Полигон YMLSYMLS PolygonТашкент · 2026Tashkent · 2026
до попыткиuntil the attempt —
День 04 25 августа, вторник Случайные величиныRandom variables

Случайные величины и среднееRandom variables and expectation

Разложить величину в сумму — и не считать её распределение вообщеDecompose a quantity into a sum—and never compute its distribution

0% дня закрыто · решено задач 7 из 16

цель дня
RU

К вечеру ты по фразе «сколько в среднем» за полминуты выбираешь один из трёх ходов — разложить величину в сумму индикаторов, разрезать процесс на этапы или зайти с хвоста через $\P(X \ge k)$ — и доводишь дело до числа, ни разу не построив распределение самой величины. Проверка — пять финальных задач ниже, вторая из них под таймером.

EN

By evening, when you see “how many on average,” you should choose within half a minute among three moves: write the quantity as a sum of indicators, split the process into stages, or approach from the tail using $\P(X\ge k)$. Finish with a number without ever constructing the distribution of the quantity itself. Check yourself on the five final problems below; the second is timed.

Самостоятельные задачи

К концу дня нужно уметь решать эти задачи самостоятельно, без подсказок.

Y0401Уровень YMLSРазрезать процесс «пока не выпадут все шесть граней» на этапы с постоянной вероятностью успеха и сложить средние этаповSplit the process “until all six faces appear” into stages with constant success probabilities and add the stage expectationsк задаче →Y0402Уровень YMLSПовесить индикатор на грань, а не на бросок, и посчитать его вероятность через «ни разу» — эта же задача идёт мини-тестом дняAttach an indicator to a face rather than a roll, and compute its probability through “never”—this is also the day’s mini-testк задаче →Y0403Уровень YMLSПрочитать «двух и более частиц быть не может» как несовместность, вытащить вероятность одной секунды из среднего и пересчитать её при условииRead “two or more particles cannot occur” as disjointness, extract the one-second probability from the mean, and recompute it conditionallyк задаче →Y0404Уровень YMLSПолучить среднее максимума хвостовой формулой, не строя распределения максимумаFind the expected maximum with a tail formula, without building the maximum’s distributionк задаче →S0401Уровень ШАДСвести максимум к «сумма минус минимум» и посчитать оба момента появления по лемме о промежуткахReduce the maximum to “sum minus minimum” and compute both first-arrival expectations with the spacing lemmaк задаче →
Мост · что нужно вспомнить
RU

Разложить величину в сумму — только половина работы. Вторая половина — посчитать вероятность одного слагаемого, и вот здесь сегодняшний день целиком стоит на двух предыдущих.

От второго дня берётся различение независимости и несовместности. В финальной задаче y0403 фраза «двух и более частиц быть не может» означает, что односекундные события несовместны, и вероятности складываются, а не перемножаются; тот же ход отрабатывается в мосте b0404. Ошибка стоит не половины балла, а всей задачи: неверный ответ расходится с верным только в третьей значащей цифре и выглядит совершенно правдоподобно.

Независимость в чистом виде тоже работает — но в других задачах: в b0402, b0403, b0407 и y0404 она превращает вероятность пересечения в произведение. Какое из двух слов стоит в условии, решается заново в каждой задаче, и сегодня этот вопрос встаёт почти в каждой.

От третьего дня берётся условная вероятность — и не только формула. Приём «условие на первый шаг», из которого выводится $\E = 1/p$, — это вчерашняя формула полной вероятности, применённая не к вероятности, а к среднему: раскладываем по двум гипотезам об исходе первого шага и в одной из них получаем исходную задачу целиком.

EN

Decomposing a quantity into a sum is only half the work. The other half is finding the probability of one summand, and today that part rests entirely on the previous two days.

From Day 2 comes the distinction between independence and disjointness. In final problem y0403, “two or more particles cannot occur” means the one-second events are mutually exclusive, so probabilities add rather than multiply; the same move is practiced in bridge b0404. A mistake costs the entire problem: the wrong answer differs only in its third significant digit and looks perfectly plausible.

Independence itself remains useful in other problems: in b0402, b0403, b0407, and y0404, it turns an intersection probability into a product. Which of the two words appears in the condition must be decided anew in every problem, and today this question comes up almost everywhere.

From Day 3 comes conditional probability, and not just its formula. The “condition on the first step” trick that yields $\E=1/p$ is the previous day’s law of total probability applied to an expectation rather than a probability: split according to two hypotheses about the first step, and in one branch recover the original problem exactly.

Вспомни вслух, до открытия конспектов:

  1. $\P(\bar A) = 1 - \P(A)$; «хотя бы один раз» — это $1$ минус «ни разу»$\P(\bar A)=1-\P(A)$; “at least once” is $1$ minus “never”
  2. Независимые события: $\P(A \cap B) = \P(A)\,\P(B)$. Несовместные: $\P(A \cup B) = \P(A) + \P(B)$. Одно из другого не следуетIndependent events: $\P(A\cap B)=\P(A)\,\P(B)$. Disjoint events: $\P(A\cup B)=\P(A)+\P(B)$. Neither implies the other
  3. $\P(A \mid B) = \dfrac{\P(A \cap B)}{\P(B)}$, и если $A$ влечёт $B$, то $\P(A \cap B) = \P(A)$$\P(A\mid B)=\dfrac{\P(A\cap B)}{\P(B)}$, and if $A$ implies $B$, then $\P(A\cap B)=\P(A)$
  4. Формула полной вероятности: $\P(A) = \sum_i \P(A \mid H_i)\,\P(H_i)$ по полной группе гипотезLaw of total probability: $\P(A)=\sum_i\P(A\mid H_i)\,\P(H_i)$ over a complete set of hypotheses
  5. При извлечении без возвращения все позиции равноправны; более того, любые $m$ выделенных объектов идут между собой во всех $m!$ порядках равновероятноWhen sampling without replacement, all positions are symmetric; more generally, any $m$ marked objects occur among themselves in all $m!$ orders equally often
  6. $\binom{n}{k}$ — число способов выбрать $k$ объектов из $n$ без учёта порядка; классическая вероятность — отношение числа благоприятных исходов к числу всех равновозможных$\binom{n}{k}$ counts ways to choose $k$ objects from $n$ without regard to order; classical probability is favorable outcomes divided by equally likely outcomes
  7. Для $X$, равномерной на отрезке $[0, 1]$: $\P(X \le t) = t$ при $0 \le t \le 1$For $X$ uniform on $[0,1]$: $\P(X\le t)=t$ for $0\le t\le1$
  8. $\int_0^1 t^n\,dt = \dfrac{1}{n+1}$; интеграл суммы равен сумме интегралов, постоянный множитель выносится$\int_0^1t^n\,dt=\dfrac1{n+1}$; the integral of a sum is the sum of integrals, and constants factor out

Повторение прошлых дней

Карточки возвращаются через 1, 2, 4, 7, 14 и 21 день в зависимости от того, насколько уверенно ты их вспомнил; «не помню» отправляет карточку в начало. Это часть разогрева, вместе с блоком «Мост».

Комбинаторика день 1 осталось 40
RU

Правило умножения: две оговорки, без которых оно не работает

EN

The multiplication rule: two qualifications without which it does not work

Сначала сформулируй вслух. Попытка вспомнить закрепляет сильнее, чем чтение готового ответа.

6 задач: подборка покрывает темы и микронавыки последнего учебного дня (3), а для каждой идеи выбирает наиболее сильный доступный уровень. Здесь отдельная попытка: решение в исходном дне не подставляется. Сначала назови тему вслух, затем решай.

W0302РазминкаВероятностьразминка
RU

У человека двое детей. Пол каждого ребёнка независим от пола другого, мальчик и девочка равновероятны. Известно, что старший ребёнок — мальчик. Какова вероятность, что оба ребёнка мальчики?

EN

A person has two children. Their sexes are independent, and a boy and a girl are equally likely. It is known that the older child is a boy. What is the probability that both children are boys?

Подсказка / Hint
RU

Выпиши все четыре пары «пол старшего, пол младшего» и вычеркни те, что противоречат условию.

EN

List all four pairs “older child's sex, younger child's sex” and remove those that contradict the condition.

Решение / Solution
RU

$\Omega = \{\text{ММ}, \text{МД}, \text{ДМ}, \text{ДД}\}$, где первая буква — старший ребёнок. Четыре исхода равновозможны.

Условие «старший мальчик» оставляет $\{\text{ММ}, \text{МД}\}$ — два исхода, из них благоприятен один.

$$\P = \frac12 = 0.5$$
Запомни этот ответ

Он понадобится для сравнения. Если условие поменять на «хотя бы один мальчик», ответ станет другим — и это одна из самых поучительных пар задач в теме.

EN

$\Omega = \{BB, BG, GB, GG\}$, where the first letter is the older child's sex. The four outcomes are equally likely.

The condition “the older child is a boy” leaves $\{BB, BG\}$, and one of these two outcomes is favorable.

$$\P = \frac12 = 0.5$$
Remember this answer

We will compare it with the next problem. Replacing the condition by “at least one child is a boy” changes the answer; this pair is one of the most instructive examples in the topic.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
Y0302Уровень YMLSВероятностьОфициальная задача YMLS · Practice Problem 1, Q3
RU

В условиях предыдущей задачи (четыре монеты, три честные и одна с двумя орлами; наугад взятую монету бросили дважды) известно, что оба броска дали орла. Найдите вероятность того, что была взята монета с двумя орлами. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

In the setting of the previous problem—four coins, three fair and one double-headed—a randomly selected coin was tossed twice and both tosses were heads. Find the probability that the double-headed coin was selected. Round to four decimal places.

Подсказка / Hint
RU

Байес. Знаменатель уже посчитан в предыдущем пункте.

EN

Use Bayes' rule. The denominator was computed in the previous problem.

Решение / Solution
RU$$\P(H_2 \mid OO) = \frac{\P(OO \mid H_2)\,\P(H_2)}{\P(OO)} = \frac{1 \cdot \frac14}{\frac{7}{16}} = \frac{4}{7} \approx 0.5714$$
Структура любой байесовской задачи

Эта пара задач показывает её целиком: сначала формула полной вероятности даёт знаменатель, потом Байес переворачивает условие. Априорная вероятность $\frac14$ выросла до $\frac47$ — наблюдение сдвинуло убеждение более чем вдвое, но не до уверенности.

EN$$\P(H_2 \mid HH) = \frac{\P(HH \mid H_2)\,\P(H_2)}{\P(HH)} = \frac{1 \cdot \frac14}{\frac{7}{16}} = \frac{4}{7} \approx 0.5714$$
Structure of every Bayesian problem

This pair of problems displays the full pattern: first the law of total probability gives the denominator, then Bayes' rule reverses the condition. The prior probability $\frac14$ rises to $\frac47$: the observation more than doubles our belief, but does not establish certainty.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
Y0301Уровень YMLSВероятностьОфициальная задача YMLS · Practice Problem 1, Q2
RU

Есть четыре монеты: три честные и одна с двумя орлами. Наугад берут одну монету (не рассматривая её) и подбрасывают дважды. Найдите вероятность того, что оба раза выпал орёл.

