Probability : Dependency , Joint probability

Dependence of events

 เหตุการณ์เป็นอิสระต่อกันหมายถึง การเกิดขึ้นของเหตุการณ์ที่กำลังสนใจ ไม่ได้มีผลจากเหตุการณ์อื่นที่เกิดขึ้นก่อนหน้า เช่น 

  • เวลาพระอาทิตย์ขึ้นที่ดาวอังคารไม่ได้ขึ้นกับเวลาพระอาทิตย์ขึ้นบนโลก 
  • การโยนเหรียญ 1 เหรียญ 2 ครั้ง การออกหน้าใดหน้าหนึ่งของการโยนเหรียญไม่ได้ขึ้นต่อกัน
  • ฯล

สำหรับเหตุการณ์ที่ไม่เป็นอิสระต่อกันก็จะตรงกันข้าม 

นิยาม 

ให้ A, B แทนสองเหตุการณ์ใดๆ

ถ้า \( P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B) \) แล้ว A และ B independent

ถ้า \( P(A \cap B) \neq P(A) \cdot P(B) \) แล้ว A และ B dependent


ตัวอย่างที่ 1  ทอดลูกเต๋า 2 ลูก หนึ่งครั้ง 

A แทนเหตุการณ์ลูกเต๋าลูกแรกออกหน้า 1

B แทนเหตุการณ์ลูกเต๋าลูกที่สองออกหน้าที่มากกว่าลูกแรก

C แทนเหตุการณ์ลูกเต๋าทั้งสองออกหน้าเดียวกัน

หา Sample space ของหน้าลูกเต๋า

\[ S = \{(1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(1,5),(1,6),\\(2,1),(2,2),(2,3),(2,4),(2,5),(2,6),\\(3,1),(3,2),(3,3),(3,4),(3,5),(3,6), \\(4,1),(4,2),(4,3),(4,4),(4,5),(4,6),\\(5,1),(5,2),(5,3),(5,4),(5,5),(5,6),\\(6,1),(6,2),(6,3),(6,4),(6,5),(6,6) \} \]

\[\begin{align*} P(A) &= \frac{6}{36} \\ P(B) &= \frac{15}{36} \\ P(C) &= \frac{6}{36} \\ \\ P(A) \cdot P(B) &= \frac{6}{36} \times \frac{15}{36} = \frac{5}{72} \\ P(A) \cdot P(C) &= \frac{6}{36} \times \frac{6}{36} = \frac{1}{36} \\ P(B) \cdot P(C) &= \frac{15}{36} \times \frac{6}{36} = \frac{5}{72} \\ \\ P(A \cap B) &= \frac{5}{36} \\ P(A \cap C) &= \frac{1}{36} \\ P(B \cap C) &= 0.0 \\ \\ \end{align*} \]

นำค่าความน่าจะเป็นไปเทียบกับนิยามข้างต้น จะสรุปได้ว่า 

เหตุการณ์ A และ C เป็นอิสระต่อกัน 

เหตุการณ์ A และ B ไม่เป็นอิสระต่อกัน 

เหตุการณ์ B และ C ไม่เกิดร่วมกัน (mutually exclusive))


ตัวอย่างที่ 2

ถ้าผลการตรวจหาโรคชนิดหนึ่งทางห้องปฏิบัติการให้ผล True Positive (ป่วยจริงและผลตรวจเป็นบวก) คือ 92% แต่ผลการตรวจจะเป็นที่ยอมรับก็ต่อเมื่อมีการตรวจซ้ำด้วยวิธีการเดียวกันจากห้องปฏิบัติการ 2 แห่ง หาความน่าจะเป็นที่ผู้ที่ติดเชื้อจริงได้ผลตรวจเป็นบวกจากทั้งสองห้องปฏิบัติการ และความน่าจะเป็นที่ได้ผลบวกจากห้องปฏิบัติอย่างน้อย 1 แห่ง

กำหนดให้ 

X แทนเหตุการณ์ได้ผลตรวจเป็นบวกจากห้องปฏิบัติการแรก

Y แทนเหตุการณ์ได้ผลตรวจเป็นบวกจากห้องปฏิบัติการที่สอง

ด้วยสามัญสำนึก ผลการตรวจจากแต่ละห้องปฏิบัติการควรเป็นอิสระต่อกัน ดังนั้นจะได้ว่า

\[ P(X) = P(Y) = 0.98 \]

