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4.2 Venn diagrams

维恩图 - 事件关系的可视化表示与概率计算

一、核心知识点

1. 维恩图定义

维恩图是一种图形化表示事件的工具,可在区域中放置频率或概率,直观展示样本空间(用矩形 \( \mathcal{E} \) 表示)与事件(用闭合曲线表示)的关系。

基本元素

  • 样本空间:用矩形表示,包含所有可能结果
  • 事件:用闭合曲线(通常是圆形)表示
  • 频率/概率:在相应区域中填入数值

2. 关键事件的维恩图表示

交集(\( A \cap B \)):事件"A且B",即A和B同时发生的重叠区域。

并集(\( A \cup B \)):事件"A或B(或两者都发生)",即A、B及交集区域的合并。

补集(\( A' \)):事件"非A",即样本空间中不属于A的区域,概率满足 \( P(A') = 1 - P(A) \)。

3. 维恩图应用

通过在维恩图中填充频率或概率,可解决"仅A""非B"等复合事件的概率计算问题。

应用场景

  • 分析两个或多个事件的关系
  • 计算复合事件的概率
  • 解决包含"且""或""非"等逻辑连接词的问题

4. 重要概率公式

并集概率公式

\[P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)\]

补集概率公式

\[P(A') = 1 - P(A)\]

互斥事件:当 \( A \cap B = \emptyset \) 时,\( P(A \cup B) = P(A) + P(B) \)

二、例题

Example 3

In a class of 30 students, 7 are in the orchestra club, 5 are in the band, and 2 are in both the orchestra club and the band. A student is chosen at random from the class.

a) Draw a Venn diagram to represent this information.

b) Find the probability that:

    i) the student is not in the band

    ii) the student is not in the orchestra club or the band.

解答

a) 绘制维恩图

设"乐队"为集合 \( B \),"管弦乐俱乐部"为集合 \( C \)。

维恩图示例

样本空间 \( \mathcal{E} \) (30人)

乐队 \( B \) (5人) | 管弦乐俱乐部 \( C \) (7人)

交集:2人 | 仅乐队:3人 | 仅管弦乐:5人 | 都不参加:20人

计算过程

  • 交集区域(同时参加两者):2人
  • 仅乐队人数:\( 5 - 2 = 3 \)人
  • 仅管弦乐俱乐部人数:\( 7 - 2 = 5 \)人
  • 既不参加乐队也不参加管弦乐俱乐部的人数:\( 30 - (3 + 2 + 5) = 20 \)人

b) 概率计算

i) 不在乐队的概率

\( P(\text{not } B) = \frac{\text{仅管弦乐人数} + \text{都不参加人数}}{总人数} = \frac{5 + 20}{30} = \frac{25}{30} = \frac{5}{6} \)

ii) 既不在管弦乐俱乐部也不在乐队的概率

\( P(\text{neither}) = \frac{20}{30} = \frac{2}{3} \)

Example 4

A vet surveys 100 of her clients. She finds that:

  • 25 own birds
  • 15 own birds and cats
  • 11 own birds and fish
  • 53 own cats
  • 10 own cats and fish
  • 7 own birds, cats and fish
  • 40 own fish

A client is chosen at random. Find the probability that the client:

a) owns birds only

b) does not own fish

c) does not own birds, cats or fish.

解答

步骤1:绘制维恩图

设"鸟"为 \( B \),"猫"为 \( C \),"鱼"为 \( F \)。

三事件维恩图

样本空间 \( \mathcal{E} \) (100人)

三个圆形分别代表:鸟 \( B \)、猫 \( C \)、鱼 \( F \)

中心交集:7人(三者都养)

步骤2:计算各区域人数

  • 三者交集(鸟、猫、鱼都养):7人
  • 仅鸟和猫:\( 15 - 7 = 8 \)人
  • 仅鸟和鱼:\( 11 - 7 = 4 \)人
  • 仅猫和鱼:\( 10 - 7 = 3 \)人
  • 仅猫:\( 53 - (8 + 7 + 3) = 35 \)人
  • 仅鱼:\( 40 - (4 + 7 + 3) = 26 \)人
  • 仅鸟:\( 25 - (8 + 7 + 4) = 6 \)人
  • 都不养:\( 100 - (6 + 8 + 35 + 4 + 7 + 3 + 26) = 11 \)人

步骤3:计算概率

a) 仅养鸟的概率

\( P(\text{birds only}) = \frac{6}{100} = 0.06 \)

b) 不养鱼的概率

\( P(\text{not fish}) = \frac{6 + 8 + 35 + 11}{100} = \frac{60}{100} = 0.60 \)

c) 不养鸟、猫、鱼的概率

\( P(\text{neither}) = \frac{11}{100} = 0.11 \)

三、维恩图绘制技巧

1. 两事件维恩图

绘制步骤

  • 画一个矩形表示样本空间
  • 在矩形内画两个重叠的圆形
  • 从交集开始填充数据
  • 计算各区域的数值

2. 三事件维恩图

绘制步骤

  • 画一个矩形表示样本空间
  • 在矩形内画三个相互重叠的圆形
  • 从中心交集开始填充数据
  • 逐步向外计算各区域数值

3. 数据填充顺序

建议顺序

  • 先填充交集区域
  • 再填充两两交集
  • 最后填充单独区域
  • 验证总数是否正确