初中数学的自然原理
第十部分:统计与概率

概率 ★

对应人教版九年级“概率初步”一章。

概率是给“可能性有多大”配上的一个 0 到 1 之间的数:同一个试验重复做很多次,事件发生的频率会稳定在这个数附近。

从哪里来#

掷一枚骰子,结果可能是 1 到 6 点中的任何一个,掷之前说不准。但“说不准”也有程度之分:

  • “掷出的点数不超过 6”,每次都一定发生,叫必然事件;
  • “掷出 7 点”,每次都一定不发生,叫不可能事件;
  • “掷出 6 点”“掷出偶数点”,可能发生也可能不发生,叫随机事件。

同样是随机事件,“掷出偶数点”显然比“掷出 6 点”更容易发生:偶数点有 2、4、6 三种,6 点只有一种。能不能用一个数把“更容易”说准确?这个数就是概率。

事件 发生的概率记作 。必然事件每次都发生,概率规定为 1;不可能事件从不发生,概率规定为 0;随机事件的概率在 0 和 1 之间:

随机事件

掷一枚骰子的几个事件在 0 到 1 之间的位置:掷出 7 点是 0,掷出 6 点是 1/6,掷出偶数点是 1/2,点数不超过 6 是 1

概率的意义:频率会稳定下来#

抛一枚硬币,正面朝上的可能性有多大?抛几次看不出规律:抛 10 次可能 7 次正面,也可能 3 次。但抛的次数越多,正面朝上的频率越稳定。下图是用计算机模拟抛一枚硬币 1000 次,每抛一次算一下到目前为止正面朝上的频率:

抛硬币的次数越多,正面朝上的频率越稳定在 0.5 附近

开始时频率上下乱跳,抛到几百次以后,就在 0.5 附近很小的范围里摆动了。历史上有人真的做过这个试验:

试验者 抛掷次数 正面朝上的次数 频率
布丰 4040 2048 0.5069
皮尔逊 12000 6019 0.5016
24000 12012 0.5005

在大量重复试验中,事件发生的频率会稳定在某个常数附近,这个常数就是事件的概率。 硬币正面朝上的概率是 。

概率说的是“大量重复时的规律”,不是“每一次的结果”。概率是 ,不等于抛 2 次必有 1 次正面,也不等于抛 100 次正好 50 次正面。单独一次试验的结果仍然是随机的。

等可能的结果:直接算#

每求一个概率都去做几千次试验,太费事。有一类试验可以直接算出概率:

  1. 试验的结果只有有限个;
  2. 每个结果出现的可能性相等。

掷一枚质地均匀的骰子就是这样:只有 6 种结果,骰子六个面一模一样,没有哪一面更容易朝上。6 种结果可能性相同,合起来是必然事件,概率是 1,所以每种结果的概率都是 。“掷出偶数点”包含 2、4、6 三种结果,它的概率就是 3 个 :

掷出偶数点

一般地,一次试验有 种等可能的结果,事件 包含其中的 种,那么

因为 ,所以 ; 时 是必然事件, 时 是不可能事件,和前面的规定(必然事件的概率是 1,不可能事件的概率是 0)一致。

结果无穷多时,用面积或角度来比。 转动一个转盘,指针可能停在任何位置,结果有无穷多种,没法一个一个数。但转盘是均匀的,指针停在哪里的机会都一样,所以停在某个区域的概率,就等于这个区域占整个转盘的比例。

例 1 如图,转盘被分成三个扇形,红色扇形的圆心角是 ,蓝色是 ,白色是 。自由转动转盘,求指针停在红色区域、蓝色区域的概率,以及停在白色以外区域的概率。

转盘:红色 120°,蓝色 90°,白色 150°

思路: 指针停在各处的机会均等,停在某个扇形里的概率,就是这个扇形占整个圆的比例,也就是圆心角占 的比例。

解:

红蓝

白色以外的区域就是红色和蓝色合起来,圆心角是 :

不是白色

回顾: 也可以先求 白,再用 。“停在白色”和“不停在白色”必有一个发生、又不会同时发生,两个概率加起来是 1。

两步试验:列表法和树状图#

同时抛两枚硬币,“一枚正面、一枚反面”的概率是多少?

结果看上去有三种:两正、两反、一正一反,于是很容易答 。可是这三种结果并不是等可能的。把两枚硬币分成第一枚和第二枚,一步一步地画出所有可能:

抛两枚硬币的树状图:正正、正反、反正、反反四种结果

第一枚有正、反两种,每一种后面第二枚又有正、反两种,一共 种结果,这 4 种才是等可能的。“一正一反”包含“正反”和“反正”两种,所以

一正一反

这样一层一层分叉列出所有结果的图叫树状图。试验分两步完成时,也可以列一个表,第一步的结果做行,第二步的结果做列,这叫列表法。两种方法做的是同一件事:不重不漏地列出所有等可能的结果,然后数一数事件包含其中几种。

掷两枚骰子,点数之和的所有结果列成表(行是第一枚,列是第二枚):

