ม.ปลาย · 35 นาที

การแจกแจงความน่าจะเป็น: ตัวแปรสุ่ม ค่าคาดหมาย และความแปรปรวน

ทดลองหมุนวงล้อ โยนเหรียญ และทอดลูกเต๋า เพื่อเรียนรู้ตัวแปรสุ่ม X การแจกแจงความน่าจะเป็น P(X = x) ความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ ค่าคาดหมาย E(X) และความแปรปรวน V(X) เทียบผลทดลองกับค่าทางทฤษฎี ฝึกโจทย์ และออกแบบแผ่นงานหรือชุดข้อสอบจากบอร์ดเดียวกัน

ปกด้านในบทการแจกแจงความน่าจะเป็น มีชื่อบทและหัวข้อย่อยตัวแปรสุ่ม ค่าคาดหมาย ความแปรปรวน พร้อมลูกเต๋า วงล้อ 4 ช่อง เหรียญ และกราฟแท่ง โดยมีคุณครูยืนชี้นิ้วขึ้นอยู่ทางขวาของภาพ

ตัวแปรสุ่มและการแจกแจงความน่าจะเป็น

ตัวแปรสุ่ม X คือค่าตัวเลขที่ได้จากการทดลองสุ่ม เช่น เลขที่เข็มชี้บนวงล้อ แต้มบนลูกเต๋า หรือจำนวนเหรียญที่ออกหัว ตัวแปรสุ่มที่ค่าเป็นไปได้นับได้ เช่น 1, 2, 3, … เรียกว่าตัวแปรสุ่มไม่ต่อเนื่อง การแจกแจงความน่าจะเป็นบอกว่า X มีค่าแต่ละค่าด้วยความน่าจะเป็นเท่าใด เขียนเป็น P(X = x) ทุกค่าต้องไม่ติดลบ และเมื่อรวมกันทุกค่าแล้วต้องได้ 1 เสมอ

ตัวอย่าง

วงล้อ 4 ช่องเท่ากัน เลข 1, 2, 3, 4 ให้ X คือเลขที่เข็มชี้ P(X = 1) = P(X = 2) = P(X = 3) = P(X = 4) = 14 และ 14 + 14 + 14 + 14 = 1

อินโฟกราฟิกนิยามตัวแปรสุ่ม X และตัวแปรสุ่มไม่ต่อเนื่อง พร้อมเงื่อนไข P(X = x) ≥ 0 และผลรวมทุกค่าเท่ากับ 1 ตัวอย่างวงล้อ 4 ช่องเท่ากันเลข 1 ถึง 4 มี P(X = x) = 1/4 ทุกค่า และ 1/4 + 1/4 + 1/4 + 1/4 = 1
วงล้อ 4 ช่องเท่ากันให้ความน่าจะเป็นช่องละ 14 ซึ่งรวมกันได้ 1 ตามเงื่อนไขของการแจกแจง

ตารางและกราฟของการแจกแจง

เขียนการแจกแจงได้เป็นตารางที่มีค่า x คู่กับ P(X = x) หรือเป็นฟังก์ชันมวลความน่าจะเป็น f(x) ถ้าวาดเป็นกราฟแท่ง ความสูงของแท่งคือความน่าจะเป็นของค่านั้น ห้องทดลองให้เลือกที่มาของ X ได้ 4 แบบ ได้แก่ วงล้อช่องเท่ากัน วงล้อที่ช่องมีขนาดไม่เท่ากัน การโยนเหรียญหลายเหรียญ และสถิติของลูกเต๋า 2 ลูก แล้วดูแท่งความน่าจะเป็นพร้อมตาราง P(x) และผลรวมที่ต้องเท่ากับ 1

ตัวอย่าง

โยนเหรียญ 2 เหรียญ ให้ X คือจำนวนหัว ผลลัพธ์ที่เป็นไปได้คือ HH, HT, TH, TT P(X = 0) = 14, P(X = 1) = 24 = 12, P(X = 2) = 14 และรวมกันได้ 1

ตารางและกราฟแท่งการแจกแจงของ X คือจำนวนหัวจากการโยนเหรียญ 2 เหรียญ ผลลัพธ์ TT, HT, TH, HH ให้ P(X = 0) = 1/4, P(X = 1) = 1/2, P(X = 2) = 1/4 รวมกันได้ 1 และความสูงของแท่งแทนความน่าจะเป็น
การโยนเหรียญ 2 เหรียญเขียนเป็นทั้งตารางและกราฟแท่งได้ โดยแท่งที่ x = 1 สูงที่สุด

ความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ที่เกี่ยวกับ X

เหตุการณ์ เช่น X ≥ 5, X ≠ 3 หรือ 2 ≤ X ≤ 4 หาได้โดยเลือกค่า x ทุกค่าที่เข้าเงื่อนไข แล้วบวกความน่าจะเป็นของค่าเหล่านั้น ในห้องทดลองเลือกเครื่องหมาย ≤ < = ≠ > ≥ หรือช่วง แท่งที่เข้าเงื่อนไขจะเปลี่ยนเป็นสีทอง และมีตารางเทียบผลทดลองกับค่าทางทฤษฎีทั้งเหตุการณ์นั้นและเหตุการณ์ที่ไม่ใช่

ตัวอย่าง

วงล้อ 6 ช่องเท่ากัน เลข 1 ถึง 6: P(X ≥ 5) = P(X = 5) + P(X = 6) = 16 + 16 = 13 · P(2 ≤ X ≤ 4) = 36 = 12 · P(X ≠ 3) = 56

การหาความน่าจะเป็นของเหตุการณ์บนวงล้อ 6 ช่องเท่ากัน โดยเลือกค่า x ที่เข้าเงื่อนไขแล้วบวกกัน ได้ P(X ≥ 5) = 1/6 + 1/6 = 1/3, P(2 ≤ X ≤ 4) = 3/6 = 1/2 และ P(X ≠ 3) = 1 − 1/6 = 5/6
ไฮไลต์ค่าที่เข้าเงื่อนไขแต่ละเหตุการณ์ แล้วบวกความน่าจะเป็นหรือใช้เหตุการณ์ตรงข้าม

ค่าคาดหมาย E(X)

ค่าคาดหมายคือค่าเฉลี่ยของ X ที่คาดว่าจะได้เมื่อทำการทดลองซ้ำหลายครั้ง หาจาก E(X) = Σ x · P(x) คือนำแต่ละค่า x คูณกับความน่าจะเป็นของมัน แล้วบวกกัน ค่านี้ไม่จำเป็นต้องเป็นค่าที่ X เป็นไปได้ และค่าเฉลี่ยจากการทดลองจะเข้าใกล้ E(X) เมื่อทดลองมากขึ้น ลองหมุน 1000 ครั้งในห้องทดลอง แล้วเทียบค่าเฉลี่ยที่ได้กับค่าทฤษฎี

ตัวอย่าง

วงล้อ 6 ช่องเท่ากัน: E(X) = (1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6) · 16 = 216 = 3.5 · เกมวงล้อที่มีเงินรางวัล 0, 0, 0, 10, 10, 50 บาท มี P(0) = 12, P(10) = 13, P(50) = 16 จึง E(X) = 0 + 103 + 253 = 353 ≈ 11.67 บาท ถ้าค่าเล่นครั้งละ 10 บาท กำไรคาดหมายคือ 353 − 10 = 53 ≈ 1.67 บาท

สูตร E(X) = Σ x P(X = x) พร้อมตัวอย่างวงล้อ 6 ช่องเท่ากันได้ E(X) = 21/6 = 3.5 และเกมวงล้อรางวัล 0, 0, 0, 10, 10, 50 บาท ได้ E(X) = 35/3 ≈ 11.67 บาท เมื่อค่าเล่น 10 บาท กำไรคาดหมาย 5/3 ≈ 1.67 บาทต่อครั้ง
ค่าคาดหมายคือค่าเฉลี่ยระยะยาว ทั้งของแต้มวงล้อและของเงินรางวัลในเกม

ความแปรปรวน V(X) และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน

ความแปรปรวนบอกว่าค่าของ X กระจายออกจากค่าคาดหมายมากเพียงใด นิยามคือ V(X) = Σ (x − μ)² · P(x) เมื่อ μ = E(X) หรือคำนวณจาก V(X) = E(X²) − [E(X)]² โดย E(X²) = Σ x² · P(x) รากที่สองของความแปรปรวนคือส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน σ = V(X) ห้องทดลองแสดงขั้นตอนของทั้งสองวิธีด้วยเศษส่วนที่แน่นอน และวาดแถบ μ ± σ บนกราฟได้

ตัวอย่าง

วงล้อ 2 ช่อง เลข 1 กับ 2: E(X) = 1.5 และ V(X) = 12[(1 − 1.5)² + (2 − 1.5)²] = 12(0.25 + 0.25) = 0.25 · วงล้อ 6 ช่อง: E(X²) = 916 จึง V(X) = 916 − (72)² = 18212 − 14712 = 3512 ≈ 2.92

