trình đi trực tiếp từ A đến C.

    $$4$$
  3. Cộng số lộ trình của hai phương án rời nhau.

    $$3 \cdot 2 + 4 = 10$$
Kết quả
$$3\cdot2+4=10$$

Tự kiểm tra: Phương án đi qua B có $3 \cdot 2 = 6$ lộ trình, phương án trực tiếp có 4 lộ trình, hai phương án không trùng nhau nên tổng là $6 + 4 = 10$.

Lỗi cần tránh: Nhân tất cả các số $(3 \cdot 2 \cdot 4 = 24)$ do không phân biệt được công đoạn nối tiếp và trường hợp rời nhau.

Bài tự luyện 04 Cơ bản

Từ các chữ số 0, 1, 2, 3, 4, lập được bao nhiêu số tự nhiên có 3 chữ số đôi một khác nhau?

Gợi ý

Chọn chữ số hàng trăm trước (phải khác 0), sau đó chọn chữ số hàng chục và hàng đơn vị từ các chữ số còn lại.

Lời giải từng bước
  1. Chọn chữ số hàng trăm từ $\{1, 2, 3, 4\}$ (không được chọn $0$).

    $$4$$
  2. Chọn chữ số hàng chục từ 4 chữ số còn lại (bao gồm chữ số $0$).

    $$4$$
  3. Chọn chữ số hàng đơn vị từ 3 chữ số còn lại và nhân các công đoạn.

    $$4 \cdot 4 \cdot 3 = 48$$
Kết quả
$$4\cdot4\cdot3=48$$

Tự kiểm tra: Hàng trăm có 4 cách chọn, hàng chục có 4 cách, hàng đơn vị có 3 cách; tích $4 \cdot 4 \cdot 3 = 48$ đảm bảo các chữ số đôi một khác nhau và chữ số đầu khác 0.

Lỗi cần tránh: Tính $5 \cdot 4 \cdot 3 = 60$ do quên điều kiện chữ số hàng trăm không được bằng $0$.

Bài tự luyện 05 Vận dụng

Từ các chữ số 0, 1, 2, 3, 4, lập được bao nhiêu số chẵn có 3 chữ số đôi một khác nhau?

Gợi ý

Chia làm hai trường hợp dựa theo chữ số hàng đơn vị: hàng đơn vị bằng 0 và hàng đơn vị thuộc {2, 4}.

Lời giải từng bước
  1. Trường hợp 1: Chữ số hàng đơn vị là $0$ (1 cách). Hàng trăm có 4 cách chọn từ $\{1, 2, 3, 4\}$, hàng chục có 3 cách chọn.

    $$4 \cdot 3 = 12$$
  2. Trường hợp 2: Chữ số hàng đơn vị thuộc $\{2, 4\}$ (2 cách). Hàng trăm có 3 cách chọn (khác $0$ và khác đơn vị), hàng chục có 3 cách chọn.

    $$2 \cdot 3 \cdot 3 = 18$$
  3. Cộng số cách của cả hai trường hợp rời nhau.

    $$4 \cdot 3 + 2 \cdot 3 \cdot 3 = 30$$
Kết quả
$$4\cdot3+2\cdot3\cdot3=30$$

Tự kiểm tra: Trường hợp tận cùng 0 cho 12 số, tận cùng 2 hoặc 4 cho 18 số; tổng cộng $12 + 18 = 30$ số chẵn thỏa mãn.

Lỗi cần tránh: Không chia trường hợp hàng đơn vị bằng $0$, dẫn đến việc tính sai số cách chọn chữ số hàng trăm.

Bài tự luyện 06 Cơ bản

Mã gồm 3 ký tự, mỗi ký tự thuộc A, B, C, D; được phép lặp ký tự. Có bao nhiêu mã?

Gợi ý

Mỗi vị trí trong 3 vị trí của mã đều có 4 lựa chọn độc lập vì cho phép lặp ký tự.

Lời giải từng bước
  1. Xác định số cách chọn ký tự cho vị trí thứ nhất từ tập $\{A, B, C, D\}$.

    $$4$$
  2. Do cho phép lặp ký tự, vị trí thứ hai và vị trí thứ ba mỗi vị trí đều có 4 cách chọn.

    $$4$$
    $$4$$
  3. Áp dụng quy tắc nhân cho 3 vị trí độc lập để tính tổng số mã.

    $$4^3 = 64$$
Kết quả
$$4^3=64$$

Tự kiểm tra: Ba vị trí độc lập, mỗi vị trí có 4 khả năng chọn, số mã là $4 \cdot 4 \cdot 4 = 4^3 = 64$.

