나뭇잎 교과서

확률의 뜻과 기본 성질

주사위에서 6이 나올 가능성, 압정을 던져 바늘이 위로 향할 가능성처럼 우리는 '가능성'을 자주 말합니다. 이 절에서는 가능성을 0부터 1까지의 수로 정하는 두 방법을 봅니다. 결과가 모두 같은 정도로 기대될 때는 경우의 수를 세는 수학적 확률을 쓰고, 그렇지 않을 때는 충분히 많이 되풀이한 시행의 상대도수인 통계적 확률을 씁니다. 그리고 어떤 사건이든 확률이 지키는 기본 성질을 확인합니다.

본문

확률의 뜻과 기본 성질

본문

주사위 두 개를 던지면 눈의 합은 2부터 12까지 11가지이다. 그러면 합이 7일 확률은 \(\tfrac{1}{11}\)일까? 또 직접 수천 번 던져서 얻은 비율과, 계산으로 얻은 확률은 어떤 관계일까?

그림 1. 던지는 횟수가 많아질수록 '합이 7'의 상대도수는 계산으로 구한 확률 \(\tfrac{6}{36} = \tfrac{1}{6}\)에 가까워진다(고정된 의사 난수로 흉내 낸 실험).
먼저 알아야 할 것중학교의 경우의 수와 상대도수, 집합과 원소의 개수(공통수학2).

2.1.1시행, 표본공간, 사건

같은 조건에서 되풀이할 수 있고 결과가 우연에 따라 정해지는 실험이나 관찰을 시행이라 한다. 시행에서 일어날 수 있는 모든 결과의 집합을 표본공간 \(S\)라 하고, 표본공간의 부분집합을 사건이라 한다. 주사위 두 개를 던지는 시행의 표본공간은 \((1, 1)\)부터 \((6, 6)\)까지 36개의 순서쌍이다.

여기서 주의할 점이 있다. '눈의 합'을 결과로 보면 11가지이지만, 이 11가지는 일어날 가능성이 같지 않다. 합이 2인 경우는 \((1, 1)\) 하나뿐이지만, 합이 7인 경우는 \((1, 6), (2, 5), \ldots, (6, 1)\) 여섯 가지이다. 확률을 계산하려면 각 결과가 일어날 가능성이 같은 표본공간을 골라야 한다.

정의 2.1.1 수학적 확률

표본공간 \(S\)의 각 근원사건이 일어날 가능성이 모두 같을 때, 사건 \(A\)가 일어날 확률은 \[P(A) = \frac{n(A)}{n(S)}\]

따라서 처음 질문의 '합이 7'일 확률은 \(\dfrac{6}{36} = \dfrac{1}{6}\)이고, \(\tfrac{1}{11}\)이 아니다.

2.1.2통계적 확률

그림 1에서 던진 횟수를 늘려 보자. 몇 번 던지지 않으면 상대도수가 크게 흔들리지만, 수천 번을 던지면 \(\tfrac{1}{6} \approx 0.167\) 근처에 모인다. 이렇게 시행을 많이 되풀이할 때 상대도수가 다가가는 값을 통계적 확률이라 한다. 각 결과가 같은 가능성인지 알 수 없는 경우, 가령 압정을 던져 바늘이 위로 갈 확률은 이 방법으로만 구할 수 있다.1

정리 2.1.2 확률의 기본 성질

임의의 사건 \(A\)에 대하여 \(0 \le P(A) \le 1\)이다. 반드시 일어나는 사건 \(S\)의 확률은 \(P(S) = 1\), 절대로 일어나지 않는 사건 \(\varnothing\)의 확률은 \(P(\varnothing) = 0\)이다.

234567345678456789567891067891011789101112112233445566칸의 수 = 두 눈의 합합이 7인 칸 6개 / 전체 36개합이 2인 칸은 1개뿐둘째 주사위첫째
그림 2. 36개의 결과는 모두 같은 가능성이고, 합이 7인 칸은 대각선 위의 6칸이다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.3

주사위 두 개를 던질 때 눈의 합이 10 이상일 확률과, 두 눈이 같을 확률을 구하여라. 또 A, B, C, D 네 사람을 일렬로 세울 때 A가 맨 앞에 설 확률을 구하여라.