EN

There are four coins: three fair coins and one double-headed coin. One coin is selected uniformly without looking at it and tossed twice. Find the probability of getting heads both times.

Подсказка / Hint
RU

Формула полной вероятности по двум гипотезам.

EN

Apply the law of total probability to two hypotheses.

Решение / Solution
RU

Гипотезы: $H_1$ — честная монета, $\P(H_1) = \frac34$; $H_2$ — двухорловая, $\P(H_2) = \frac14$.

Правдоподобия: $\P(OO \mid H_1) = \frac12 \cdot \frac12 = \frac14$, $\P(OO \mid H_2) = 1$.

$$\P(OO) = \frac34 \cdot \frac14 + \frac14 \cdot 1 = \frac{3}{16} + \frac{4}{16} = \frac{7}{16} = 0.4375$$
EN

Let $H_1$ be the fair-coin hypothesis, with $\P(H_1) = \frac34$, and $H_2$ the double-headed hypothesis, with $\P(H_2) = \frac14$.

The likelihoods are $\P(HH \mid H_1) = \frac12 \cdot \frac12 = \frac14$ and $\P(HH \mid H_2) = 1$.

$$\P(HH) = \frac34 \cdot \frac14 + \frac14 \cdot 1 = \frac{3}{16} + \frac{4}{16} = \frac{7}{16} = 0.4375$$
уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
S0301Уровень ШАДВероятностьпарадокс Гарднера, уровень ШАД
RU

У человека двое детей. Известно, что хотя бы один из них — мальчик, родившийся во вторник. Найдите вероятность того, что оба ребёнка мальчики.

Считайте, что пол и день недели каждого ребёнка независимы, все семь дней и оба пола равновероятны. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

A person has two children. It is known that at least one is a boy born on Tuesday. Find the probability that both children are boys.

Assume that each child's sex and day of birth are independent, with all seven days and both sexes equally likely. Round the answer to four decimal places.

Подсказка / Hint
RU

Опиши каждого ребёнка парой «пол, день недели». Сколько всего таких пар и сколько комбинаций для двоих детей?

EN

Describe each child by the pair “sex, day of the week.” How many such pairs are possible, and how many combinations are there for two children?

Решение / Solution
RU

Каждый ребёнок описывается парой (пол, день недели) — всего $2 \cdot 7 = 14$ равновозможных вариантов. Для двоих детей: $14^2 = 196$ исходов.

Знаменатель — исходы, где есть мальчик-вторник. Считаем дополнением. Исходы, где мальчика-вторника нет: каждый ребёнок — один из $14 - 1 = 13$ прочих вариантов, то есть $13^2 = 169$. Значит подходящих $196 - 169 = 27$.

Числитель — оба мальчики и хотя бы один родился во вторник. Всего пар мальчиков $7^2 = 49$. Из них без вторника $6^2 = 36$. Остаётся $49 - 36 = 13$.

$$\P = \frac{13}{27} \approx 0.4815$$
Почему это ломает интуицию

Три условия про одну и ту же семью дают три разных ответа: «старший — мальчик» даёт $\frac12$ (задача w0302), «хотя бы один мальчик» — $\frac13$ (задача w0303), «хотя бы один мальчик, рождённый во вторник» — $\frac{13}{27} \approx 0.48$.

Казалось бы, день недели — посторонняя деталь, а ответ меняется. Причина: она меняет пространство исходов. Никакого словесного правила «чем подробнее условие, тем ответ ближе к $\frac12$» при этом нет: условие «хотя бы один мальчик, родившийся в понедельник или во вторник» тоже подробное, а даёт $\frac{49 - 5^2}{196 - 12^2} = \frac{24}{52} = \frac{6}{13} \approx 0.4615$ — меньше, чем один вторник. Ряд $\frac13$, $\frac{6}{13}$, $\frac{13}{27}$, $\frac12$ выстраивается только счётом, а в уроке стоит контрпример, где адресное условие роняет ответ до нуля.

Мораль для экзамена одна: выписывай $\Omega$ полностью и считай, а не рассуждай словами. В этой теме словесная интуиция подводит систематически.

EN

Each child is described by a pair (sex, day of the week), giving $2 \cdot 7 = 14$ equally likely possibilities. Two children therefore produce $14^2 = 196$ outcomes.

Denominator—outcomes with a Tuesday-born boy. Use the complement. If there is no Tuesday-born boy, each child has one of the other $14 - 1 = 13$ descriptions, giving $13^2 = 169$ outcomes. Thus the condition leaves $196 - 169 = 27$ outcomes.

Numerator—both are boys and at least one was born on Tuesday. There are $7^2 = 49$ pairs of boys, of which $6^2 = 36$ contain no Tuesday birth. This leaves $49 - 36 = 13$.

$$\P = \frac{13}{27} \approx 0.4815$$
Why intuition fails here

Three conditions about the same family produce three different answers: “the older child is a boy” gives $\frac12$ (w0302), “at least one child is a boy” gives $\frac13$ (w0303), and “at least one is a boy born on Tuesday” gives $\frac{13}{27} \approx 0.48$.

The weekday may look irrelevant, but it changes the sample space. There is no verbal rule saying that a more detailed condition makes the answer closer to $\frac12$. For example, “at least one boy born on Monday or Tuesday” gives $\frac{49 - 5^2}{196 - 12^2} = \frac{24}{52} = \frac{6}{13} \approx 0.4615$, less than the Tuesday-only answer. The sequence $\frac13$, $\frac{6}{13}$, $\frac{13}{27}$, $\frac12$ emerges only from counting; the lesson even contains a counterexample where a condition specifying a particular child drives the answer to zero.

The exam lesson is simple: write out $\Omega$ completely and count instead of reasoning verbally. Verbal intuition is systematically unreliable in this topic.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
Y0304Уровень YMLSВероятностьОфициальная задача YMLS · Practice Problem 2, Q2
RU

В условиях предыдущей задачи (800 учеников, численности $5 : 9 : 6$, та же таблица долей) про наугад выбранного ученика известно, что он не сдал математику. Найдите вероятность того, что он из 7 класса.

EN

In the setting of the previous problem—800 students, year-group sizes $5 : 9 : 6$, and the same table of pass rates—a randomly selected student is known to have failed Mathematics. Find the probability that the student is in Year 7.

Подсказка / Hint
RU

Это Байес, прочитанный прямо из таблицы абсолютных чисел.

EN

This is Bayes' rule read directly from a table of absolute counts.

Решение / Solution
RU

Всего не сдали математику: $800 - 0.4 \cdot 800 = 480$ человек.

Семиклассников, не сдавших математику: $(1 - 0.28) \cdot 200 = 0.72 \cdot 200 = 144$, где $X = 0.28$ восстановлено в предыдущей задаче.

$$\P(\text{7 класс} \mid \text{не сдал матем.}) = \frac{144}{480} = 0.3$$
EN

The total number who failed Mathematics is $800 - 0.4 \cdot 800 = 480$.

The number of Year 7 students who failed Mathematics is $(1 - 0.28) \cdot 200 = 0.72 \cdot 200 = 144$, using $X = 0.28$ from the previous problem.

$$\P(\text{Year 7} \mid \text{failed Mathematics}) = \frac{144}{480} = 0.3$$
уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
B0303БазаВероятностьавторская
RU

Три стрелка независимо стреляют по мишени по одному разу. Вероятности попадания равны $0.8$, $0.8$ и $0.7$. Найдите вероятность того, что будет ровно одно попадание.

EN

Three shooters independently fire one shot each at a target. Their hit probabilities are $0.8$, $0.8$, and $0.7$. Find the probability of exactly one hit.

Подсказка / Hint
RU

Три несовместных случая: попал только первый, только второй, только третий. Внутри каждого — произведение.

EN

There are three disjoint cases: only the first, only the second, or only the third shooter hits. Multiply within each case.

Решение / Solution
RU

Три взаимоисключающих сценария, вероятности внутри каждого перемножаются (стрелки независимы), а между сценариями складываются:

$$\P = \underbrace{0.8 \cdot 0.2 \cdot 0.3}_{\text{только первый}} + \underbrace{0.2 \cdot 0.8 \cdot 0.3}_{\text{только второй}} + \underbrace{0.2 \cdot 0.2 \cdot 0.7}_{\text{только третий}}$$$$= 0.048 + 0.048 + 0.028 = 0.124$$
Проверка правдоподобности

Стрелки хорошие, поэтому «ровно одно попадание» должно быть редким событием. $0.124$ выглядит разумно. Если бы получилось $0.5$ — искать ошибку.

EN

The three scenarios are mutually exclusive. Independence lets us multiply probabilities within each scenario, and disjointness lets us add across scenarios:

$$\P = \underbrace{0.8 \cdot 0.2 \cdot 0.3}_{\text{only the first}} + \underbrace{0.2 \cdot 0.8 \cdot 0.3}_{\text{only the second}} + \underbrace{0.2 \cdot 0.2 \cdot 0.7}_{\text{only the third}}$$$$= 0.048 + 0.048 + 0.028 = 0.124$$
Plausibility check

The shooters are accurate, so exactly one hit should be uncommon. The value $0.124$ is reasonable; a result such as $0.5$ would indicate an error.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
зачем это сегодня
RU

Линейность матожидания — самый выгодный инструмент курса по отношению «сила к объёму теории». Формулировка занимает строку, оговорок нет ни одной, а работает она и для зависимых величин. Почти все остальные формулы вероятности требуют независимости и потому ломаются на реальных задачах; линейность не ломается никогда.

Практический эффект виден на счёте. «Сколько в среднем различных граней выпадет за шесть бросков» прямым путём требует распределения числа различных граней — это включения-исключения и шесть слагаемых с четырёхзначными числами. Через индикаторы — две строки. На онлайн-этапе, где на задачу приходится около получаса, принимается только число и второй попытки нет, разница между двумя строками и полустраницей выкладок и есть разница между решённой и нерешённой задачей.

Тема встречается на YMLS прямо, а не только внутри других задач. В официальном наборе Practice Problem 4 первая задача — про детектор частиц; она стоит сегодня финальной. На олимпиаде ШАД 2025 целая задача строится на лемме, которая выводится из сегодняшних приёмов, — она тоже здесь, последней.

EN

Linearity of expectation is the course’s best tool by the ratio of power to theory. Its statement takes one line, has no qualifications, and works even for dependent quantities. Almost every other probability formula requires independence and therefore breaks on realistic problems; linearity never does.

The practical payoff is visible in counting. “How many distinct faces appear in six rolls?” requires, by the direct route, the distribution of the number of distinct faces—an inclusion–exclusion calculation with six large terms. With indicators, it takes two lines. In an online stage with about half an hour per problem, only a number accepted and no second attempt, the difference between two lines and half a page of algebra is the difference between solved and unsolved.