Lỗi cần tránh: Nhầm lẫn với trường hợp không được lặp ký tự và tính $4 \cdot 3 \cdot 2 = 24$.

Bài tự luyện 07 Vận dụng

Từ các chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, lập được bao nhiêu số có 3 chữ số đôi một khác nhau và chia hết cho 5?

Gợi ý

Số chia hết cho 5 có chữ số hàng đơn vị là 0 hoặc 5. Chia bài toán thành hai trường hợp tương ứng.

Lời giải từng bước
  1. Trường hợp 1: Chữ số hàng đơn vị là $0$ (1 cách). Hàng trăm có 6 cách chọn từ $\{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$, hàng chục có 5 cách chọn.

    $$6 \cdot 5 = 30$$
  2. Trường hợp 2: Chữ số hàng đơn vị là $5$ (1 cách). Hàng trăm có 5 cách chọn (khác $0$ và $5$), hàng chục có 5 cách chọn.

    $$5 \cdot 5 = 25$$
  3. Cộng số cách của hai trường hợp rời nhau.

    $$6 \cdot 5 + 5 \cdot 5 = 55$$
Kết quả
$$6\cdot5+5\cdot5=55$$

Tự kiểm tra: Tận cùng bằng 0 có $6 \cdot 5 = 30$ số, tận cùng bằng 5 có $5 \cdot 5 = 25$ số; tổng cộng có $30 + 25 = 55$ số chia hết cho 5.

Lỗi cần tránh: Không chia hai trường hợp $0$ và $5$, dẫn đến chọn sai số cách ở hàng trăm cho trường hợp tận cùng bằng $5$.

Bài tự luyện 08 Vận dụng

Mã gồm 3 ký tự thuộc A, B, C, D; được lặp ký tự. Có bao nhiêu mã chứa ít nhất một chữ A?

Gợi ý

Sử dụng quy tắc lấy phần bù: lấy tổng số mã có thể tạo thành trừ đi số mã không chứa chữ A nào.

Lời giải từng bước
  1. Tính tổng số mã gồm 3 ký tự từ $\{A, B, C, D\}$ khi được phép lặp.

    $$4^3 = 64$$
  2. Tính số mã không chứa chữ A nào (chỉ sử dụng các ký tự $\{B, C, D\}$).

    $$3^3 = 27$$
  3. Lấy tổng số mã trừ đi số mã không chứa chữ A để được số mã chứa ít nhất một chữ A.

    $$4^3 - 3^3 = 37$$
Kết quả
$$4^3-3^3=37$$

Tự kiểm tra: Tổng số mã là 64, số mã không có A là 27; hiệu $64 - 27 = 37$ chính là số mã chứa ít nhất một chữ A.

Lỗi cần tránh: Đếm trực tiếp các trường hợp 1 chữ A, 2 chữ A, 3 chữ A nhưng tính trùng vị trí hoặc bỏ sót hoán vị.

Bài tập do Trí Lữ biên soạn.

16

§2 Hoán vị – Chỉnh hợp – Tổ hợp (順列じゅんれつ・組合くみあわせ) Công thức $P, A, C$ và các biến thể: lặp, vòng tròn, có ràng buộc

Hoán vị (順列じゅんれつ) — Sắp xếp $n$ phần tử khác nhau
$P_n = n! = 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdots n$

Quy ước: $0! = 1$.

Chỉnh hợp chập $k$ của $n$ (順列じゅんれつ ${}_nP_k$) — Chọn $k$, sắp thứ tự
${}_nP_k = A_n^k = \dfrac{n!}{(n-k)!} = n(n-1)(n-2)\cdots(n-k+1)$
Tổ hợp chập $k$ của $n$ (組合くみあわせ ${}_nC_k$) — Chọn $k$, không sắp thứ tự
${}_nC_k = \binom{n}{k} = \dfrac{n!}{k!(n-k)!}$

Tính chất: $\binom{n}{k} = \binom{n}{n-k}$; $\binom{n}{0} = \binom{n}{n} = 1$; $\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \binom{n+1}{k+1}$ (Pascal).

Các biến thể quan trọng

Hoán vị vòng tròn (円えん順列じゅんれつ): $n$ phần tử quanh bàn tròn: $(n-1)!$ cách.

Hoán vị có lặp (重複ちょうふく順列じゅんれつ): $n^r$ cách (chọn $r$ từ $n$ loại, có lặp).

Tổ hợp có lặp (重複ちょうふく組合くみあわせ): ${}_nH_k = \binom{n+k-1}{k}$.

Hoán vị các phần tử có lặp: $\dfrac{n!}{n_1! \, n_2! \cdots n_k!}$ (với $n_i$ là số lần lặp loại $i$).

