Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

  • Upload
    chang

  • View
    218

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    1/28

    Probability

    Chapter Outline

      hapter two

      ombinatorial Methods

    2.1 Introduction

    2.2 

    Counting 

    Principle2.3 Permutations

    2.4 Combinations

    2.5 Stirling’s Formula

    Chien-Chao Tseng

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    2/28

    Probability

    2.1 Introduction

    Recall Theorem 1.3:  If 

     –   sample space is finite and 

     –   sample points are all equally likely, 

    then P( A)= N ( A)/ N (S ) Some probability problems can be solved simply by 

    counting.

      We study combinatorial 

    analysis 

    in chapter 2.

    Combinatorial analysis deals with methods of  counting.

     –   enable us to count systematically

    Chien-Chao Tseng 2

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    3/28

    Probability

    2.2 Counting Principle

     Theorem 2.1 (Counting Principle) 

    If  set   E  contains n elements and  set  F  contains m elements 

    there are nm ways in which we can choose, 

    • First, an

     element 

     of 

      E  and 

     

    • then an element  of  F .

     Theorem 2.2 (Generalized Counting Principle) 

    Let , 

     , . . .  , 

    be sets with 

     , 

     , . . .  , 

     elements,

    respectively. 

     –   There are × × ×∙ ∙ ∙×ways in which we can • first, choose an element  of   , 

    • then an

     element 

     of 

      , • then an element  of   , • . . .  , 

    • and  

     finally  

    an 

    element  

    of  

    .Chien-Chao Tseng 3

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    4/28

    Probability

    Examples 2.1 and 2.2

      Ex. 2.1 How many outcomes are there if  we throw 5 dice?

    Sol:

     –   Let , 1 5: set of  all possible outcomes of  th dice

    –  = {1, 2, 3, 4, 5, 6}

     –   Total outcomes of  throwing 5 dice: 6 x 6 x 6 x 6 x 6  6

      Ex. 

    2.2 

    In 

    tossing 

    fair 

    dice, 

    P(at least one 3 among these 4 dice)?

    Sol:

     –   Let 

     A be 

    the 

    event 

    of  

    at 

    least 

    one 

    among 

    the 

    dice –   Let   be the event of  no 3 in tossing 4 dice

    –  ( ) 5 x 5 x 5 x 5

    –  ( 

    ) ( 

    )/  = 

    5

    /6

    Chien-Chao Tseng 4

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    5/28

    Probability

    Examples 2.3 and 2.4

      Ex. 2.3 Virginia wants to give her son, Brian, 14 different

    baseball cards within a 7‐day period. 

     –   If  Virginia gives Brian cards no more than once a day, in 

    how many way can this be done?  (7x7x …x7 = 7

    )   Ex. 2.4 Rose has invited n friends to her birthday party. 

     –   All attend, and each one shakes hands with everyone else 

    at the party exactly once, 

     –   What is the number of  handshakes? 

    Sol 1:

    –   1 Peoples, each shakes hands with other  peoples –   Each handshake counted twice

     –   ( 1)/2

    Chien-Chao Tseng 5

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    6/28

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    7/28

    Probability

    Number of  Subsets of  a Set

        ( A): Power set of   A; set of  all subsets of   A. 

     Theorem 2.3  A set  with n elements has 2 subsets. Proof : 

     –   Let   , , , ⋯ ,   be a set with n elements. Exists a one‐to‐one correspondence between subsets of   A 

    and sequences of  0’s and 1’s of  length n:

    • To 

    subset 

    of  A , 

    associate 

    sequence  ⋯ , – where = 0 if   ∉ B, and = 1 if  ∈ B. • Ex. n = 3, association for the subsets of   A: 

    – ∅: 000, {}: 100, {}: 010, …, {, }: 011, …

    By Generalized Counting Principle (Thm 2.2), 

    number of  sequences of  0’s and 1’s of  length n is 

    2 2 ⋯ 2 2. 

    Number of  subsets of   A is 2

    . Chien-Chao Tseng 7

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    8/28

    Probability

    Tree Diagrams

      Three diagrams systematically identify all possible cases of  an 

    experiment

      Ex. 2.8 Bill and John keep playing chess until 

     –   one of  them wins 2 games in a row or 3 games altogether.  –   In what percent of  all possible cases does the game end

    because Bill wins 3 games without winning 2 in a row?

    Sol: 

     –   10 cases total

     –   Bill wins 3 games without 

    winning 2 in a row: 1 case 

    10% of  cases –   But probability  0.1

    (not equiprobable)

    Chien-Chao Tseng

    1/41/16

    1/32

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    9/28

    Probability

    Example of  Tree Diagram

      Ex. 2.9 Mark has $4. 

     –   He decides to bet $1 on the flip of  a fair coin 4 times. 

     –   What is the probability that (a) he breaks even; (b) he wins

    money? 