The topic appears directly in YMLS, not only inside other problems. In the official Practice Problem 4 set, the first problem is about a particle detector and appears today as a final. A whole problem in the 2025 SHAD olympiad is built on a lemma derived from today’s techniques; it is the last one here.

Навыки по порядку

Тема разбита на отдельные навыки от простого к сложному. Для каждого указаны тренировочные задачи.

  1. 1Разложение в суммуDecompose into a sumВместо распределения величины пишешь $X = X_1 + \cdots + X_n$ и складываешь средние слагаемых, ни разу не спросив, зависимы ли ониInstead of a quantity’s distribution, write $X=X_1+\cdots+X_n$ and add the expectations of the summands without asking whether they are dependentW0402W0403
  2. 2Индикатор на нужный объектIndicator on the object of interestТот же ход там, где слагаемых сразу не видно: индикатор вешается на объект из вопроса — ящик, пару соседей, — а не на действиеUse the same idea when the summands are not visible: attach an indicator to the object in the question—a box or a neighboring pair—not to an actionW0403B0407B0406
  3. 3Вероятность слагаемого через дополнениеSummand probability via the complementРазложение построено, осталось найти $\P(I_j = 1)$: когда внутри индикатора стоит «хотя бы раз», считаешь одно событие «ни разу» вместо разбора случаевOnce the decomposition is built, find $\P(I_j=1)$; when the indicator says “at least once,” count the single event “never” instead of splitting into casesB0407Y0402
  4. 4Обратный ход и несовместные подпериодыReverse direction and disjoint subperiodsТо же равенство $\E X = \sum_j \P(I_j = 1)$ читаешь справа налево, если неизвестна как раз вероятность слагаемого; «не более одного события за период» при этом означает, что подпериоды несовместныRead $\E X=\sum_j\P(I_j=1)$ from right to left when the summand probability is unknown; “at most one event per period” means the subperiods are disjointW0401B0404Y0403
  5. 5Процесс по этапамProcess by stagesКогда слагаемых нет вообще, раскладываешь не величину, а процесс: $\E = 1 + (1-p)\E$ даёт $\E = 1/p$, а меняющееся $p$ режется на этапы стоимостью $1/p_k$When there are no summands, decompose the process: $\E=1+(1-p)\E$ gives $\E=1/p$, and a changing $p$ is split into stages costing $1/p_k$ eachW0404B0401Y0401
  6. 6Хвостовая формулаTail formulaКогда не работают ни индикаторы, ни этапы: $\E X = \sum_{k \ge 1}\P(X \ge k)$ и её непрерывный вариант с интегралом — событие «не меньше $k$» устроено проще, чем «ровно $k$»When neither indicators nor stages help, use $\E X=\sum_{k\ge1}\P(X\ge k)$ and its integral analogue; “at least $k$” is simpler than “exactly $k$”B0402B0403Y0404
  7. 7Симметрия вместо счётаSymmetry instead of countingВерхняя ступень: хвост можно и не считать. Тождество $\max + \min = X + Y$ переносит работу на лёгкую из двух величин, а $k$ помеченных объектов делят ряд на $k+1$ в среднем равных промежуткаAt the top level, you may not need to count the tail. The identity $\max+\min=X+Y$ transfers the work to the easier quantity, while $k$ marked objects divide a row into $k+1$ equal-in-expectation gapsB0402B0405S0401

Расписание

0:00–0:15РазогревWarm-up Восемь пунктов блока «Мост» вслух, без конспекта. Особенно первые три: сегодня они работают в каждой второй задаче.Recite the eight Bridge facts without notes, especially the first three: they work in every other problem today.
0:15–1:25УрокLesson С бумагой. Эталонную задачу про масти досчитай сам до конца, прежде чем читать шаг 5.Work on paper. Finish the model problem about suits before reading Step 5.
1:25–3:20ЗадачиProblems По ступеням 1 → 4, без перепрыгиваний. Ступень 3 не пропускается: там стоят мосты к финалам, по одному на каждый.Follow levels 1 → 4 without jumping ahead. Do not skip level 3: it contains one bridge to each final.
3:20–3:45Мини-тестMini-test y0402 под таймером, в режиме экзамена: подсказка и разбор закрыты, ответ вводится один раз.Do y0402 under a timer in exam mode: hide the hint and solution, and submit once.
3:45–4:00АудитAudit Критерии внизу страницы, три типа ошибок в журнал.Review the criteria at the bottom of the page and log the three types of errors.

Урок

разбираем с нуля
RU

Вход: сто бросков

Игральную кость бросают 100 раз; $S$ — сумма выпавших очков. Найти $\E S$.

Прямой путь — перечислить значения $S$ от 100 до 600 и для каждого найти вероятность: это число способов разложить его в сумму ста слагаемых от 1 до 6, делённое на $6^{100}$. Такой путь не длинный, а невозможный. Обходной путь — весь сегодняшний день:

$$S = X_1 + X_2 + \cdots + X_{100}, \qquad \E S = 100 \cdot \E X_1 = 100 \cdot 3.5 = 350$$

Одна строка. Вопрос дня не в том, как считать среднее по определению, а в том, как увидеть сумму там, где её сразу не видно.

Величина, распределение, среднее

Случайная величина — число, которое зависит от того, какой исход реализовался. Распределение — список её значений с вероятностями; их сумма равна 1, и это бесплатная проверка.

Математическое ожидание$$\E X = \sum_i x_i\,\P(X = x_i)$$

Среднее значение, взвешенное вероятностями. Для кубика $\E X = \frac{1+2+3+4+5+6}{6} = 3.5$.

Два замечания, которые дальше работают как инструменты. Первое: матожидание не обязано быть возможным значением — 3.5 на кубике не выпадет никогда, это центр тяжести распределения, а не прогноз. Второе, важнее: если $X$ принимает только значения 0 и 1, то

$$\E X = 0 \cdot \P(X = 0) + 1 \cdot \P(X = 1) = \P(X = 1)$$

Среднее такой величины и есть вероятность единицы. Отсюда растёт весь метод индикаторов — и в обратную сторону, способ вытащить неизвестную вероятность из известного среднего.

Линейность и почему ей не нужна независимость

Определение выше группирует исходы по значениям величины. Ту же сумму можно записать по элементарным исходам — число то же, просто слагаемые ещё не собраны вместе:

$$\E X = \sum_{\omega} X(\omega)\,\P(\omega)$$

В такой записи всё видно сразу:

$$\E(X + Y) = \sum_{\omega} \big(X(\omega) + Y(\omega)\big)\P(\omega) = \sum_{\omega} X(\omega)\P(\omega) + \sum_{\omega} Y(\omega)\P(\omega) = \E X + \E Y$$

В выводе нет ни одной строки, где понадобилось бы знать, как $X$ и $Y$ связаны между собой: они складываются в каждом исходе по отдельности, а исходы одни и те же.

Линейность матожидания$$\E(aX + bY) = a\,\E X + b\,\E Y$$

Верно всегда. Независимость $X$ и $Y$ не требуется и в выводе даже не упоминается.

Метод индикаторов

Индикатор события $A$ — величина $I_A$, равная 1, если $A$ произошло, и 0 иначе. По второму замечанию $\E I_A = \P(A)$ — и это всё, что о нём нужно знать.

Три шага
  1. Реши, что ты считаешь, и введи индикатор $I_j$ на каждый такой объект.
  2. Проверь равенство $X = I_1 + I_2 + \cdots + I_n$: оно должно быть верно в каждом исходе.
  3. Сложи вероятности: $\E X = \P(I_1 = 1) + \cdots + \P(I_n = 1)$.

Разобранный пример. Сто писем случайным образом раскладывают по ста подписанным конвертам, по одному письму в конверт. Сколько в среднем писем попадёт в свой конверт? Прямой путь потребовал бы распределения числа совпадений — это формула беспорядков, полстраницы работы. Через индикаторы: $I_j = 1$, если $j$-е письмо попало в свой конверт; письмо равновероятно оказывается в любом из ста конвертов, значит $\P(I_j = 1) = \frac{1}{100}$, и

$$\E X = 100 \cdot \frac{1}{100} = 1$$

Ответ не зависит от числа писем. И заметь: индикаторы здесь откровенно зависимы (если 99 писем легли верно, сотое обязано лечь верно тоже) — линейность на это не смотрит.

Куда вешать индикатор

Это главное решение в каждой такой задаче, и принимается оно до всех вычислений. Возьми вопрос и найди слово сразу после «число» или «сколько»: считаешь письма — индикатор на письмо, считаешь грани — на грань, пары соседей — на пару. Индикатор «на действие» (на бросок, на человека) почти всегда бессмыслен: непонятно, что даст его сумма.

Как считать вероятность одного слагаемого

Разложение построено, осталось найти $\P(I_j = 1)$. Три хода закрывают почти всё.

Симметрия. Если объекты равноправны, все $\P(I_j = 1)$ равны одному и тому же $p$, и ответ сразу $\E X = np$. Так было с письмами, так же работает извлечение без возвращения.

Дополнение. Свойство «объект встретился хотя бы раз» прямым счётом разваливается на случаи «ровно один раз», «ровно два» и так далее, а противоположное — «не встретился ни разу» — всегда одно и считается одним произведением. Поэтому

$$\P(I_j = 1) = 1 - \P(\text{объект } j \text{ не встретился ни разу})$$

Обратный ход. Иногда неизвестна как раз вероятность слагаемого, зато известно среднее всей суммы. Тогда равенство $\E X = \sum_j \P(I_j = 1)$ читается справа налево — как уравнение.

Пример. Прибор за час даёт не более одного сбоя, вероятность сбоя за час равна $0.12$, четыре четверти часа равноправны; найти вероятность $q$ сбоя в конкретную четверть. Число сбоев за час $X$ принимает только значения 0 и 1, поэтому $\E X = 0.12$; с другой стороны, $X = I_1 + I_2 + I_3 + I_4$ и $\E X = 4q$. Отсюда $q = 0.03$.

Как читать «не более одного события за период»

Эта фраза — не украшение условия, а указание, каким действием собирать вероятности: события «сбой в первой четверти», …, «сбой в четвёртой» попарно несовместны, два сразу произойти не могут. Дальше работает объявленное в блоке «Мост» правило для несовместных событий: $\P(\text{сбой за час}) = 4q$, а не $1 - (1-q)^4$. Обратная сторона той же фразы — величина $X$ принимает только значения 0 и 1, и её среднее равно $\P(X = 1)$.

Дисперсия: когда можно складывать

Дисперсия показывает, насколько далеко значения разлетаются от центра:

$$\D X = \E\big[(X - \E X)^2\big] = \E X^2 - (\E X)^2$$

Правая запись удобнее для счёта: для кубика $\E X^2 = \frac{91}{6}$, поэтому $\D X = \frac{91}{6} - 3.5^2 = \frac{35}{12} \approx 2.92$.

Проверьте ковариацию

Для конечных дисперсий $\D(X+Y)=\D X+\D Y+2\Cov(X,Y)$. Независимость достаточна для нулевой ковариации, но не необходима. Нулевая ковариация тоже даёт сложение дисперсий. При $Y=X$ имеем $\D(X+X)=4\D X$, а не $2\D X$: смешанное слагаемое нельзя забывать. Вывод и практика взвешенных оценок — день 15.