VÍ DỤ 1 Bài toán xếp chỗ có ràng buộc
Có 5 nam và 4 nữ xếp thành hàng ngang. Tính số cách xếp sao cho: a) tuỳ ý; b) nam – nữ đứng xen kẽ; c) nhóm nữ luôn đứng cạnh nhau.
LỜI GIẢI
a) $9! = 362\,880$.
b) 5 nam và 4 nữ xen kẽ → phải nam-nữ-nam-...-nam (vị trí 1,3,5,7,9 là nam): $5! \cdot 4! = 120 \cdot 24 = 2\,880$.
c) "Buộc" 4 nữ thành 1 khối → có $6! \cdot 4! = 720 \cdot 24 = 17\,280$.
a) 362880; b) 2880; c) 17280.
VÍ DỤ 2 Tổ hợp – chọn ban
Lớp có 20 học sinh (12 nữ, 8 nam). Chọn ban cán sự 5 người. Tính số cách:
a) tuỳ ý; b) có ít nhất 1 nam; c) gồm 3 nữ và 2 nam.
LỜI GIẢI
a) $\binom{20}{5} = 15\,504$.
b) Phần bù: tổng - (toàn nữ) = $15504 - \binom{12}{5} = 15504 - 792 = 14\,712$.
c) $\binom{12}{3} \cdot \binom{8}{2} = 220 \cdot 28 = 6\,160$.
a) 15504; b) 14712; c) 6160.
Cách phân biệt "Chỉnh hợp" vs "Tổ hợp": Hỏi "có để ý thứ tự không?"
• Có (xếp hàng, thứ tự đến) → ${}_nP_k$.
• Không (chọn ban, chọn nhóm) → ${}_nC_k$.
Mẹo: ${}_nP_k = {}_nC_k \cdot k!$ (chọn rồi xếp $k$ phần tử đã chọn).

Bài tập tự luyện — Bài 16

16.1. Có 7 viên bi khác nhau xếp quanh 1 vòng tròn. Tính số cách xếp.
Hoán vị vòng tròn: $(7-1)! = 720$.
16.2. Đếm số đường đi ngắn nhất từ $(0,0)$ đến $(5,4)$ trên lưới ô vuông (chỉ đi phải hoặc lên).
Số bước = 9, trong đó 5 bước "phải" + 4 bước "lên" → số đường = $\binom{9}{5} = 126$.
16.3. Có bao nhiêu cách chia 12 quả bóng giống nhau vào 4 cái hộp khác nhau (cho phép hộp rỗng)?
Bài toán "sao-vạch" (stars & bars): $\binom{12+4-1}{4-1} = \binom{15}{3} = 455$.
17

§3 確率かくりつの基本きほん — Xác suất cổ điển & tính chất cơ bản Không gian mẫu, biến cố, xác suất, phần bù, hợp, giao

Khái niệm cơ bản

Phép thử (試行しこう): hành động có nhiều kết quả không đoán trước được.

Không gian mẫu $\Omega$ (標本ひょうほん空間くうかん): tập tất cả kết quả có thể.

Biến cố $A$ (事象じしょう): tập con của $\Omega$.

Xác suất cổ điển: nếu các kết quả đồng khả năng:

$P(A) = \dfrac{|A|}{|\Omega|} = \dfrac{\text{số kết quả thuận lợi}}{\text{tổng số kết quả}}$

Tính chất: $0 \le P(A) \le 1$; $P(\varnothing) = 0$; $P(\Omega) = 1$.

Các công thức xác suất
$P(\overline{A}) = 1 - P(A)$   (xác suất phần bù)
$P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)$

Nếu $A, B$ xung khắc ($A \cap B = \varnothing$): $P(A \cup B) = P(A) + P(B)$.

Nếu $A, B$ độc lập: $P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)$.

Không gian mẫu: 6×6 = 36 kết quả D2↓ D1→ 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 11 6 7 8 9 10 11 12 đỏ: tổng = 7 (6 cách) · xanh: tổng ≥ 10 (6 cách) Bảng 36 kết quả khi tung 2 xúc xắc.
VÍ DỤ 1 Tung 2 con xúc xắc
Tung 2 con xúc xắc cân đối. Tính xác suất: a) tổng = 7; b) tổng $\ge 10$; c) ít nhất 1 con ra mặt 6.
LỜI GIẢI
B0 $|\Omega| = 6 \times 6 = 36$.
a) Tổng = 7: $(1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1)$ — 6 cách. $P = \dfrac{6}{36} = \dfrac{1}{6}$.
b) Tổng $\ge 10$: tổng = 10, 11, 12. Đếm: $3 + 2 + 1 = 6$ cách. $P = \dfrac{1}{6}$.
c) Phần bù: không có mặt 6 → mỗi con có 5 cách → $5^2 = 25$. $P = 1 - \dfrac{25}{36} = \dfrac{11}{36}$.
a) $\dfrac{1}{6}$; b) $\dfrac{1}{6}$; c) $\dfrac{11}{36}$.