ความน่าจะเป็นที่ผลการตรวจเป็นบวกทั้งสองห้องปฏิบัติการ

\[ \begin{align*} P(X \cap Y) &= P(X) \cdot P(Y) \\ P(X \cap Y) &= 0.98 \times 0.98 = 0.9604 \\ \end{align*} \]


ความน่าจะเป็นที่ผลการตรวจเป็นบวกอย่างน้อยหนึ่งห้องปฏิบัติการ

\[ \begin{align*} P(X \cup Y) &= P(X) + P(Y) - P(X \cap Y) \\ P(X \cup Y) &= 0.98 + 0.98 - 0.9604 = 0.99 \\ \end{align*} \]


Independence ในมุมมองของ conditional probability

ถ้า A,B เป็นอิสระต่อกันแล้ว

\[ \begin{align*} P(A \cap B) &= P(A) \cdot P(B) \\ P(A) &= \frac{P(A \cap B)}{P(B)} \tag{1.0}\\ \end{align*} \]

จาก conditional probability

\[ P(A \mid B) = \frac{P(A \cap B)}{P(B)} \tag{1.1} \]


จาก (1.0) และ (1.1) สรุปได้ว่า ถ้า A และ B เป็นอิสระต่อกันแล้ว จะได้

\[ \boxed{ \therefore P(A) = P(A \mid B) }\tag{1.2} \]


Joint probability

ถ้าเหตุการณ์ที่เป็นอิสระต่อกันเกิดขึ้นพร้อมกันมากกว่า 1 เหตุการณ์ ความน่าจะเป็นที่เหตุการณ์เหล่านี้จะเกิดขึ้นพร้อมกันเรียกว่า joint probability [3] ซึ่งใช้การคำนวณเช่นเดียวกับการคำนวณหาค่าความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ที่เป็นอิสระต่อกัน

กลับไปพิจารณาตัวอย่างที่ 1 เหตุการณ์ A และ C เป็นอิสระต่อกัน และ joint probability ของ A,C คือ \( \frac{1}{6} \times \frac{1}{6} = \frac{1}{36}\)

ระวังสับสนความหมายกันระหว่าง conditional probability กับ joint probability ทั้งสองกล่าวถึงคนละกรณีกัน แม้บางครั้งค่าความน่าจะเป็นอาจมีค่าเท่ากัน conditional probability สนใจความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ที่สองเมื่อเหตุการณ์แรกเกิดขึ้นแล้ว ในขณะที่ joint probability มองไปที่การเกิดขึ้นพร้อมกันของเหตุการณ์ ยกตัวอย่างเหตุการณ์ A และ C จากตัวอย่างที่ 1 เราทราว่า \( P(A \cap C) = \frac{1}{36} \) ถ้าคิดในรูปของ conditional probability กรณี ถ้าลูกเต๋าหงายหน้าเดียวกัน (เหตุการณ์ C) ความน่าจะเป็นของที่ลูกเต๋าลูกแรกหงายหน้า 1 (เหตุการณ์ A)

:

\[ \begin{align*} P(A \mid C) &= \frac{P(A) \cdot P(C \mid A)}{P(C)} \\ P(A \mid C) &= \frac{\frac{1}{6} \times \frac{1}{6}}{\frac{1}{6}} \\ P(A \mid C) &= \frac{1}{6} \end{align*} \]


Conditional dependency  [4]
ถ้าเหตุการณ์ A,B เป็นเหตุการณ์ที่เป็นอิสระต่อกันแล้ว จะเกิด conditional dependency ต่อเหตุการณ์ C ได้ก็ต่อเมื่อ

\[ \boxed{ P(A \cap B \mid C) = P(A \mid C) \cdot P(B \mid C)} \tag{1.3} \]

เอกสารอ้างอิง

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Independence_(probability_theory)#For_events 

[2] https://smarter-machine.blogspot.com/2020/09/probability-conditional-probability.html

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Joint_probability_distribution#Coin_flips

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Conditional_independence

ความคิดเห็น