Ни в одной сегодняшней задаче дисперсия не понадобится: она стоит здесь потому, что оговорка про независимость видна лишь рядом с линейностью, которой такая оговорка не нужна.

Шесть распределений, которые надо знать наизусть

РаспределениеКогда возникает$\E$$\D$
Бернулли $(p)$один опыт: успех или нет$p$$p(1-p)$
Биномиальное $(n, p)$число успехов в $n$ независимых опытах$np$$np(1-p)$
Геометрическое $(p)$число попыток до первого успеха включительно$\dfrac1p$$\dfrac{1-p}{p^2}$
Пуассона $(\lambda)$число редких событий за период$\lambda$$\lambda$
Равномерное $[a,b]$точка наудачу на отрезке$\dfrac{a+b}{2}$$\dfrac{(b-a)^2}{12}$
Показательное $(\lambda)$время до события$\dfrac1\lambda$$\dfrac{1}{\lambda^2}$

Биномиальное — сумма $n$ бернуллиевских, обе его формулы получаются на месте: $\E$ — по линейности, $\D$ — по независимости опытов. Остальные четыре строки — геометрическое, пуассоновское, равномерное и показательное — сегодняшними средствами не выводятся, их придётся выучить. В геометрическом слово «включительно» существенно: если удачную попытку не считать, среднее станет $\frac{1-p}{p}$.

Процессы: сколько шагов до успеха

Величина «число шагов, пока не случится то-то» в сумму не раскладывается: слагаемых заранее не видно, их количество само случайно. Здесь нужен другой приём.

Условие на первый шаг

Первый шаг делаем в любом случае. Дальше два варианта: с вероятностью $p$ успех и конец; с вероятностью $1-p$ неудача — и мы оказываемся ровно в исходной ситуации. Это формула полной вероятности, применённая к среднему:

$$\E = 1 + (1-p)\,\E \;\Longrightarrow\; p\,\E = 1 \;\Longrightarrow\; \E = \frac1p$$

Слово «ровно» здесь несущее: приём законен только потому, что после неудачи впереди процесс, устроенный точно так же, как в начале. Если после неудачи условия меняются, уравнение неверно.

Что делать, когда $p$ меняется по ходу. Разрезать процесс на этапы так, чтобы внутри этапа вероятность успеха была постоянной. Этап стоит $1/p_k$ шагов в среднем, а общее число шагов — сумма стоимостей этапов; складывать их можно опять-таки по линейности, хотя этапы очевидно зависимы.

Пример на два этапа. Монету бросают, пока не выпадут и орёл, и решка. Первый бросок даёт какой-то результат — этап стоит ровно 1 бросок. Дальше ждём противоположный результат, его вероятность $\frac12$ на каждом броске — этап стоит 2 броска. Итого $\E = 1 + 2 = 3$.

Заход с хвоста

Есть третий способ обойти распределение: считать не «ровно $k$», а «не меньше $k$».

Хвостовая формула

Для целой неотрицательной величины

$$\E X = \sum_{k \ge 1} \P(X \ge k)$$

Непрерывный аналог для неотрицательной величины: $\E X = \int_0^{\infty}\P(X > t)\,dt$.

Почему это верно: подставь $\P(X \ge k) = \sum_{m \ge k}\P(X = m)$ и посмотри, сколько раз войдёт каждое $\P(X = m)$. Ровно в $m$ слагаемых, при $k = 1, 2, \ldots, m$, — значит справа собирается $\sum_m m\,\P(X = m)$, то есть исходное определение матожидания.

Хвост особенно удобен для максимума: событие $\{\max \le t\}$ означает «все величины не больше $t$» и для независимых величин распадается в произведение, а $\{\max = t\}$ — нет.

Тождество, которое экономит половину работы. В каждом исходе

$$\max(X, Y) + \min(X, Y) = X + Y$$

— слева и справа те же два числа, только в другом порядке, — поэтому и $\E\max + \E\min = \E X + \E Y$. Из пары «максимум и минимум» считают ту величину, чей хвост проще, а вторую получают вычитанием: у двух кубиков проще минимум, его хвост раскладывается в произведение сразу, без перехода к дополнению.

Симметрия промежутков

Есть класс задач, где хвост можно даже не начинать считать. Образец: в колоде из $n$ карт помечены $k$ (скажем, четыре туза среди 52); сколько карт в среднем приходится снять до первой помеченной включительно?

Лемма о промежутках$$\E = \frac{n+1}{k+1}$$

Помеченные карты разбивают непомеченные на $k+1$ промежуток. Промежутки равноправны: замкни колоду в кольцо, добавив в место склейки ещё одну помеченную карту, и поверни кольцо случайно — любой промежуток переходит в любой другой поворотом, значит в среднем они равны. Непомеченных карт $n-k$, в промежутке в среднем $\frac{n-k}{k+1}$, а до первой помеченной проходят один промежуток и саму карту: $\E = \frac{n-k}{k+1} + 1 = \frac{n+1}{k+1}$.

Непрерывный близнец той же симметрии: $n$ независимых равномерных точек делят отрезок $[0,1]$ на $n+1$ в среднем равный кусок, поэтому среднее наименьшей из них равно $\frac{1}{n+1}$, а наибольшей $\frac{n}{n+1}$. Дискретная версия работает сегодня в b0405 и s0401, непрерывная — как проверка в b0403 и y0404.

Что должно остаться в голове

  1. Не строй распределение, пока не проверил, нельзя ли разложить величину в сумму.
  2. Линейность верна всегда; для сложения дисперсий достаточно нулевых ковариаций, в частности независимости.
  3. Индикатор вешается на объект, который считаешь, а не на действие.
  4. Вероятность слагаемого берётся симметрией, дополнением или обратным ходом из известного среднего.
  5. До первого успеха $\E = 1/p$; меняется $p$ — режь на этапы и складывай их стоимости.
  6. Максимум считай хвостом или через тождество «максимум плюс минимум равно сумме»; $k$ помеченных объектов делят ряд на $k+1$ в среднем равных промежутка.
EN

Opening: one hundred rolls

Roll a die 100 times; let $S$ be the sum of the scores. Find $\E S$.

The direct route lists the values of $S$ from 100 to 600 and finds the probability of each: the number of ways to write it as a sum of one hundred terms from 1 to 6, divided by $6^{100}$. This route is not merely long—it is impossible. The shortcut is the theme of the day:

$$S=X_1+X_2+\cdots+X_{100},\qquad\E S=100\cdot\E X_1=100\cdot3.5=350$$

One line. The point of the day is not how to average from the definition, but how to see a sum where it is not immediately visible.

Quantity, distribution, expectation

A random variable is a number determined by which outcome occurs. Its distribution is a list of its values and their probabilities; the probabilities sum to 1, a free check.

Expected value$$\E X=\sum_i x_i\,\P(X=x_i)$$

The probability-weighted average. For a die, $\E X=\frac{1+2+3+4+5+6}{6}=3.5$.

Two observations will become tools. First: an expectation need not be a possible value—3.5 can never appear on a die; it is the distribution’s center of mass, not a forecast. Second, more important: if $X$ takes only the values 0 and 1, then

$$\E X=0\cdot\P(X=0)+1\cdot\P(X=1)=\P(X=1)$$

The mean of such a variable is the probability of one. This is the foundation of indicators, and the reverse direction lets you recover an unknown probability from a known mean.

Linearity and why it needs no independence

The definition groups outcomes by the values of the variable. The same sum can be written over elementary outcomes—the value is unchanged; the summands have simply not been grouped:

$$\E X=\sum_{\omega}X(\omega)\,\P(\omega)$$

Now the key identity is immediate:

$$\E(X+Y)=\sum_{\omega}(X(\omega)+Y(\omega))\P(\omega)=\sum_{\omega}X(\omega)\P(\omega)+\sum_{\omega}Y(\omega)\P(\omega)=\E X+\E Y$$

The derivation has no line where we need to know how $X$ and $Y$ are related: they are added outcome by outcome, over the same outcomes.

Linearity of expectation$$\E(aX+bY)=a\,\E X+b\,\E Y$$

True always. $X$ and $Y$ need not be independent, and independence is never mentioned in the derivation.

The indicator method

The indicator of event $A$ is a variable $I_A$ equal to 1 when $A$ occurs and 0 otherwise. By the second observation, $\E I_A=\P(A)$; that is all you need to know.

Three steps
  1. Decide what you are counting and introduce an indicator $I_j$ for each such object.
  2. Check $X=I_1+I_2+\cdots+I_n$; it must hold for every outcome.
  3. Add the probabilities: $\E X=\P(I_1=1)+\cdots+\P(I_n=1)$.

Worked example. Randomly place 100 letters into 100 labeled envelopes, one letter per envelope. How many letters land in their own envelope on average? Directly, we would need the distribution of the number of matches—the derangement formula and half a page of work. With indicators, let $I_j=1$ if letter $j$ reaches its own envelope. Every letter is equally likely to be in any of the 100 envelopes, so $\P(I_j=1)=\frac1{100}$, and

$$\E X=100\cdot\frac1{100}=1$$

The answer does not depend on the number of letters. Notice that the indicators are visibly dependent (if 99 letters are correct, the hundredth must be correct too), but linearity does not care.

Where to attach the indicator

This is the main decision in every such problem, and it comes before any calculation. Look for the word immediately after “number of” or “how many”: if you count letters, attach the indicator to a letter; if faces, to a face; if neighboring pairs, to a pair. An indicator attached to an action (a roll or a person) is almost always meaningless: it is unclear what its sum would represent.

Finding the probability of one summand

The decomposition is ready; now find $\P(I_j=1)$. Three moves cover almost everything.

Symmetry. If objects are interchangeable, all $\P(I_j=1)$ equal the same $p$, so $\E X=np$ immediately. This was true for the letters and works for sampling without replacement as well.

Complement. The property “an object appears at least once” breaks into “exactly once,” “exactly twice,” and so on under a direct count. Its opposite—“the object never appears”—is one event and one product:

$$\P(I_j=1)=1-\P(\text{object }j\text{ never appears})$$

Reverse direction. Sometimes the summand probability is unknown but the mean of the whole sum is known. Then $\E X=\sum_j\P(I_j=1)$ is read right to left, as an equation.

Example. A device has at most one failure per hour, and the probability of a failure in an hour is $0.12$. The four 15-minute quarters are symmetric; find the probability $q$ of failure in a particular quarter. The hourly count $X$ takes only 0 and 1, so $\E X=0.12$. Also $X=I_1+I_2+I_3+I_4$, hence $\E X=4q$ and $q=0.03$.

How to read “at most one event per period”

This phrase is not decorative; it tells you how to combine probabilities. “Failure in the first quarter,” …, “failure in the fourth quarter” are pairwise disjoint: two cannot happen at once. Therefore the Bridge rule gives $\P(\text{failure in an hour})=4q$, not $1-(1-q)^4$. The other side of the same phrase is that $X$ takes only 0 and 1, so its mean is $\P(X=1)$.