Tự học và luyện tập

Đọc phương pháp, làm ví dụ rồi tự giải bài tập trước khi mở lời giải.

Không gian mẫu và kết quả đồng khả năng

Xác định không gian mẫu và tính xác suất cổ điển khi các kết quả sơ cấp đồng khả năng.

Không gian mẫu $\Omega$ là tập hợp tất cả các kết quả sơ cấp có thể xảy ra của một phép thử.

Công thức xác suất cổ điển $P(A) = \frac{|A|}{|\Omega|}$ chỉ áp dụng khi mọi kết quả sơ cấp trong $\Omega$ đều đồng khả năng.

Khi xét nhiều đối tượng (như tung hai xúc xắc hoặc hai đồng xu), ta phải phân biệt thứ tự hoặc phân biệt từng phần tử để đảm bảo tính đồng khả năng.

Cách làm

  1. Liệt kê hoặc đếm tổng số kết quả sơ cấp $|\Omega|$ sao cho mỗi kết quả đều đồng khả năng.
  2. Xác định và đếm số kết quả thuận lợi $|A|$ cho biến cố A.
  3. Tính tỉ số $P(A) = \frac{|A|}{|\Omega|}$ và rút gọn phân số.

Ví dụ có lời giải

Tung hai đồng xu cân đối, độc lập. Tính xác suất cả hai đều ngửa.

  1. Ký hiệu N là ngửa, S là sấp. Hai đồng xu cho bốn kết quả đồng khả năng: NN, NS, SN, SS.

    $$|\Omega| = 4$$
  2. Xác định số kết quả thuận lợi cho biến cố cả hai đồng xu đều ngửa.

    $$|A| = 1$$
  3. Tính xác suất bằng cách chia số kết quả thuận lợi cho tổng số kết quả sơ cấp.

    $$P(A) = \frac{|A|}{|\Omega|} = \frac{1}{4}$$
Kết quả
$$\frac14$$

Tự kiểm tra: Vì hai đồng xu độc lập, xác suất cả hai ngửa bằng tích xác suất từng đồng xu ngửa: $\frac{1}{2} \times \frac{1}{2} = \frac{1}{4}$.

Lỗi cần tránh: Nhầm lẫn rằng số mặt ngửa có 3 khả năng (0, 1, 2) và coi chúng đồng khả năng, dẫn đến xác suất sai $\frac{1}{3}$.

Bài tự luyện 01 Cơ bản

Tung một xúc xắc cân đối có các mặt từ 1 đến 6. Tính xác suất số xuất hiện là số nguyên tố.

Gợi ý

Số nguyên tố là số tự nhiên lớn hơn 1 chỉ có hai ước là 1 và chính nó. Chú ý số 1 không phải số nguyên tố.

Lời giải từng bước
  1. Xác định tổng số kết quả có thể xảy ra khi tung xúc xắc.

    $$|\Omega| = 6$$
  2. Liệt kê các mặt là số nguyên tố từ 1 đến 6.

    $$A = \{2, 3, 5\}$$
    $$|A| = 3$$
  3. Tính xác suất để xuất hiện số nguyên tố.

    $$P(A) = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}$$
Kết quả
$$\frac12$$

Tự kiểm tra: Các số không phải nguyên tố là $\{1, 4, 6\}$ (gồm 3 số). Xác suất ra số không nguyên tố là $\frac{3}{6} = \frac{1}{2}$, vậy xác suất ra số nguyên tố là $1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2}$.

Lỗi cần tránh: Coi số 1 là số nguyên tố, tính sai số kết quả thuận lợi thành 4 ($S = \{1, 2, 3, 5\}$) dẫn đến kết quả sai $\frac{4}{6} = \frac{2}{3}$.

Bài tự luyện 02 Cơ bản

Tung hai đồng xu cân đối, độc lập. Tính xác suất có đúng một mặt ngửa.

Gợi ý

Xác định các chuỗi kết quả có đúng một mặt ngửa trong không gian mẫu 4 kết quả.