สูตรความแปรปรวน V(X) = Σ (x − μ)² P(X = x) = E(X²) − [E(X)]² และ σ = √V(X) ตัวอย่างวงล้อ 2 ช่องได้ V(X) = 0.25 และ σ = 0.5 ส่วนวงล้อ 6 ช่องได้ E(X²) = 91/6 และ V(X) = 35/12 ≈ 2.92
คำนวณความแปรปรวนได้ทั้งจากนิยามและจาก E(X²) − [E(X)]² ซึ่งให้ผลเดียวกัน

ทวินามและลูกเต๋า (ส่วนเสริมในห้องทดลอง)

ถ้าโยนเหรียญ n เหรียญ แต่ละเหรียญออกหัวด้วยความน่าจะเป็น p ให้ X คือจำนวนหัว จะได้ P(X = k) = C(n, k) · pᵏ · qⁿ⁻ᵏ เมื่อ q = 1 − p และ E(X) = np, V(X) = npq ส่วนลูกเต๋า 2 ลูก ลองเปลี่ยนให้ X เป็นผลบวก ค่าสูงสุด ค่าต่ำสุด หรือผลต่าง แล้วดูว่ารูปกราฟต่างกันอย่างไร

ตัวอย่าง

โยนเหรียญ 4 เหรียญ (p = 12): P(X = 0, 1, 2, 3, 4) = 116, 416, 616, 416, 116 · E(X) = 4 · 12 = 2 · V(X) = 4 · 12 · 12 = 1 · ทอดลูกเต๋า 2 ลูก ให้ X คือผลบวก: E(X) = 7 และ V(X) = 356 ≈ 5.83

สูตรการแจกแจงทวินาม P(X = k) = C(n, k) pᵏ qⁿ⁻ᵏ, E(X) = np, V(X) = npq ตัวอย่างโยนเหรียญ 4 เหรียญได้ความน่าจะเป็น 1/16, 4/16, 6/16, 4/16, 1/16 กับ E(X) = 2, V(X) = 1 และผลบวกลูกเต๋า 2 ลูกมี E(X) = 7, V(X) = 35/6 ≈ 5.83
เหรียญ 4 เหรียญเป็นตัวอย่างการแจกแจงทวินาม ส่วนผลบวกลูกเต๋า 2 ลูกหาได้จากการบวกค่าคาดหมายและความแปรปรวนของลูกเต๋าแต่ละลูก

วิธีใช้ห้องทดลองและการออกแบบข้อสอบ

โหมดสำรวจให้หมุน โยน หรือทอดครั้งเดียวหรือเป็นพัน ๆ ครั้ง แล้วดูแท่งสีส้ม (ผลทดลอง) เทียบกับแท่งสีเขียว (ทฤษฎี) โหมดฝึกโจทย์มีโจทย์ 5 แบบ 3 ระดับ ตอบเป็นเศษส่วนหรือทศนิยมได้ โหมดออกแบบโจทย์ให้ครูตั้งหัวข้อและเลือกว่าจะแสดง เว้นว่างให้นักเรียนเติม หรือซ่อนผลลัพธ์แต่ละแถว แล้วบันทึกเป็นภาพ PNG ส่วนโหมดชุดข้อสอบสุ่มข้อสอบพร้อมเฉลยจากเลขชุด เลขชุดเดิมได้ข้อสอบเดิมเสมอ

ตัวอย่าง

ตั้งวงล้อ 6 ช่อง เลือกเหตุการณ์ X ≥ 5 แล้วหมุน 100 ครั้ง ผลที่ได้อาจเป็น 35100 = 35% ซึ่งใกล้กับค่าทฤษฎี 13 ≈ 33.33% (ตัวเลขนี้มาจากการทดลองจริงหนึ่งครั้ง ครั้งต่อไปอาจต่างออกไป)

ห้องทดลองการแจกแจงความน่าจะเป็น

วงล้อ เหรียญ ลูกเต๋า · ตาราง P(x) · E(X) · V(X)
วงล้อ 6 ช่องเท่ากัน (1, 2, 3, 4, 5, 6)เหตุการณ์ที่สนใจ X ≥ 5123456ยังไม่ได้หมุน00.050.10.150.2P(X = x)X = 1 : P = 1/61/6X = 2 : P = 1/61/6X = 3 : P = 1/61/6X = 4 : P = 1/61/6X = 5 : P = 1/61/6X = 6 : P = 1/61/6μ = 3.5123456ค่าของ XP(X ≥ 5) =1/3 ≈ 0.3333E(X) =7/2 = 3.5V(X) =35/12 ≈ 2.9167
ลองคิดด้วยตัวเอง

เช็กความเข้าใจ

วงล้อ 4 ช่องเท่ากัน เลข 1, 2, 3, 4 ให้ X คือเลขที่เข็มชี้ ค่าคาดหมาย E(X) เท่ากับเท่าใด
← กลับไปเลือกบทเรียน