Variance: when addition is valid

Variance measures how far values spread from the center:

$$\D X=\E[(X-\E X)^2]=\E X^2-(\E X)^2$$

The right-hand form is easier to calculate. For a die, $\E X^2=\frac{91}{6}$, so $\D X=\frac{91}{6}-3.5^2=\frac{35}{12}\approx2.92$.

Check covariance

For finite variances, $\D(X+Y)=\D X+\D Y+2\Cov(X,Y)$. Independence is sufficient for zero covariance, but not necessary. Zero covariance also permits variance addition. When $Y=X$, $\D(X+X)=4\D X$, not $2\D X$: the cross term must be retained. Derivation and weighted-estimator practice appear in day 15.

No problem today needs variance. It appears here because the independence qualification becomes visible only next to linearity, which needs no such qualification.

Six distributions to know by heart

DistributionWhen it occurs$\E$$\D$
Bernoulli $(p)$one trial: success or failure$p$$p(1-p)$
Binomial $(n,p)$number of successes in $n$ independent trials$np$$np(1-p)$
Geometric $(p)$number of trials through the first success$\dfrac1p$$\dfrac{1-p}{p^2}$
Poisson $(\lambda)$number of rare events in a period$\lambda$$\lambda$
Uniform $[a,b]$a random point on an interval$\dfrac{a+b}{2}$$\dfrac{(b-a)^2}{12}$
Exponential $(\lambda)$time until an event$\dfrac1\lambda$$\dfrac1{\lambda^2}$

The binomial variable is a sum of $n$ Bernoulli variables, so both of its formulas can be derived on the spot: expectation by linearity and variance by independence. The other four rows—geometric, Poisson, uniform, and exponential—are not derived by today’s tools; memorize them. In the geometric distribution, “through” (including the successful trial) matters: if the successful trial is not counted, the mean becomes $\frac{1-p}{p}$.

Processes: how many steps until success

The quantity “number of steps until something happens” does not decompose into a sum: the summands are not known in advance, and their number is random. Use a different move.

Condition on the first step

Always take the first step. Then two possibilities: with probability $p$ it succeeds and the process ends; with probability $1-p$ it fails and we are exactly back in the original situation. This is the law of total probability applied to an expectation:

$$\E=1+(1-p)\E\;\Longrightarrow\;p\E=1\;\Longrightarrow\;\E=\frac1p$$

“Exactly” is the essential word: the method is valid only because after a failure the remaining process has exactly the same structure as at the start. If the conditions change after failure, the equation is false.

When $p$ changes over time. Split the process into stages in which the success probability is constant. Stage $k$ costs $1/p_k$ steps on average, and the total number of steps is the sum of the stage costs; linearity allows this even though the stages are plainly dependent.

Two-stage example: toss a coin until both heads and tails have appeared. The first toss gives one result and costs exactly 1 toss. Then wait for the opposite result, whose chance is $\frac12$ on each toss; that stage costs 2 tosses. Thus $\E=1+2=3$.

Approach from the tail

A third way around a distribution is to count not “exactly $k$” but “at least $k$.”

Tail formula

For a nonnegative integer-valued variable,

$$\E X=\sum_{k\ge1}\P(X\ge k)$$

The continuous analogue for a nonnegative variable is $\E X=\int_0^\infty\P(X>t)\,dt$.

Why it works: substitute $\P(X\ge k)=\sum_{m\ge k}\P(X=m)$ and count how often each $\P(X=m)$ appears. It appears in exactly $m$ terms, for $k=1,2,\ldots,m$, so the right side becomes $\sum_m m\,\P(X=m)$, the original definition of expectation.

The tail is particularly convenient for a maximum: $\{\max\le t\}$ means that all variables are at most $t$ and factors for independent variables, whereas $\{\max=t\}$ does not.

An identity that halves the work. For every outcome,

$$\max(X,Y)+\min(X,Y)=X+Y$$

The same two numbers appear on both sides, just in a different order, so $\E\max+\E\min=\E X+\E Y$. For maximum and minimum, compute whichever has the simpler tail, then subtract to obtain the other. For two dice, the minimum is easier: its tail factors immediately, without a complement.

Spacing symmetry

There is a class of problems where you do not even need to start the tail calculation. Example: a deck of $n$ cards contains $k$ marked cards (say, four aces among 52). How many cards must be drawn on average before the first marked card, inclusive?

Spacing lemma$$\E=\frac{n+1}{k+1}$$

The marked cards split the unmarked cards into $k+1$ gaps. The gaps are symmetric: close the deck into a circle by adding one more marked card at the join, then rotate the circle uniformly; any gap maps to any other. Therefore their expected sizes are equal. There are $n-k$ unmarked cards, so each gap has expected size $\frac{n-k}{k+1}$. To reach the first marked card, cross one gap and the card itself:

$$\E=\frac{n-k}{k+1}+1=\frac{n+1}{k+1}$$

The continuous twin is the same symmetry: $n$ independent uniform points split $[0,1]$ into $n+1$ gaps of equal expected length, so the expected minimum is $\frac1{n+1}$ and the expected maximum is $\frac n{n+1}$. The discrete version is used in b0405 and s0401; the continuous version checks b0403 and y0404.

What should stay with you

  1. Do not construct a distribution until you have checked whether the quantity can be decomposed as a sum.
  2. Linearity always holds; zero covariances suffice for variance addition, in particular under independence.
  3. Attach an indicator to the object you are counting, not to the action.
  4. Find the summand probability by symmetry, the complement, or reversing a known expectation.
  5. Until the first success, $\E=1/p$; if $p$ changes, split into stages and add their costs.
  6. Compute a maximum via its tail or the identity “maximum plus minimum equals the sum”; $k$ marked objects divide a row into $k+1$ equal-in-expectation gaps.

Признаки и действия

Слева — что заметить в условии. Справа — что сделать первым.

УвиделПервый ход
«Сколько в среднем», «среднее число объектов»“How many on average,” “average number of objects”Не строй распределение: разложи величину в сумму индикаторов, по одному на каждый считаемый объектDo not build a distribution: decompose the quantity into a sum of indicators, one for each object being counted
Слагаемые зависимыThe summands are dependentДля ожидания ничего не меняй; перед сложением дисперсий проверь ковариацииChange nothing for expectation; check covariances before adding variances
Внутри индикатора стоит «хотя бы раз»“At least once” appears inside an indicatorСчитай противоположное: $\P(I_j = 1) = 1 - \P(\text{ни разу})$Count the complement: $\P(I_j = 1) = 1 - \P(\text{never})$
«Не более одного события за весь период»“At most one event during the entire period”Подпериоды несовместны: вероятности складывай, а не перемножай. А если спрашивают вероятность подпериода, читай $\E X = \sum_j \P(I_j = 1)$ справа налево, как уравнениеThe subperiods are disjoint: add probabilities rather than multiplying. If the probability of a subperiod is requested, read $\E X = \sum_j \P(I_j = 1)$ from right to left as an equation
«До первого успеха», «пока не произойдёт»“Until the first success,” “until it happens”Условие на первый шаг: $\E = 1 + (1-p)\E$, отсюда $\E = 1/p$Condition on the first step: $\E = 1 + (1-p)\E$, hence $\E = 1/p$
Вероятность успеха меняется по ходу процессаThe success probability changes as the process unfoldsРежь на этапы с постоянной вероятностью внутри этапа, этап стоит $1/p_k$, средние этапов складывайSplit into stages with constant probability within each stage; a stage costs $1/p_k$ on average, and add the stage costs
Спрашивают среднее максимумаThe expected maximum is requestedХвостовая формула $\E X = \sum_{k \ge 1}\P(X \ge k)$ либо тождество $\max = X + Y - \min$Use the tail formula $\E X = \sum_{k \ge 1}\P(X \ge k)$ or the identity $\max = X + Y - \min$
«Сколько тянуть до первой помеченной» из $n$ объектов“How many draws until the first marked object?” from $n$ objects$k$ помеченных делят ряд на $k+1$ в среднем равных промежутка, поэтому $\E = \frac{n+1}{k+1}$$k$ marked objects split the row into $k+1$ equal-in-expectation gaps, so $\E = \frac{n+1}{k+1}$
эталонная задача

Сколько мастей окажется среди шести картHow many suits appear among six cards?

RU

Условие. Из колоды в 36 карт (четыре масти по девять карт) наугад вынимают шесть карт. Найдите математическое ожидание числа мастей, представленных среди вынутых.

Смотри не на числа, а на то, какое решение принимается на каждом шаге: ровно эти пять решений принимаются в задачах b0407 и b0406 и в финальной y0402 — там же, слово в слово, с другими объектами.

Шаг 1. Назвать объект, который считаешь. В вопросе стоит «число мастей», а не «число карт». Значит индикаторов четыре, а не шесть: $I_j = 1$, если масть $j$ представлена хотя бы одной картой. Равенство $X = I_1 + I_2 + I_3 + I_4$ верно в каждом исходе — проверено. Индикатор на карту здесь не строится вовсе: непонятно, что он должен означать.

Шаг 2. Не проверять независимость. Индикаторы зависимы: если три масти отсутствуют, четвёртая присутствует наверняка. Для линейности это безразлично, и на этом шаге делать больше нечего. Важно именно не потратить время на проверку, которая не нужна.

Шаг 3. Выбрать, что считать: событие или его дополнение. Прямой счёт $\P(I_1 = 1)$ разбивается на случаи по числу карт первой масти среди шести: одна, две, …, шесть. Противоположное событие ровно одно — ни одной карты этой масти, то есть все шесть выбраны из 27 карт остальных мастей:

$$\P(I_1 = 0) = \frac{\binom{27}{6}}{\binom{36}{6}} = \frac{296\,010}{1\,947\,792} = \frac{4485}{29\,512} \approx 0.1520$$

Шаг 4. Использовать симметрию. Масти равноправны, поэтому все четыре вероятности равны, и складывать их по одной не нужно:

$$\E X = 4\left(1 - \frac{4485}{29\,512}\right) = 4 \cdot \frac{25\,027}{29\,512} = \frac{25\,027}{7378} \approx 3.3921$$

Шаг 5. Проверить. Две проверки, каждая по десять секунд.

Границы: шестью картами можно закрыть от одной масти до четырёх, значит ответ обязан лежать между 1 и 4 и быть заметно ближе к 4 — шесть карт почти наверняка задевают почти все масти.

Зеркальная величина: среднее число отсутствующих мастей равно $4 \cdot \frac{4485}{29\,512} = \frac{4485}{7378} \approx 0.6079$, и сумма двух средних $\frac{25\,027}{7378} + \frac{4485}{7378} = \frac{29\,512}{7378} = 4$ — ровно столько мастей и есть. Если такая сумма не даёт числа объектов, где-то перепутаны «есть» и «нет».