Lời giải từng bước
  1. Ký hiệu N là ngửa, S là sấp. Hai đồng xu cho bốn kết quả đồng khả năng: NN, NS, SN, SS.

    $$|\Omega| = 4$$
  2. Xác định các kết quả thuận lợi có đúng một mặt ngửa (gồm kết quả NS và SN).

    $$|A| = 2$$
  3. Tính xác suất xuất hiện đúng một mặt ngửa.

    $$P(A) = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}$$
Kết quả
$$\frac12$$

Tự kiểm tra: Các trường hợp còn lại là cả hai ngửa (1) hoặc cả hai sấp (1), tổng xác suất bằng $1 - \left(\frac{1}{4} + \frac{1}{4}\right) = \frac{1}{2}$.

Lỗi cần tránh: Chỉ đếm 1 trường hợp ngửa (bỏ sót tính thứ tự của hai đồng xu) dẫn đến xác suất sai $\frac{1}{4}$.

Bài tự luyện 03 Cơ bản

Tung hai xúc xắc cân đối, độc lập và phân biệt được. Tính xác suất tổng số chấm bằng 8.

Gợi ý

Liệt kê tất cả các cặp số $(x, y)$ có tổng bằng 8 với $1 \le x, y \le 6$.

Lời giải từng bước
  1. Tính tổng số kết quả sơ cấp đồng khả năng khi tung hai xúc xắc phân biệt.

    $$|\Omega| = 6 \times 6 = 36$$
  2. Liệt kê các cặp $(x, y)$ thỏa mãn $x + y = 8$ với $x, y \in \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$.

    $$A = \{(2,6), (3,5), (4,4), (5,3), (6,2)\}$$
    $$|A| = 5$$
  3. Tính xác suất để tổng số chấm bằng 8.

    $$P(A) = \frac{|A|}{|\Omega|} = \frac{5}{36}$$
Kết quả
$$\frac{5}{36}$$

Tự kiểm tra: Kiểm tra các tổng khác: tổng bằng 7 có 6 cặp, tổng bằng 8 có 5 cặp, giảm dần đối xứng do $x$ chạy từ 2 đến 6.

Lỗi cần tránh: Không phân biệt hai xúc xắc và coi $(2,6)$ với $(6,2)$ là một kết quả, dẫn đến đếm thiếu chỉ còn 3 cặp $\{(2,6), (3,5), (4,4)\}$.

Bài tự luyện 04 Cơ bản

Hộp có 3 viên bi đỏ và 2 viên bi xanh. Các viên có cùng kích thước; mỗi viên có khả năng được chọn như nhau. Rút lần lượt 2 viên không hoàn lại. Tính xác suất cả hai đều đỏ.

Gợi ý

Đánh số 5 viên bi để coi các kết quả là cặp có thứ tự của từng viên bi phân biệt.

Lời giải từng bước
  1. Tính tổng số cách rút 2 viên bi có thứ tự từ 5 viên bi phân biệt.

    $$|\Omega| = 5 \times 4 = 20$$
  2. Tính số cách rút 2 viên bi đỏ có thứ tự từ 3 viên bi đỏ phân biệt.

    $$|A| = 3 \times 2 = 6$$
  3. Tính xác suất cả hai viên bi rút ra đều là màu đỏ.

    $$P(A) = \frac{6}{20} = \frac{3}{10}$$
Kết quả
$$\frac{3}{10}$$

Tự kiểm tra: Lần đầu rút đỏ có xác suất $\frac35$. Nếu lần đầu đã rút đỏ thì hộp còn 2 viên đỏ trong 4 viên, nên xác suất lần sau đỏ khi biết lần đầu đỏ là $\frac24$. Tích $\frac35\cdot\frac24=\frac3{10}$ khớp với cách đếm.

Lỗi cần tránh: Áp dụng sai quy tắc nhân cho các phép thử độc lập thành $\left(\frac{3}{5}\right)^2 = \frac{9}{25}$, quên rằng số bi trong hộp đã giảm sau lần rút đầu tiên.

Phần bù, hợp và tính độc lập

Chọn đúng công thức cho phần bù và hợp; chỉ nhân xác suất khi hai biến cố độc lập.

Xác suất của biến cố phần bù là $P(A^c) = 1 - P(A)$, rất hữu ích khi tính xác suất của biến cố 'có ít nhất một'.

Công thức cộng tổng quát là $P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)$. Nếu A và B xung khắc ($A \cap B = \emptyset$), ta có $P(A \cup B) = P(A) + P(B)$.

Hai biến cố A và B độc lập khi và chỉ khi $P(A \cap B) = P(A)P(B)$. Tính độc lập khác với tính xung khắc; hai biến cố có xác suất dương và xung khắc thì không thể độc lập.