합이 10 이상인 경우는 합 10이 \((4, 6), (5, 5), (6, 4)\)의 3가지, 합 11이 2가지, 합 12가 1가지로 모두 6가지이다. 따라서 확률은 \(\dfrac{6}{36} = \dfrac{1}{6}\)이다. 두 눈이 같은 경우는 \((1, 1)\)부터 \((6, 6)\)까지 6가지이므로 역시 \(\dfrac{1}{6}\)이다.

네 사람을 세우는 방법은 \(4! = 24\)가지로 모두 같은 가능성이다. A가 맨 앞이면 나머지 셋을 세우는 \(3! = 6\)가지가 있으므로 확률은 \(\dfrac{6}{24} = \dfrac{1}{4}\)이다.

마지막 답은 '맨 앞에 설 수 있는 사람은 넷이고 그 가운데 A일 가능성은 모두 같다'고 생각해도 \(\tfrac{1}{4}\)로 같다. 같은 가능성인 결과를 무엇으로 잡느냐에 따라 계산의 길이가 달라진다. 아래 탐구 카드에서 실험 횟수를 늘리며 상대도수와 확률을 직접 비교해 보자.

  1. 시행 횟수를 늘리면 상대도수가 확률에 가까워진다는 것을 큰수의 법칙이라 한다. 통계 단원의 이항분포에서 다시 다룬다.
마무리

확률은 같은 가능성인 결과들로 표본공간을 잡고 사건에 속한 결과의 비율로 정하며, 시행을 많이 되풀이한 상대도수가 다가가는 값으로도 정할 수 있다. 확률은 0과 1 사이의 수이다. 그래서 처음 질문의 '합이 7'은 11가지 합 가운데 하나가 아니라 36개 결과 가운데 6개이므로 확률이 \(\tfrac{1}{6}\)이다.

탐구 1

많이 던질수록 상대도수는 어디로 갈까?

통계적 확률 · 모의실험
시행 횟수 n
—
일어난 횟수 r
—
상대도수 \(\frac{r}{n}\)
—
수학적 확률
—

초록 선이 지금 기록, 회색 선은 '새로 시작' 전의 기록이다. 가로축은 1, 10, 100, …이 같은 간격인 로그 눈금이며, 시행은 10000번까지 할 수 있다.

  1. 질문동전을 10번 던져 앞면이 7번 나왔다면, 앞면이 나올 확률은 \(\frac{7}{10}\)일까? 압정처럼 결과가 같은 정도로 기대되지 않는 물체는 확률을 어떻게 정할까?
  2. 복원같은 조건에서 되풀이할 수 있고 결과가 우연에 의해 정해지는 실험이나 관찰을 시행이라고 한다. 시행에서 일어날 수 있는 모든 결과의 집합이 표본공간 S이고, 그 부분집합이 사건이다. 그리고 상대도수는 \((\text{일어난 횟수}) \div (\text{전체 횟수})\)이다.
  3. 설명표본공간의 결과가 모두 같은 정도로 기대될 때, 사건 A의 수학적 확률은 \(P(A) = \frac{n(A)}{n(S)}\)이다. 그렇지 않을 때는 같은 시행을 \(n\)번 되풀이해 A가 \(r\)번 일어났다고 하자. \(n\)을 충분히 크게 하면 상대도수 \(\frac{r}{n}\)이 일정한 값 \(p\)에 가까워지는데, 이 \(p\)를 A의 통계적 확률이라 하고, 실제로는 충분히 큰 \(n\)에서의 상대도수를 통계적 확률로 쓴다. 또 수학적 확률을 알 수 있는 시행에서는 \(n\)이 커질수록 상대도수가 수학적 확률에 가까워지며, 이를 큰수의 법칙이라고 한다.
  4. 연결야구 선수의 타율이나 자동차 보험의 사고율은 오랜 기록에서 얻은 상대도수이다. 통계 단원에서 표본의 비율로 모집단의 비율을 추정할 때 이 생각을 다시 쓴다.
  5. 적용사건을 고르고 '10번 더'를 몇 번 눌러 보면 처음 몇십 번은 그래프가 크게 흔들린다. '1000번 더'로 \(n\)을 수천까지 늘려 그래프가 점선에 붙는지 보고, '새로 시작'으로 다른 기록을 겹쳐 그려 왼쪽(작은 \(n\))과 오른쪽(큰 \(n\))에서 선들이 흩어진 정도를 비교해 보자.
  6. 판단상대도수는 확률에 가까워질 뿐, 어떤 \(n\)에서 정확히 같아진다는 뜻은 아니다. "앞면이 다섯 번 연속 나왔으니 이번에는 뒷면이 나올 차례"라는 생각도 틀리는데, 동전은 앞의 결과를 기억하지 않기 때문이다. 앞쪽의 치우침은 뒤에서 되갚아지는 것이 아니라, 많은 시행 속에 묻혀 비율에 주는 영향이 작아지는 것이다.