Алгоритм
  1. Найди в вопросе слово сразу после «число» или «сколько» — на этот объект вешается индикатор.
  2. Напиши $X = I_1 + \cdots + I_n$, убедись, что равенство верно в каждом исходе, и про независимость забудь.
  3. Для одного слагаемого выбери, что короче: считать событие или его дополнение.
  4. Если объекты равноправны, ответ сразу $n\,p$; если нет — складывай вероятности по одной.
  5. Проверь границы и сложи ответ с зеркальным средним: сумма обязана дать число объектов.
EN

Problem. Draw six cards at random from a 36-card deck (four suits of nine cards each). Find the expected number of suits represented among the cards drawn.

Focus not on the arithmetic, but on the decision made at each step: exactly these five decisions occur in b0407, b0406, and final y0402, with different objects.

Step 1. Name the object being counted. The question says “number of suits,” not “number of cards.” Thus there are four indicators, not six: $I_j=1$ if suit $j$ is represented by at least one card. The identity $X=I_1+I_2+I_3+I_4$ is true for every outcome. There is no need to build an indicator for a card; it is not clear what such an indicator would mean.

Step 2. Do not check independence. The indicators are dependent: if three suits are absent, the fourth is certain to be present. Linearity does not care, so there is nothing more to do here. The key is not to spend time on a check that is unnecessary.

Step 3. Choose the event or its complement. A direct calculation of $\P(I_1=1)$ splits into cases by how many cards of suit 1 appear among the six: one, two, …, six. The complement is a single event—none of that suit—so all six cards come from the other 27 cards:

$$\P(I_1=0)=\frac{\binom{27}{6}}{\binom{36}{6}}=\frac{296\,010}{1\,947\,792}=\frac{4485}{29\,512}\approx0.1520$$

Step 4. Use symmetry. The suits are interchangeable, so all four probabilities are equal and need not be added one by one:

$$\E X=4\left(1-\frac{4485}{29\,512}\right)=4\cdot\frac{25\,027}{29\,512}=\frac{25\,027}{7378}\approx3.3921$$

Step 5. Check. Two checks take ten seconds each.

Bounds: six cards can represent from one to four suits, so the answer must lie between 1 and 4 and should be noticeably closer to 4—six cards almost surely touch nearly every suit.

Mirror quantity: the expected number of missing suits is $4\cdot\frac{4485}{29\,512}=\frac{4485}{7378}\approx0.6079$. The two expectations add to $\frac{25\,027}{7378}+\frac{4485}{7378}=\frac{29\,512}{7378}=4$, exactly the number of suits. If this sum is not the number of objects, “present” and “missing” were confused somewhere.

Algorithm
  1. Find the word immediately after “number of” or “how many”; attach the indicator to that object.
  2. Write $X=I_1+\cdots+I_n$, verify it outcome by outcome, and forget about independence.
  3. For one summand, choose whichever is shorter: the event or its complement.
  4. If objects are symmetric, the answer is immediately $np$; otherwise add the probabilities one by one.
  5. Check the bounds and add the answer to the mirror expectation; the sum must be the number of objects.

Дополнительные материалы

Другие объяснения и материалы по теме. Используй их, если основного урока недостаточно.

видеоHarvard Stat 110 · Lecture 9: Expectation, Indicator Random Variables, LinearityHarvard Stat 110 · Lecture 9: Expectation, Indicator Random Variables, Linearity EN
Ровно сегодняшний ход: разложить величину в сумму индикаторов и сложить вероятности, не считая распределение вообще. Лучшее объяснение линейности из существующихExactly today’s move: decompose a quantity into indicator variables and add probabilities without constructing a distribution. The best available explanation of linearity
интерактивSeeing Theory · Probability DistributionsSeeing Theory · Probability Distributions EN
Все шесть распределений из таблицы, с ползунками параметров. Видно, как меняется форма и где сидит среднееAll six distributions from the table, with parameter sliders. See how the shape changes and where the mean sits
текстBlitzstein & Hwang · Introduction to Probability, глава 4Blitzstein & Hwang · Introduction to Probability, chapter 4 EN
Официальный бесплатный PDF от автора курса Stat 110. Глава 4 — матожидание, с индикаторами как отдельным методом и десятками задачThe course author’s free official PDF. Chapter 4 covers expectation, with indicators as a separate method and dozens of problems
текстStat 110 · Strategic Practice 4 и 5 — задачи с решениямиStat 110 · Strategic Practice 4 and 5 — problems with solutions EN
Четвёртый и пятый PDF: матожидание и индикаторы. Задачи, где линейность даёт ответ в одну строку, а прямой счёт — в страницуThe fourth and fifth PDFs cover expectation and indicators. Problems where linearity gives a one-line answer while direct counting takes a page
как работать сегодня
RU

Ступени идут по порядку, и каждая пользуется предыдущей. Ступень 1 — четыре разминки на разложение в сумму, на обратный ход и на условие на первый шаг. Ступень 2 — два хода, из которых собраны все мосты: дополнение (b0407) и хвостовая формула (b0402). Ступень 3 — пять мостов, по одному на каждый финал:

  • b0401 → y0401: процесс, разрезанный на этапы с постоянной вероятностью успеха внутри
  • b0406 → y0402: индикатор на объект из вопроса, а не на действие
  • b0404 → y0403: несовместные подпериоды и пересчёт вероятности при условии
  • b0403 → y0404: хвостовая формула для непрерывной величины
  • b0405 → s0401: лемма о промежутках в малом размере, выведенная индикаторами

Полный объём — 16 задач. Всё, что есть на странице, вместе со ступенью ШАД. Это план на день, который идёт хорошо и оставляет на задачи почти два часа.

Минимум — 10 задач. b0402, b0407, четыре моста к финалам YMLS и сами четыре финала: b0401, b0403, b0404, b0406, y0401, y0402, y0403, y0404. Выброшены четыре разминки и пара b0405 + s0401 — единственное, что снимается целиком, не разрывая ни одной цепочки к финалам YMLS.

Обязательные — 4 задачи. b0401, b0403, b0404, b0406 — ровно мосты к четырём финалам YMLS, по одному на каждый. Пропустить любую значит прийти к своему финалу без инструмента. Если день сорвался и осталось сорок минут — делаются эти четыре и мини-тест, остальное переносится.

Как пользоваться подсказкой

Открывай подсказку после пяти минут честного тупика, не раньше. Подсказка называет приём, но не раскрывает решение: тренируется именно навык «узнать приём», а на экзамене задачу решает как раз он.

Формат ответа

Все сегодняшние ответы — числа, вводятся с точкой в качестве разделителя и четырьмя знаками после неё. Сравнение идёт с точностью до четвёртого знака, поэтому у коротких точных ответов (7, 2, 3.7) хвостовые нули можно не дописывать.

EN

Today’s problems form a four-level ladder, and each level uses the previous one. Do not skip levels. Level 1 has four warm-ups on decomposing a quantity into a sum, reversing the equation, and conditioning on the first step. Level 2 has two moves from which all bridges are built: the complement (b0407) and the tail formula (b0402). Level 3 has five bridges, one to each final:

  • b0401 → y0401: a process split into stages with constant success probability within each stage
  • b0406 → y0402: an indicator on the object named in the question, not on the action
  • b0404 → y0403: disjoint subperiods and recomputing a conditional probability
  • b0403 → y0404: the tail formula for a continuous variable
  • b0405 → s0401: the spacing lemma at small scale, derived through indicators

Full volume: 16 problems. Everything on the page, including the SHAD level. This is a plan for a good day and leaves almost two hours for problems.

Minimum: 10 problems. b0402, b0407, the four bridges to the YMLS finals, and the four finals themselves: b0401, b0403, b0404, b0406, y0401, y0402, y0403, y0404. Omit the four warm-ups and the b0405 + s0401 pair—the only material that can be removed as a whole without breaking a chain to a YMLS final.

Mandatory: 4 problems. b0401, b0403, b0404, b0406—exactly the bridges to the four finals, one per final. Skipping one means reaching its final without the tool. If the day falls apart and forty minutes remain, do these four and the mini-test; defer everything else.

How to use a hint

Open a hint after five minutes of honest deadlock, not earlier. A hint names the technique but does not reveal the solution: the skill being trained is recognizing the technique, and that recognition is what solves the problem on the exam.

Answer format

All today’s answers are numbers, entered with a period as separator and four digits after it. Comparison is made to four decimal places, so for short exact answers (7, 2, 3.7) you may omit trailing zeros.

16
полный объём
10
минимум
4
обязательные

Полный объём — все задачи ниже. Минимум — если день сорвался и часа осталось два. Обязательные — мосты к финальной задаче, они не пропускаются никогда.

Разминка

решено 4 из 4

Устно, за полминуты. Проверяет, что определение понято, а не выучено.

W0401Разминкаступень 1Случайные величины✓разминка
RU

Автомат за смену выпускает не более одного бракованного изделия. Вероятность того, что за смену брак появится, равна $0.30$. Смена состоит из шести часов, и вероятность того, что брак придётся именно на данный час, для всех шести часов одна и та же. Найдите эту вероятность.

EN

A machine produces at most one defective item per shift. The probability that a defect occurs during a shift is $0.30$. A shift lasts six hours, and the probability that the defect occurs in any specified hour is the same for all six hours. Find this probability.

верно
Подсказка / Hint
RU

Число бракованных изделий за смену принимает только два значения — 0 и 1. Чему тогда равно его математическое ожидание?

EN

The number of defective items in a shift can only be 0 or 1. What is its expectation?

Решение / Solution
RU

Пусть $X$ — число бракованных изделий за смену, а $I_j = 1$, если брак пришёлся на $j$-й час. Тогда $X = I_1 + \cdots + I_6$, и искомая вероятность — это $q = \P(I_j = 1)$, одна и та же для всех $j$ по условию.

Величина $X$ принимает только значения 0 и 1, поэтому её среднее совпадает с вероятностью единицы:

$$\E X = 0 \cdot \P(X = 0) + 1 \cdot \P(X = 1) = 0.30$$

С другой стороны, по линейности $\E X = 6q$. Приравниваем:

$$6q = 0.30 \;\Longrightarrow\; q = 0.05$$

Весь ход задачи — прочитать равенство $\E X = 6q$ справа налево. Обычно среднее ищут по известным вероятностям слагаемых; здесь известно среднее, а неизвестна вероятность слагаемого, и то же самое равенство работает как уравнение.

EN

Let $X$ be the number of defective items in a shift, and let $I_j = 1$ if the defect occurs in hour $j$. Then $X = I_1 + \cdots + I_6$, and the required probability is $q = \P(I_j = 1)$, the same for every $j$.

Since $X$ takes only the values 0 and 1, its expectation equals the probability of 1:

$$\E X = 0 \cdot \P(X = 0) + 1 \cdot \P(X = 1) = 0.30$$

By linearity, however, $\E X = 6q$. Therefore

$$6q = 0.30 \;\Longrightarrow\; q = 0.05$$

The key is to read $\E X = 6q$ in reverse. Usually the probabilities of the summands are known and we seek the expectation; here the expectation is known and the same identity becomes an equation for an unknown probability.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
W0402Разминкаступень 1Случайные величины✓разминка
RU

Найдите математическое ожидание суммы очков при броске двух честных кубиков.