Cách làm

  1. Phân tích mối quan hệ giữa các biến cố: kiểm tra tính xung khắc, tính độc lập hoặc sử dụng biến cố phần bù.
  2. Lựa chọn công thức thích hợp: $P(A^c) = 1 - P(A)$ cho bài toán phần bù, $P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)$ cho biến cố hợp, và $P(A \cap B) = P(A)P(B)$ cho các phép thử độc lập.
  3. Thay các giá trị xác suất đã biết vào công thức và thực hiện tính toán chính xác.
AB24651, 3
Ví dụ: A là số chẵn, B là số lớn hơn 3. Hai số 4 và 6 thuộc cả hai biến cố, nên khi cộng phải trừ phần giao một lần.

Ví dụ có lời giải

Tung một xúc xắc cân đối. Gọi A là biến cố ra số chẵn, B là biến cố ra số lớn hơn 3. Tính xác suất A hoặc B xảy ra.

  1. Liệt kê các kết quả của biến cố A và biến cố B trong không gian mẫu $\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$.

    $$A = \{2, 4, 6\}$$
    $$B = \{4, 5, 6\}$$
  2. Xác định biến cố giao $A \cap B$ gồm các số vừa chẵn vừa lớn hơn 3.

    $$A \cap B = \{4, 6\}$$
  3. Tính xác suất của từng biến cố A, B và $A \cap B$.

    $$P(A) = \frac{3}{6}$$
    $$P(B) = \frac{3}{6}$$
    $$P(A \cap B) = \frac{2}{6}$$
  4. Áp dụng công thức cộng xác suất để tính $P(A \cup B)$.

    $$P(A \cup B) = \frac{3}{6} + \frac{3}{6} - \frac{2}{6} = \frac{2}{3}$$
Kết quả
$$\frac36+\frac36-\frac26=\frac23$$

Tự kiểm tra: Liệt kê trực tiếp tập hợp $A \cup B = \{2, 4, 5, 6\}$ gồm 4 kết quả, cho xác suất $P(A \cup B) = \frac{4}{6} = \frac{2}{3}$.

Lỗi cần tránh: Cộng trực tiếp $P(A) + P(B) = \frac{3}{6} + \frac{3}{6} = 1$ mà quên trừ đi xác suất của biến cố giao $P(A \cap B)$ bị đếm lặp 2 lần.

Bài tự luyện 05 Cơ bản

Tung một xúc xắc cân đối. Tính xác suất số xuất hiện là số chẵn hoặc lớn hơn 4.

Gợi ý

Xác định tập hợp các số chẵn $A = \{2, 4, 6\}$ và tập hợp các số lớn hơn 4 là $B = \{5, 6\}$.

Lời giải từng bước
  1. Xác định biến cố A (ra số chẵn) và biến cố B (ra số lớn hơn 4).

    $$A = \{2, 4, 6\}$$
    $$B = \{5, 6\}$$
  2. Xác định phần giao $A \cap B$ gồm các số vừa chẵn vừa lớn hơn 4.

    $$A \cap B = \{6\}$$
  3. Áp dụng công thức cộng xác suất $P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)$.

    $$P(A \cup B) = \frac{3}{6} + \frac{2}{6} - \frac{1}{6} = \frac{4}{6} = \frac{2}{3}$$
Kết quả
$$\frac23$$

Tự kiểm tra: Tập hợp các kết quả thuận lợi là $A \cup B = \{2, 4, 5, 6\}$ gồm 4 phần tử. Xác suất là $\frac{4}{6} = \frac{2}{3}$.

Lỗi cần tránh: Cộng $P(A) + P(B) = \frac{3}{6} + \frac{2}{6} = \frac{5}{6}$ mà không trừ đi phần giao $\{6\}$ bị đếm lặp 2 lần.

Bài tự luyện 06 Vận dụng

Tung 3 xúc xắc cân đối, độc lập. Tính xác suất có ít nhất một con ra mặt 6.

Gợi ý

Sử dụng biến cố phần bù: tính xác suất để không có con xúc xắc nào ra mặt 6.

Lời giải từng bước
  1. Tính xác suất để một con xúc xắc không ra mặt 6.

    $$1 - \frac{1}{6} = \frac{5}{6}$$
  2. Do 3 xúc xắc độc lập, tính xác suất để cả 3 xúc xắc đều không ra mặt 6.

    $$P(A^c) = \left(\frac{5}{6}\right)^3 = \frac{125}{216}$$
  3. Áp dụng quy tắc biến cố phần bù để tìm xác suất có ít nhất một mặt 6.

    $$P(A) = 1 - P(A^c) = 1 - \left(\frac{5}{6}\right)^3 = \frac{91}{216}$$
Kết quả
$$1-\left(\frac56\right)^3=\frac{91}{216}$$

Tự kiểm tra: Tổng xác suất của biến cố và biến cố phần bù là $\frac{91}{216} + \frac{125}{216} = \frac{216}{216} = 1$.