    Chien-Chao Tseng 9

    (6/16) (5/16)

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    10/28

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    11/28

    Probability

    Examples of  Permutations (1/2)

      Ex. 2.10 3 people, Brown, Smith, and Jones, must be 

    scheduled for  job interviews. 

     –   In how many different orders can this be done?

    Sol: 3!   Ex. 2.11 2 anthropology, 4 computer science, 3 statistics, 3

    biology, and 5 music books are put on a bookshelf  with a 

    random arrangement. 

     –  P( A): Prob. that books of  the same subject are together?

    Sol:

     –   Total number of  possible arrangements: 17!

     –   Anthropology books first: 2! X 4! X 3! X 3! X 5! ways

     –   Subjects can be ordered in 5! ways

      !!!!!!

    !Chien-Chao Tseng 11

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    12/28

    Probability

    Examples (2/2)

      Ex. 2.12 If  5 boys and 5 girls sit in a row in a random order, 

    P(no two children of  the same sex sit together)?

    Sol:

     –   10 persons to sit in a row: 10! ways –   No two of  the same sex sit together: 

    • Boys in positions 1, 3, 5, 7, 9, and girls in 2, 4, 6, 8, 10, 

    or vice versa. 

     – 5! × 5! possibilities for each case. 

    Desired probability is

    !!!

    Chien-Chao Tseng 12

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    13/28

    Probability

    Distinguishable Permutations of  Alike Objects 

     Theorem 2.4 (Distinguishable permutations of  alike objects)

    The number  of  distinguishable permutations of  n objects of k 

    different  types is

    !! ! ⋯ !

     –  where 

     are alike , 

    are alike , . . .  , 

     are alike , and  

     –  n =  +  +∙ ∙ ∙+  , 

    Chien-Chao Tseng 13

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    14/28

    Probability

    Examples of  Permutations with Alike Objects 

      Ex. 2.13 How many different 10‐letter codes can be made 

    using 3 a’s, 4 b’s, and 3 c’s?

    Sol: 10!/(3!x4!x3!)

      Ex. 2.14 In how many ways can we paint 11 offices so that 

     –   4 of  them will be painted green, 3 yellow, 2 white, and the 

    remaining 2 pink? 

    Sol: 11!/(4!x3!x2!x2!)

      Ex. 2.15 A fair coin is flipped 10 times. 

     –  P(exactly 

    heads)? Sol:  10! 3! 7!⁄   2⁄

    Chien-Chao Tseng 14

     ─  Set of all sequences of Hs and Ts of length 10: 2 elements ─  Exactly 3 Hs:

      /3!=10!/(3! x 7!)

    Sec. 

    2.4 

    Unordered 

    arrangement 

    (Combination)

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    15/28

    Probability

    2.4 Combinations

      Order in which elements are arranged is immaterial

    ※  Definition   An unordered  arrangement  of  r objects from a set  

     A containing n objects (r  ≤ n) is called  

     –   an  r‐element 

     combination

     of 

      A ,

     or 

     

     –   a combination of  the elements of   A taken  r at  a time.

      Number of  r ‐element combinations of  n objects is given by

        !     ! ! !    Observation:   +    +    + ⋯ +   +   +    = 2

     –   Total no. of  subsets of  a set with n elements: 2

     –   No. of  subsets of  size r  of  a set of  size n: Total no. of  subsets:   +    + ⋯ +   +  

     

     +  

     +  

     + ⋯ + 

     + 

     +  

     = 2

    Chien-Chao Tseng 15

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    16/28

    Probability

    More Observations

         

      , 

          , 

      For any 0 r  n,        and 

     

       

        (2.4)

      ̶   (2.4) 

    can 

    be 

    proved 

    algebraically 

    or 

    verified 

    combinatorially Proof: by combinatorial argument

     Consider a set of  n+1 objects {, , ⋯ , , }

    •  Number of r ‐

    element 

    combinations 

    of  

    this 

    set: 

      –   Separate combinations into two disjoint classes:

      With :    ( r‐1)‐element combinations of 

    , ⋯ ,   Without : 

      r‐element combinations of  

    , ⋯ ,

     

       

       

    Chien-Chao Tseng 16

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    17/28

    Probability

    Examples of  Combinations (1/3)

      Ex. 2.16 In how many ways can 2 math and 3 biology books be 

    selected from 8 math and 6 biology books?

    Sol:

      Ex. 2.17 45 instructors were selected randomly to ask 

    whether they are happy with their teaching loads. 

     –   Responses of  32 were negative.  –   If  Drs. Smith, Brown, and Jones were 

    among those questioned. 

     –  P(all three gave negative responses)?

    Sol: 

     –   No. of  possible groups with 32 negative responses: 

     –   3 (negative) selected and other 29 from remaining 42: 

    Chien-Chao Tseng 17

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    18/28

    Probability

    Examples of  Combinations (2/3)   Ex. 2.18 In a small town, 11 of  25 school teachers are against 

    abortion, 8 are for abortion, and the rest are indifferent. 