EN

Find the expected sum when two fair dice are rolled.

верно
Подсказка / Hint
RU

Не считай распределение суммы. Линейность.

EN

Do not compute the distribution of the sum. Use linearity.

Решение / Solution
RU$$\E(X_1 + X_2) = \E X_1 + \E X_2 = 3.5 + 3.5 = 7$$

Распределение суммы устроено сложно (значения от 2 до 12 с разными вероятностями), но для среднего оно не нужно.

EN$$\E(X_1 + X_2) = \E X_1 + \E X_2 = 3.5 + 3.5 = 7$$

The sum has a nonuniform distribution over the values 2 through 12, but its full distribution is unnecessary for computing the expectation.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
W0403Разминкаступень 1Случайные величины✓разминка
RU

Честную монету бросают 10 раз. Найдите математическое ожидание числа орлов.

EN

A fair coin is tossed 10 times. Find the expected number of heads.

верно
Подсказка / Hint
RU

Индикатор на каждый бросок.

EN

Assign an indicator to each toss.

Решение / Solution
RU

$I_j = 1$, если в $j$-м броске орёл, $\P(I_j = 1) = \frac12$.

$$\E X = 10 \cdot \frac12 = 5$$

Если броски независимы, это биномиальное распределение с $\E = np = 10 \cdot 0.5 = 5$. Но в самом счёте независимость нигде не понадобилась: важно лишь, что в каждом отдельном броске орёл выпадает с вероятностью $\frac12$.

EN

Let $I_j = 1$ if toss $j$ is heads. Then $\P(I_j = 1) = \frac12$, so

$$\E X = 10 \cdot \frac12 = 5$$

For independent tosses this is a binomial distribution with $\E = np = 10 \cdot 0.5 = 5$. Yet independence was not needed in the calculation itself: only the marginal probability $\frac12$ of heads on each toss matters.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
W0404Разминкаступень 1Случайные величины✓разминка
RU

Честную монету бросают до первого выпадения орла. Найдите математическое ожидание числа сделанных бросков (последний, удачный, бросок тоже считается).

EN

A fair coin is tossed until the first head appears. Find the expected number of tosses, including the final successful toss.

верно
Подсказка / Hint
RU

Условие на первый шаг: либо успех сразу, либо мы вернулись в исходную ситуацию.

EN

Condition on the first toss: either success occurs immediately or the process returns to its initial state.

Решение / Solution
RU

Вывод, а не формула. Первый бросок делаем в любом случае. С вероятностью $p = \frac12$ он успешен, и всё закончилось. С вероятностью $1 - p$ орла нет — и мы оказываемся ровно в исходной ситуации, потратив один бросок; среднее числа оставшихся бросков снова равно $\E$:

$$\E = 1 + (1-p)\,\E \;\Longrightarrow\; p\,\E = 1 \;\Longrightarrow\; \E = \frac1p = 2$$
Почему это законно

Ключевая фраза — «оказываемся ровно в исходной ситуации». Монета не помнит прошлого, поэтому после неудачи впереди процесс, устроенный точно так же, как в начале, — и среднее у него то же самое. Если после неудачного шага условия меняются, приём напрямую не работает: тогда процесс режут на этапы.

EN

Derivation, not memorization. We always make the first toss. With probability $p = \frac12$ it succeeds and the process ends. With probability $1-p$ it fails, and after spending one toss we are back in the original situation; the expected number of remaining tosses is again $\E$:

$$\E = 1 + (1-p)\,\E \;\Longrightarrow\; p\,\E = 1 \;\Longrightarrow\; \E = \frac1p = 2$$
Why this is valid

The key phrase is “back in the original situation.” The coin has no memory, so after a failure the future process has exactly the same distribution as at the start. If a failed step changes the conditions, this argument does not apply directly; split the process into stages instead.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью

База

решено 3 из 7

Чистая техника без сюрпризов. Здесь нарабатывается автоматизм.

B0401Базаступень 3обязательнаяСлучайные величины✓авторская
RU

Игральную кость бросают до тех пор, пока среди выпавших граней не окажется трёх различных. Броски независимы. Найдите математическое ожидание общего числа сделанных бросков.

EN

A die is rolled until three distinct faces have appeared. The rolls are independent. Find the expected total number of rolls.

верно
Подсказка / Hint
RU

Пока ждут очередную «новую» грань, вероятность успеха на каждом броске постоянна. Как только новая грань получена, эта вероятность меняется — значит начинается новый этап.

EN

While waiting for the next “new” face, the success probability is constant. Once a new face appears, that probability changes, beginning a new stage.

Решение / Solution
RU

Разобьём процесс на три этапа по числу уже собранных различных граней.

  • Этап 0. Собрано 0 граней. Первый же бросок даёт первую грань: вероятность успеха равна 1, средняя стоимость этапа $\frac11 = 1$ бросок.
  • Этап 1. Собрана 1 грань, «новыми» являются 5 граней из 6. На каждом броске вероятность успеха $p_1 = \frac56$, средняя стоимость этапа $\frac1{p_1} = \frac65$.
  • Этап 2. Собраны 2 грани, новых граней 4. Вероятность успеха $p_2 = \frac46$, стоимость этапа $\frac64 = \frac32$.

Внутри каждого этапа вероятность успеха постоянна, поэтому стоимость этапа — это ровно $\E = 1/p$ из предыдущей задачи. Общее число бросков есть сумма стоимостей трёх этапов, и по линейности

$$\E = 1 + \frac65 + \frac32 = \frac{10 + 12 + 15}{10} = \frac{37}{10} = 3.7$$
Линейность не требует независимости

Длительности этих этапов можно складывать по ожиданию без проверки независимости. Для дисперсии суммы нужны ковариации; независимость достаточна для их обнуления, но не необходима.

EN

Split the process into three stages according to the number of distinct faces already observed.

  • Stage 0. No faces have been collected. The first roll always supplies the first face, so the stage has success probability 1 and mean duration $\frac11 = 1$ roll.
  • Stage 1. One face has been collected, leaving 5 new faces out of 6. Thus $p_1 = \frac56$, and the mean duration is $\frac1{p_1} = \frac65$.
  • Stage 2. Two faces have been collected, leaving 4 new faces. Thus $p_2 = \frac46$, and the mean duration is $\frac64 = \frac32$.

Within each stage the success probability is constant, so its mean duration is the $\E=1/p$ from the previous problem. The total number of rolls is the sum of the three stage durations, and by linearity

$$\E = 1 + \frac65 + \frac32 = \frac{10 + 12 + 15}{10} = \frac{37}{10} = 3.7$$
Linearity does not require independence

The expectations of these stage durations can be added without checking independence. Variance addition requires accounting for covariances; independence is sufficient to make them zero, but not necessary.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
B0402Базаступень 2минимумСлучайные величины✓авторская
RU

Бросают два честных игральных кубика, броски независимы. Пусть $X$ — наибольшее из двух выпавших чисел (если выпали одинаковые числа, $X$ равно этому числу). Найдите $\E X$. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

Two fair dice are rolled independently. Let $X$ be the larger of the two results (or their common value if they are equal). Find $\E X$. Round to four decimal places.

верно
Подсказка / Hint
RU

Распределение максимума строить не надо. Событие «максимум не меньше $k$» устроено гораздо проще, чем «максимум равен $k$».

EN

Do not construct the distribution of the maximum. The event “the maximum is at least $k$” is much simpler than “the maximum equals $k$.”

Решение / Solution
RU

Хвостовая формула: $\E X = \sum_{k \ge 1} \P(X \ge k)$.

Событие $\{X \ge k\}$ противоположно событию «оба кубика показали меньше $k$», то есть каждый показал одно из $k-1$ значений; броски независимы, поэтому вероятности перемножаются:

$$\P(X \ge k) = 1 - \left(\frac{k-1}{6}\right)^2$$

Суммируем по $k = 1, \ldots, 6$ (при $k \ge 7$ вероятность равна нулю):

$$\E X = \sum_{k=1}^{6}\left(1 - \frac{(k-1)^2}{36}\right) = 6 - \frac{0 + 1 + 4 + 9 + 16 + 25}{36} = 6 - \frac{55}{36} = \frac{161}{36} \approx 4.4722$$

Второй ход — тот, который дальше понадобится в финалах. Посчитаем тем же хвостом не максимум, а минимум. Событие $\{\min \ge k\}$ означает «оба кубика не меньше $k$», то есть каждый показал одно из $7-k$ значений, и переходить к дополнению не нужно вовсе:

$$\P(\min \ge k) = \left(\frac{7-k}{6}\right)^2, \qquad \E[\min] = \frac{36 + 25 + 16 + 9 + 4 + 1}{36} = \frac{91}{36}$$

В каждом исходе $\max + \min = X_1 + X_2$: слева и справа стоят те же два числа, только записанные в другом порядке. Возьмём среднее от обеих частей:

$$\E X = \E X_1 + \E X_2 - \E[\min] = 7 - \frac{91}{36} = \frac{161}{36}$$

Два разных счёта дали одно число. Запомни второй ход: когда максимум считать трудно, а минимум легко, считают минимум и вычитают его из суммы средних.

EN

Use the tail-sum formula $\E X = \sum_{k \ge 1} \P(X \ge k)$.

The event $\{X \ge k\}$ is the complement of “both dice are below $k$.” Each die then shows one of $k-1$ values, and independence gives

$$\P(X \ge k) = 1 - \left(\frac{k-1}{6}\right)^2$$

Summing over $k = 1, \ldots, 6$ (all later terms are zero),

$$\E X = \sum_{k=1}^{6}\left(1 - \frac{(k-1)^2}{36}\right) = 6 - \frac{0 + 1 + 4 + 9 + 16 + 25}{36} = 6 - \frac{55}{36} = \frac{161}{36} \approx 4.4722$$

A second approach, useful in later problems. Compute the minimum by the same tail method. The event $\{\min \ge k\}$ means both dice are at least $k$, so each has one of $7-k$ values and no complement is needed:

$$\P(\min \ge k) = \left(\frac{7-k}{6}\right)^2, \qquad \E[\min] = \frac{36 + 25 + 16 + 9 + 4 + 1}{36} = \frac{91}{36}$$

For every outcome, $\max + \min = X_1 + X_2$: both sides contain the same two numbers in a different order. Taking expectations,

$$\E X = \E X_1 + \E X_2 - \E[\min] = 7 - \frac{91}{36} = \frac{161}{36}$$

The two methods agree. Remember the second: when the maximum is hard but the minimum is easy, compute the minimum and subtract it from the sum of the individual expectations.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
B0403Базаступень 3обязательнаяСлучайные величины✓авторская
RU

Величины $X$ и $Y$ независимы и равномерно распределены на отрезке $[0, 1]$. Найдите $\E[\min(X, Y)]$. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

The variables $X$ and $Y$ are independent and uniform on $[0,1]$. Find $\E[\min(X,Y)]$. Round to four decimal places.