第一枚\第二枚 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

一共 种等可能的结果。和为 7 的有 6 种,排在一条斜线上,所以 和为,和为 7 是所有和里最容易出现的;和为 2 或 12 都只有 1 种,概率都是 。

三步及以上用树状图,两步用哪个都行。 表只有行和列两个方向,适合恰好两步的试验;三步及以上(比如抛三枚硬币),用树状图一层一层往下画更方便。

例 2 不透明的袋子里有 2 个红球和 1 个白球,除颜色外都相同。从中摸出一个球,记下颜色;再摸一个球。

(1)第一次摸出的球放回袋子、摇匀后再摸,求两次都摸到红球的概率;

(2)第一次摸出的球不放回,直接再摸,求两次都摸到红球的概率。

思路: 两个红球虽然颜色相同,却是两个不同的球,要把它们编号成红 1、红 2 区分开,这样每个球被摸到的可能性才相同。再看放回和不放回的差别:放回时第二次还是从 3 个球里摸,不放回时第二次只能从剩下的 2 个球里摸。

解:(1)放回时,每次都有 3 种等可能的结果,列表:

第一次\第二次 红 1 红 2 白
红 1 红 1、红 1 红 1、红 2 红 1、白
红 2 红 2、红 1 红 2、红 2 红 2、白
白 白、红 1 白、红 2 白、白

共有 种等可能的结果,两次都是红球的有 4 种(表的左上角),所以

两次都是红球

(2)不放回时,第一次有 3 种结果,第二次只剩 2 种,画树状图:

不放回摸两次球的树状图:6 种结果,两次都是红球的有 2 种

共有 种等可能的结果,两次都是红球的有 2 种,所以

两次都是红球

想一想: 两种摸法为什么答案不同?放回时,同一个球可以被摸两次,“红 1、红 1”这样的结果是存在的;不放回时,第二次摸不到第一次摸出的那个球,表格里对角线上的 3 种结果(红 1、红 1,红 2、红 2,白、白)都不会出现,剩下的正是树状图里的 6 种。把(1)的表去掉对角线,就得到(2)的所有结果,两种方法列出的其实是同一批结果。

用频率估计概率#

图钉落地时钉尖朝上还是朝下,一粒种子能不能发芽,一棵树苗能不能成活,这些试验的结果不是等可能的,没法用 直接算。这时就回到概率的本来意义:做大量重复试验,用稳定下来的频率作为概率的估计值。

例 3 某林场移栽一种树苗,记录的成活情况如下:

移栽棵数 50 100 200 500 1000 2000
成活棵数 44 89 178 452 901 1802
成活的频率 0.88 0.89 0.89 0.904 0.901 0.901

(1)估计这种树苗成活的概率;

(2)要得到 18000 棵成活的树苗,大约要移栽多少棵?

思路: 树苗成活不是等可能的结果,只能看频率。移栽的棵数越多,频率越稳定,从表中看,频率稳定在 0.9 附近。

解:(1)这种树苗成活的概率约是 0.9。

(2)设大约要移栽 棵,则 ,解得 。大约要移栽 20000 棵。

例 4 不透明的袋子里有 3 个红球和若干个白球,除颜色外都相同。每次摸出一个球,记下颜色后放回摇匀。摸了很多次后发现,摸到红球的频率稳定在 0.25。估计袋中有几个白球。

思路: 这道题把两种求概率的方法接了起来。一方面,大量试验的频率稳定在 0.25,所以摸到红球的概率约是 0.25;另一方面,摸到每个球是等可能的,设白球有 个,摸到红球的概率又可以直接算出来。两个结果相等,就得到一个方程。

解: 设袋中有 个白球,则摸到红球的概率是 。由题意,

两边同乘 ,得 ,解得 。经检验, 是原方程的解。袋中大约有 9 个白球。

易错点#

  • 把不等可能的结果当成等可能的。 抛两枚硬币的结果不是“两正、两反、一正一反”三种等可能,而是四种;用 之前,先确认每种结果的可能性真的相同。
  • 相同的东西没有区分。 两个红球要编号成红 1、红 2,否则“红、红”“红、白”这样的结果可能性并不相同。
  • 放回和不放回不分。 放回时每次都是原来的全部结果;不放回时第二次的结果少了一个。
  • 列表或画树状图时有重有漏。 按顺序一层一层列:先固定第一步,再列第二步的所有可能。“正反”和“反正”是两种不同的结果,不能只算一种。
  • 把概率当成“一定”。 中奖的概率是 ,买 100 张彩票不一定中奖;概率描述的是大量重复时的规律。
  • 试验次数太少就下结论。 抛 10 次硬币出现 7 次正面,不能说正面朝上的概率是 0.7。频率只有在试验次数很多时才稳定。
  • 频率和概率混为一谈。 频率是做试验得到的,每次做都可能不同;概率是事件本身的一个确定的数,频率在它附近摆动。

联系#

真题: 2026 年第 14 题、2025 年第 8 题、2024 年第 8 题、2023 年第 8 题、2022 年第 13 题。