Lỗi cần tránh: Cộng trực tiếp xác suất ra mặt 6 của từng xúc xắc $\frac{1}{6} + \frac{1}{6} + \frac{1}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}$, quên rằng các biến cố này không xung khắc.

Bài tự luyện 07 Cơ bản

Tung một đồng xu cân đối và một xúc xắc cân đối, độc lập. Tính xác suất đồng xu ngửa và xúc xắc ra số lớn hơn 4.

Gợi ý

Do đồng xu và xúc xắc độc lập, xác suất của biến cố giao bằng tích xác suất của hai biến cố thành phần.

Lời giải từng bước
  1. Gọi A là biến cố đồng xu ngửa. Đồng xu cân đối nên xác suất này bằng một nửa.

    $$P(A)=\frac12$$
  2. Gọi B là biến cố xúc xắc ra số lớn hơn 4. Hai mặt thuận lợi là 5 và 6.

    $$P(B)=\frac26=\frac13$$
  3. Sử dụng quy tắc nhân cho hai biến cố độc lập.

    $$P(A\cap B)=P(A)P(B)=\frac12\cdot\frac26=\frac16$$
Kết quả
$$\frac12\cdot\frac26=\frac16$$

Tự kiểm tra: Không gian mẫu có $2 \times 6 = 12$ kết quả đồng khả năng; các kết quả thuận lợi là (Ngửa, 5) và (Ngửa, 6) gồm 2 kết quả, cho xác suất $\frac{2}{12} = \frac{1}{6}$.

Lỗi cần tránh: Nhầm lẫn quy tắc nhân với quy tắc cộng, tính $P(A) + P(B) = \frac{1}{2} + \frac{2}{6} = \frac{5}{6}$.

Bài tự luyện 08 Vận dụng

Hai biến cố A và B xung khắc, với $P(A)=\frac13$, $P(B)=\frac14$. Tính $P(A\cup B)$ và xét A, B có độc lập không.

Gợi ý

Vì A và B xung khắc nên $A \cap B = \emptyset$ và $P(A \cap B) = 0$. So sánh $P(A \cap B)$ với tích $P(A)P(B)$.

Lời giải từng bước
  1. Do A và B xung khắc, xác suất của biến cố giao $A \cap B$ bằng 0.

    $$P(A \cap B) = 0$$
  2. Tính $P(A \cup B)$ bằng quy tắc cộng cho hai biến cố xung khắc.

    $$P(A \cup B) = P(A) + P(B) = \frac{1}{3} + \frac{1}{4} = \frac{7}{12}$$
  3. Tính tích $P(A)P(B)$ để kiểm tra điều kiện độc lập.

    $$P(A)P(B) = \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{4} = \frac{1}{12}$$
  4. So sánh $P(A \cap B)$ với $P(A)P(B)$ và đưa ra kết luận về tính độc lập.

    $$P(A \cup B) = \frac{7}{12}$$
    $$P(A \cap B) = 0 \ne \frac{1}{12} = P(A)P(B)$$
Kết quả
$$P(A\cup B)=\frac{7}{12},\qquad P(A\cap B)=0\ne\frac1{12}=P(A)P(B)$$

Tự kiểm tra: Vì $P(A) > 0$ và $P(B) > 0$, nếu A và B xung khắc thì $P(A \cap B) = 0 \ne P(A)P(B) > 0$, do đó hai biến cố không thể độc lập.

Lỗi cần tránh: Nhầm lẫn khái niệm xung khắc và độc lập, cho rằng hai biến cố xung khắc thì đương nhiên độc lập.

Bài tập do Trí Lữ biên soạn.

18

§4 独立どくりつ試行しこう・反復はんぷく試行しこう・期待きたい値ち — Phép thử độc lập, lặp lại, Kỳ vọng Công thức Bernoulli, kỳ vọng $E(X)$, biến ngẫu nhiên

Công thức nhị thức xác suất (Bernoulli) (反復はんぷく試行しこうの確率かくりつ)

Phép thử có xác suất thành công $p$ (thất bại $q = 1-p$). Lặp $n$ lần độc lập. Xác suất có đúng $k$ lần thành công:

$P(X = k) = \binom{n}{k} p^k q^{n-k}$
Kỳ vọng (期待きたい値ち)

Với biến ngẫu nhiên $X$ nhận giá trị $x_1, x_2, \dots, x_n$ với xác suất $p_1, p_2, \dots, p_n$:

$E(X) = \sum_{i=1}^n x_i p_i$

Tính chất: $E(aX + b) = a E(X) + b$; $E(X+Y) = E(X) + E(Y)$.