확인조건이 달라지면

어떤 압정을 2000번 던졌더니 바늘이 위로 향한 것이 1240번이었다. 이 압정을 한 번 던질 때 바늘이 위로 향할 확률로 알맞은 것은?

탐구 2

두 눈의 합이 11가지이면 확률은 각각 \(\frac{1}{11}\)일까?

수학적 확률 · 기본 성질

—

\(n(A)\)
—
\(P(A)\)
—
\(P(A)\) 소수
—

칸을 누르거나 끌어서 사건 A에 넣고 뺄 수 있다. 칸 안의 수는 두 눈의 합이다. 아래 막대는 합이 같은 결과를 한 묶음으로 모은 것이고, 칠한 부분이 A에 든 결과이다.

  1. 질문주사위 두 개를 던질 때 두 눈의 합은 2부터 12까지 11가지이다. 그러면 합이 7일 확률은 \(\frac{1}{11}\)일까?
  2. 복원확률은 사건이 일어날 가능성을 0부터 1까지의 수로 나타낸 것이다. 그리고 사건은 표본공간의 부분집합이고, 결과 한 개로만 이루어진 사건을 근원사건이라고 한다.
  3. 설명수학적 확률 \(P(A) = \frac{n(A)}{n(S)}\)는 근원사건이 모두 같은 정도로 기대될 때만 쓴다. 두 주사위를 구별해 (첫째 눈, 둘째 눈)으로 적은 36가지가 그런 표본공간이다. 하지만 합 11가지로 묶으면 묶음마다 든 결과가 1개부터 6개까지 달라서 같은 정도로 기대되지 않는다. 또 어떤 사건 A든 \(0 \le n(A) \le n(S)\)이므로 기본 성질이 나온다. 즉 \(0 \le P(A) \le 1\)이고, 반드시 일어나는 사건 S는 \(P(S) = 1\), 절대로 일어나지 않는 사건 \(\varnothing\)는 \(P(\varnothing) = 0\)이다. 상대도수도 0과 1 사이이므로 통계적 확률도 같은 성질을 갖는다.
  4. 연결기본 성질은 계산이 맞았는지 점검하는 첫 기준이다. 확률이 1보다 크거나 음수로 나왔다면 어딘가 잘못 센 것이다. 다음 절의 덧셈정리와 여사건의 확률도 이 성질에서 출발한다.
  5. 적용'합이 7'을 누르고 칠해진 칸을 세어 보자. 아래 막대에서 합 7의 묶음과 합 2의 묶음에 결과가 몇 개씩 있는지 비교하고, 칸을 하나씩 더하며 \(P(A)\)가 \(\frac{1}{36}\)씩 커지는 것을 본 뒤, '비우기'와 '전체'에서 \(P(A)\)가 각각 얼마인지 확인해 보자.
  6. 판단두 주사위가 똑같이 생겨도 \((1, 2)\)와 \((2, 1)\)은 다른 결과이다. 한 주사위에 색을 칠했다고 생각해 보면, 색을 칠한다고 주사위가 다르게 구르지는 않으므로 확률도 달라지지 않는다. 그래서 결과를 셀 때는 각 결과가 같은 정도로 기대되는지를 먼저 확인한다.

확인조건이 달라지면

주사위 두 개를 던질 때, 두 눈의 곱이 홀수일 확률은?

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