     –   A random sample of  5 schoolteachers is selected. 

    (a) P(all 5 are for abortion)? 

    (b) P(all 5 have the same opinion)?   

       

     

      Ex. 2.19 In Maryland’s lottery, player pick 6 integers between 

    1 and 49, order of  selection being irrelevant. 

     –  P(grand prize)?, P(2nd prize)?,  P(3rd prize)? 

    Sol:

    Chien-Chao Tseng 18

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    19/28

    Probability

    Examples of  Combinations (3/3)   Ex. 2.20 7 cards are drawn from 52 without replacement.

     –  P(at least one of  the cards is a king)?

    Sol:

    –   No kings  

    –   Desired probability: 1 No kings 1    

      Ex. 2.21 5 cards are drawn from 52.  –  P(full house) 

    Sol:

    Chien-Chao Tseng 19

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    20/28

    Probability

    Binomial Expansion (1/2)

     Theorem 2.5 (Binomial Expansion) 

     –   For any integer n ≥ 0 ,

    Proof:

     –   Observations:

    Chien-Chao Tseng 20

    iinn

    i

    n y x

    i

    n y x

     

       

      

     

    0

    )(

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    21/28

    Probability

    Binomial Expansion (2/2)

     –   Expansion of  

     –   Results in only  terms of  the form  , 0 ≤ i   ≤ n

    –   appears      

      times

    Because 

    emerges only whenever –  x’s of n−i of  the n factors of  ( x +  y) multiplied by 

     –   y’s of  the remaining i factors of  ( x +  y). 

    Hence

    Chien-Chao Tseng 21

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    22/28

    Probability

    Examples (Binomial Expansion) (1/4)

    Ex. 2.25 What is the coefficient of  x2y3 in the expansion of  

    2 3?

    Sol:

     –   Let  2 and  3

    2 3= 

     –   In the expansion of  

    • Coefficient of  : • =  2 ∙ 3

    In the expansion of  2 3, coefficient of  :    2

    ∙ 3

    Chien-Chao Tseng 22

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    23/28

    Probability

    Example (Binomial Expansion) (2/4)

      Ex. 2.26 Evaluate the sum

    Sol: Two approaches

     By set theory, total no. of subsets of a set of n elements: 2  –   A set of  n   elements has

        , 0   ≤ i   ≤ n, subsets   with i

    elements.

    Total no. of subsets of a set of n elements:

      By binomial expansion, = ∑      –   Let x = y = 1,

    11=2=   ∑     11   =∑

     

    Chien-Chao Tseng 23

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    24/28

    Probability

    Examples (Binomial Expansion) (3/4)

      Ex. 2.27 Evaluate the sum

    Sol:

    So

    Chien-Chao Tseng 24

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    25/28

    Probability

    Examples (Binomial Expansion) (4/4)

     Ex. 2.28 Prove that

    Sol:

     –   Let   , , ⋯ ,   and  , , ⋯ ,   be two disjoint sets, each with n elements . 

    Number of subsets with n elements of  A∪B:    . –   Any subset with n elements of  A∪B is the union of 

    • a subset with  i elements of  A and

    • a subset with n  − i elements of  B, for some 0 ≤ i  ≤ n.

    For each i: 

      subsets,

    Number of subsets with n elements of  A∪B:∑  

        ∑

     

     

      ∑

     

    we have the identity 

       ∑  

      .

    Chien-Chao Tseng 25

       

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    26/28

    Probability

    Multinomial Expansion

      Ex. 2.30 Distribute n distinguishable balls into k distinguishable cells so that 

    • n1 balls are distributed into the first cell, 

    • n2 balls 

    into 

    the 

    second cell, 

    …, 

    • nk  balls into the k th cell, where n1 + n2 +…+ nk  =n. 

     –   How many possible ways?

    Sol:

    Chien-Chao Tseng 26

    !!...!

    !

    21 k nnn

    n

    Sol:

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    27/28

    Probability

    Theorem 2.6 Multinomial Expansion

     Theorem 2.6 (Multinomial Expansion)  In the expansion of  

     –   The coefficient of  the term

    » where 

    • is 

    Therefore,

    Chien-Chao Tseng 27

    nk 

    nn

    nnnn k 

     x x xnnn

    n

    21

    21

    21... 21 !...!!

    !  

    nk  x x x )( 21    

    nk  x x x )( 21    

    k n

    nn x x x   21

    21

    nnnn k   ...21

    !...!!

    !

    21 k nnn

    n

  • 8/18/2019 Probability 2013 Ch02 Combinatorial Methods

    28/28

    Probability

    2.5 Stirling’s Formula

      Stirling’s formula can be used to estimate !  Theorem 2.7 (Stirling’s Formula)

      Stirling’s formula usually gives excellent approximations in 

    numerical computations   Note:

    –   !/ 2 becomes 1 at ∞, 

     –   But, it is still close to 1, even for very small values of  n.

    Chien-Chao Tseng 28