Phân phối nhị thức $X \sim B(n, p)$: $E(X) = np$.

VÍ DỤ 1 Bernoulli
Một xạ thủ bắn 5 phát, mỗi phát trúng với xác suất 0.7. Tính xác suất: a) trúng đúng 3 phát; b) trúng ít nhất 1 phát.
LỜI GIẢI
a) $P(X=3) = \binom{5}{3}(0.7)^3 (0.3)^2 = 10 \cdot 0.343 \cdot 0.09 = 0.3087$.
b) $P(X \ge 1) = 1 - P(X=0) = 1 - (0.3)^5 = 1 - 0.00243 = 0.99757$.
a) ≈ 0.3087;   b) ≈ 0.9976.
VÍ DỤ 2 Kỳ vọng
Trò chơi: bốc 1 lá bài từ bộ 52 lá. Nếu là Át: được 100k; nếu là J, Q, K: được 50k; lá khác: mất 20k. Tính tiền lãi/lỗ trung bình mỗi lần chơi.
LỜI GIẢI
B1 $P(\text{Át}) = \dfrac{4}{52}$, $P(\text{J,Q,K}) = \dfrac{12}{52}$, $P(\text{khác}) = \dfrac{36}{52}$.
B2 $E(X) = 100 \cdot \dfrac{4}{52} + 50 \cdot \dfrac{12}{52} - 20 \cdot \dfrac{36}{52} = \dfrac{400 + 600 - 720}{52} = \dfrac{280}{52} \approx 5.38$ (ngàn đồng).
Trung bình lãi $\approx 5.38$k đồng / lượt.
Khi đề hỏi "ít nhất một...", dùng phần bù. Khi đề hỏi "lặp lại $n$ lần độc lập" → dùng Bernoulli. Khi đề có "trung bình", "kỳ vọng", "giá trị mong đợi" → dùng $E(X) = \sum x_i p_i$.
VÍ DỤ 3 Bài toán Monty Hall (kinh điển)
Có 3 cánh cửa: 1 cửa có ô tô, 2 cửa có dê. Bạn chọn 1 cửa. Người dẫn (biết câu trả lời) mở 1 trong 2 cửa còn lại có dê. Bạn nên giữ nguyên hay đổi sang cửa còn lại?
LỜI GIẢI (gây bất ngờ)
B1 Ban đầu, xác suất chọn đúng ô tô = $\dfrac{1}{3}$; chọn dê = $\dfrac{2}{3}$.
B2 Giữ nguyên: Xác suất thắng = $\dfrac{1}{3}$ (vẫn là ban đầu).
B3 Đổi cửa: Bạn thắng ⟺ ban đầu chọn dê (xác suất $\dfrac{2}{3}$), khi đó người dẫn loại đi con dê còn lại → cửa còn lại là ô tô.
Đổi cửa! Xác suất thắng = $\dfrac{2}{3}$ — gấp đôi so với giữ nguyên.
VÍ DỤ 4 Nghịch lý ngày sinh
Trong một lớp có $n$ người, tính xác suất có ít nhất 2 người trùng ngày sinh. Tìm $n$ nhỏ nhất để xác suất này > 50%.
LỜI GIẢI
B1 Xét bù: $P(\text{không trùng}) = \dfrac{365 \cdot 364 \cdots (365-n+1)}{365^n}$.
B2 $P(\text{trùng}) = 1 - P(\text{không trùng})$.
B3 Thử nghiệm: $n = 22$: $P \approx 47.6\%$. $n = 23$: $P \approx 50.7\%$.
$n = 23$ — chỉ cần 23 người để xác suất trùng > 50% (kết quả gây bất ngờ).

Bài tập tự luyện — Bài 18

18.1. Tung 1 đồng xu 10 lần. Tính xác suất được đúng 6 mặt ngửa.
$P = \binom{10}{6}(0.5)^{10} = 210/1024 = 105/512 \approx 0.205$.
18.2. Một hộp có 5 bi đỏ, 3 bi xanh. Lấy ngẫu nhiên 2 bi. Gọi $X$ là số bi đỏ. Tính $E(X)$.
$X \in \{0, 1, 2\}$.
$P(X=0) = \dfrac{\binom{3}{2}}{\binom{8}{2}} = \dfrac{3}{28}$; $P(X=1) = \dfrac{5\cdot 3}{28} = \dfrac{15}{28}$; $P(X=2) = \dfrac{10}{28}$.
$E(X) = 0 \cdot \dfrac{3}{28} + 1 \cdot \dfrac{15}{28} + 2 \cdot \dfrac{10}{28} = \dfrac{35}{28} = \dfrac{5}{4}$.