На отрезке длиной 1 случайно выбирают три точки. С какой вероятностью получится, что три отрезка образуют треугольник? Объясните модель вероятности и различные способы расчёта
Коротко: при стандартной интерпретации (на отрезке [0,1] случайно выбирают две внутренние точки, в результате получаются три отрезка) искомая вероятность равна 14\frac{1}{4}41. Модель вероятности: два независимых равномерных на [0,1][0,1][0,1] числа U,VU,VU,V. Пусть X=min(U,V), Y=max(U,V)X=\min(U,V),\;Y=\max(U,V)X=min(U,V),Y=max(U,V). Тогда три длины отрезков равны a=X, b=Y−X, c=1−Ya=X,\;b=Y-X,\;c=1-Ya=X,b=Y−X,c=1−Y. Треугольник можно составить тогда и только тогда, когда каждая из этих величин меньше 12\tfrac1221 (эквивалентно — максимальная часть < 12\tfrac1221). Два способа вычисления. 1) Геометрический (на единичном квадрате). Пара (U,V)(U,V)(U,V) равномерна на квадрате [0,1]2[0,1]^2[0,1]2. Упорядоченная область 0<X<Y<10<X<Y<10<X<Y<1 — треугольник площади 12\tfrac1221; плотность упорядоченной пары равна 222 на этом треугольнике. Условия a<12, b<12, c<12a<\tfrac12,\;b<\tfrac12,\;c<\tfrac12a<21,b<21,c<21 дают {(X,Y): Y>12, X<12, X>Y−12}.
\{(X,Y):\;Y>\tfrac12,\;X<\tfrac12,\;X>Y-\tfrac12\}. {(X,Y):Y>21,X<21,X>Y−21}.
Площадь этой области равна ∫y=1/21(12−(y−12)) dy=∫1/21(1−y) dy=18.
\int_{y=1/2}^{1}\bigl(\tfrac12-(y-\tfrac12)\bigr)\,dy=\int_{1/2}^{1}(1-y)\,dy=\tfrac18. ∫y=1/21(21−(y−21))dy=∫1/21(1−y)dy=81.
Умножая на плотность 222 получаем вероятность 2⋅18=14\;2\cdot\tfrac18=\tfrac142⋅81=41. 2) Через распределение разностей (симплекс). Три положительные части a,b,ca,b,ca,b,c удовлетворяют a+b+c=1a+b+c=1a+b+c=1 — это равномерное распределение на треугольнике (симплексе) площади 12\tfrac1221. Область, где все три < 12\tfrac1221, имеет площадь 18\tfrac1881. Поэтому вероятность равна (1/8)(1/2)=14\tfrac{(1/8)}{(1/2)}=\tfrac14(1/2)(1/8)=41. Дополнение: вероятность, что НЕ получится треугольник (то есть какая‑то часть ≥12\ge\tfrac12≥21), равна 1−14=341-\tfrac14=\tfrac341−41=43. Если вы действительно имели в виду выбор трёх точек (внутри отрезка) и получение четырёх частей — уточните, какой именно вопрос: требуют ли, чтобы три из частей составили треугольник, или что-то другое; в этом случае модель и ответ отличаются.
Модель вероятности: два независимых равномерных на [0,1][0,1][0,1] числа U,VU,VU,V. Пусть X=min(U,V), Y=max(U,V)X=\min(U,V),\;Y=\max(U,V)X=min(U,V),Y=max(U,V). Тогда три длины отрезков равны a=X, b=Y−X, c=1−Ya=X,\;b=Y-X,\;c=1-Ya=X,b=Y−X,c=1−Y. Треугольник можно составить тогда и только тогда, когда каждая из этих величин меньше 12\tfrac1221 (эквивалентно — максимальная часть < 12\tfrac1221 ).
Два способа вычисления.
1) Геометрический (на единичном квадрате). Пара (U,V)(U,V)(U,V) равномерна на квадрате [0,1]2[0,1]^2[0,1]2. Упорядоченная область 0<X<Y<10<X<Y<10<X<Y<1 — треугольник площади 12\tfrac1221 ; плотность упорядоченной пары равна 222 на этом треугольнике. Условия a<12, b<12, c<12a<\tfrac12,\;b<\tfrac12,\;c<\tfrac12a<21 ,b<21 ,c<21 дают
{(X,Y): Y>12, X<12, X>Y−12}. \{(X,Y):\;Y>\tfrac12,\;X<\tfrac12,\;X>Y-\tfrac12\}.
{(X,Y):Y>21 ,X<21 ,X>Y−21 }. Площадь этой области равна
∫y=1/21(12−(y−12)) dy=∫1/21(1−y) dy=18. \int_{y=1/2}^{1}\bigl(\tfrac12-(y-\tfrac12)\bigr)\,dy=\int_{1/2}^{1}(1-y)\,dy=\tfrac18.
∫y=1/21 (21 −(y−21 ))dy=∫1/21 (1−y)dy=81 . Умножая на плотность 222 получаем вероятность 2⋅18=14\;2\cdot\tfrac18=\tfrac142⋅81 =41 .
2) Через распределение разностей (симплекс). Три положительные части a,b,ca,b,ca,b,c удовлетворяют a+b+c=1a+b+c=1a+b+c=1 — это равномерное распределение на треугольнике (симплексе) площади 12\tfrac1221 . Область, где все три < 12\tfrac1221 , имеет площадь 18\tfrac1881 . Поэтому вероятность равна (1/8)(1/2)=14\tfrac{(1/8)}{(1/2)}=\tfrac14(1/2)(1/8) =41 .
Дополнение: вероятность, что НЕ получится треугольник (то есть какая‑то часть ≥12\ge\tfrac12≥21 ), равна 1−14=341-\tfrac14=\tfrac341−41 =43 .
Если вы действительно имели в виду выбор трёх точек (внутри отрезка) и получение четырёх частей — уточните, какой именно вопрос: требуют ли, чтобы три из частей составили треугольник, или что-то другое; в этом случае модель и ответ отличаются.