верно
Подсказка / Hint
RU

Хвостовая формула работает и для непрерывной величины: $\E Z = \int_0^{\infty}\P(Z > t)\,dt$. Событие «минимум больше $t$» распадается на два условия сразу, без всякого дополнения.

EN

The tail formula also works for continuous variables: $\E Z = \int_0^{\infty}\P(Z > t)\,dt$. The event “the minimum exceeds $t$” splits into two simultaneous conditions, without taking a complement.

Решение / Solution
RU

Минимум лежит на отрезке $[0,1]$, поэтому интегрировать достаточно от 0 до 1.

Событие $\{\min > t\}$ означает «и $X > t$, и $Y > t$». Здесь независимость нужна: она превращает вероятность пересечения в произведение. Для равномерной величины $\P(X \le t) = t$, значит $\P(X > t) = 1 - t$, и

$$\P(\min > t) = \P(X > t)\,\P(Y > t) = (1-t)^2$$

Раскроем скобки и проинтегрируем почленно, пользуясь $\int_0^1 t^n\,dt = \frac{1}{n+1}$:

$$\E[\min] = \int_0^1 (1 - 2t + t^2)\,dt = 1 - 2 \cdot \frac12 + \frac13 = \frac13 \approx 0.3333$$
Что нового по сравнению с двумя кубиками

Ход прежний — считаем «не меньше», а не «ровно», — но сумма по $k$ заменилась интегралом по $t$. И заметь, какая из двух величин посчиталась дешевле: хвост минимума раскладывается в произведение сразу, а хвосту максимума нужен ещё переход к дополнению.

Проверка симметрией, без интегралов

Замкни отрезок в окружность длины 1, склеив точки 0 и 1, и брось на неё три независимые точки; поверни окружность так, чтобы третья точка попала в место склейки. Тогда две оставшиеся — это ровно наши $X$ и $Y$, а три дуги между тремя точками переходят друг в друга поворотом и потому в среднем равны $\frac13$. Первая дуга — это и есть минимум.

EN

The minimum lies in $[0,1]$, so it is enough to integrate from 0 to 1.

The event $\{\min > t\}$ means both $X > t$ and $Y > t$. Independence turns the probability of this intersection into a product. Since $\P(X \le t)=t$ for a uniform variable, $\P(X > t)=1-t$, and hence

$$\P(\min > t) = \P(X > t)\,\P(Y > t) = (1-t)^2$$

Expand and integrate term by term, using $\int_0^1 t^n\,dt = \frac{1}{n+1}$:

$$\E[\min] = \int_0^1 (1 - 2t + t^2)\,dt = 1 - 2 \cdot \frac12 + \frac13 = \frac13 \approx 0.3333$$
What changed from the two-dice problem?

The method is the same—count “at least,” not “exactly”—but the sum over $k$ is replaced by an integral over $t$. Notice also which quantity is cheaper: the minimum's tail factors immediately, while the maximum's tail requires an additional complement.

Symmetry check without integration

Join 0 and 1 to make the interval a circle of circumference 1, place three independent points on it, and rotate the circle until the third point reaches the join. The other two points are precisely $X$ and $Y$. Rotation permutes the three arcs between the points, so their expected lengths are equal to $\frac13$. The first arc is exactly the minimum.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
B0404Базаступень 3обязательнаяВероятностьавторская
RU

Спутник за сутки передаёт не более одного аварийного сигнала. Сутки разбиты на 24 часа, и вероятность того, что сигнал придёт именно в данный час, для всех часов одна и та же и равна $0.02$.

Известно, что за первые двадцать часов сигнала не было. Найдите вероятность того, что сигнал придёт в один из двух последних часов суток. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

A satellite transmits at most one emergency signal per day. The day is divided into 24 hours, and the probability that the signal occurs in any specified hour is the same for all hours and equals $0.02$.

It is known that no signal occurred during the first twenty hours. Find the probability that a signal occurs in one of the final two hours of the day. Round to four decimal places.

неверно · 3-я попытка
Подсказка / Hint
RU

И числитель, и знаменатель собираются из часовых событий. Для каждого реши, складывать вероятности или перемножать. И проверь, содержится ли одно событие в другом.

EN

Both numerator and denominator are assembled from hourly events. For each, decide whether to add or multiply probabilities, and check whether one event is contained in the other.

Решение / Solution
RU

Обозначим $A$ — «сигнал придёт в 23-й или 24-й час», $B$ — «за первые двадцать часов сигнала не было».

Числитель. События «сигнал в 23-й час» и «сигнал в 24-й час» несовместны: сигнал за сутки не более одного. У несовместных событий вероятности складываются:

$$\P(A) = 0.02 + 0.02 = 0.04$$

Знаменатель. Событие $B$ противоположно объединению двадцати попарно несовместных событий «сигнал в $j$-й час», $j \le 20$:

$$\P(B) = 1 - 20 \cdot 0.02 = 0.6$$

Вложенность. Если сигнал пришёл в 23-й или 24-й час, то в первые двадцать часов его и не было — значит $A$ влечёт $B$, и $\P(A \cap B) = \P(A)$. Отсюда

$$\P(A \mid B) = \frac{\P(A)}{\P(B)} = \frac{0.04}{0.6} = \frac{1}{15} \approx 0.0667$$
Проверка полной группой

При условии $B$ остаются пять исходов: сигнал в 21-й, 22-й, 23-й, 24-й час или сигнала не будет вовсе. Их условные вероятности — четыре штуки по $\frac{0.02}{0.6}$ и одна $\frac{1 - 24 \cdot 0.02}{0.6} = \frac{0.52}{0.6}$. Сумма равна $\frac{0.08 + 0.52}{0.6} = 1$: полная группа сошлась, значит и $\P(B)$ найдена верно.

Ответ больше безусловной $\P(A) = 0.04$: известие «сигнала ещё не было» перераспределило вероятность на оставшиеся часы.

EN

Let $A$ be “the signal occurs in hour 23 or 24,” and $B$ be “no signal occurs in the first twenty hours.”

Numerator. The events “signal in hour 23” and “signal in hour 24” are disjoint because there is at most one signal per day. Therefore

$$\P(A) = 0.02 + 0.02 = 0.04$$

Denominator. Event $B$ is the complement of the union of twenty pairwise disjoint events “signal in hour $j$,” $j \le 20$:

$$\P(B) = 1 - 20 \cdot 0.02 = 0.6$$

Containment. If the signal occurs in hour 23 or 24, then none occurred in the first twenty hours. Thus $A$ implies $B$, so $\P(A \cap B)=\P(A)$ and

$$\P(A \mid B) = \frac{\P(A)}{\P(B)} = \frac{0.04}{0.6} = \frac{1}{15} \approx 0.0667$$
Check with an exhaustive partition

Given $B$, five outcomes remain: a signal in hour 21, 22, 23, or 24, or no signal at all. Their conditional probabilities are four copies of $\frac{0.02}{0.6}$ and one copy of $\frac{1 - 24 \cdot 0.02}{0.6} = \frac{0.52}{0.6}$. Their sum is $\frac{0.08 + 0.52}{0.6} = 1$, confirming the denominator.

The answer exceeds the unconditional $\P(A)=0.04$: learning that no signal has occurred yet redistributes probability over the remaining hours.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
B0405Базаступень 3Случайные величиныавторская
RU

Колода из 12 карт, среди которых 3 красные, случайно перетасована: все порядки карт равновероятны. Карты снимают сверху по одной, пока не появится красная. Найдите математическое ожидание числа снятых карт, включая последнюю, красную. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

A 12-card deck containing 3 red cards is uniformly shuffled. Cards are drawn from the top until the first red card appears. Find the expected number of cards drawn, including the final red card. Round to four decimal places.

неверно · 3-я попытка
Подсказка / Hint
RU

Считать надо чёрные карты, а не красные: сколько чёрных успеет выйти до первой красной? Повесь индикатор на каждую чёрную карту и спроси, что означает для неё единица.

EN

Count black cards, not red ones: how many black cards appear before the first red? Assign an indicator to each black card and interpret the value 1.

Решение / Solution
RU

Пусть $X$ — число снятых карт. Последняя из них красная, а все предыдущие чёрные, поэтому

$$X = 1 + (\text{число чёрных карт, лежащих выше всех трёх красных})$$

Чёрных карт девять. Для $j$-й из них положим $I_j = 1$, если она лежит выше всех трёх красных; тогда число чёрных карт, вышедших до первой красной, равно $I_1 + \cdots + I_9$.

Вероятность одного слагаемого берётся симметрией. Посмотрим только на четыре карты: данную чёрную и три красные. Между собой они идут во всех $4!$ порядках равновероятно, и ровно в четверти из них первой оказывается чёрная:

$$\P(I_j = 1) = \frac14$$

Индикаторы зависимы — если одна чёрная карта вышла раньше всех красных, шансы остальных меняются, — но линейности это безразлично:

$$\E X = 1 + 9 \cdot \frac14 = 1 + \frac94 = \frac{13}{4} = 3.25$$
Это лемма о промежутках в малом размере

Формула из урока даёт $\frac{n+1}{k+1} = \frac{12+1}{3+1} = \frac{13}{4}$ — сошлось. Тот же ответ виден и через промежутки: три красные карты делят девять чёрных на четыре промежутка, в среднем по $\frac94$ карты в каждом, а до первой красной проходят один промежуток и саму красную карту.

Запомни ход с индикатором на «неправильный» объект: спрашивали про карты до красной, а индикатор повесился на чёрную карту. В задаче ступени ШАД он же работает при $n = 52$.

EN

Let $X$ be the number of cards drawn. The final card is red and all preceding cards are black, so

$$X = 1 + (\text{number of black cards above all three red cards})$$

There are nine black cards. For black card $j$, let $I_j=1$ if it lies above all three red cards. Then the number of black cards drawn before the first red is $I_1 + \cdots + I_9$.

Use symmetry for one term. Consider only this black card and the three red cards. Their $4!$ relative orders are equally likely, and the black card comes first in exactly one quarter:

$$\P(I_j = 1) = \frac14$$

The indicators are dependent—if one black card precedes every red card, the chances for the others change—but linearity is unaffected:

$$\E X = 1 + 9 \cdot \frac14 = 1 + \frac94 = \frac{13}{4} = 3.25$$
A small instance of the gaps lemma

The lesson's formula gives $\frac{n+1}{k+1} = \frac{12+1}{3+1} = \frac{13}{4}$. Equivalently, three red cards split nine black cards into four gaps, each containing an average of $\frac94$ cards. Before the first red, we pass through one gap and then draw that red card.

Remember the trick of placing an indicator on the “wrong” object: the question asks about cards before a red card, but the indicators belong to black cards. The SHAD-level problem uses the same idea with $n=52$.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
B0406Базаступень 3обязательнаяСлучайные величиныавторская
RU

Случайная двоичная строка длины 21 составлена независимыми честными битами. Найдите математическое ожидание числа позиций $i$, для которых $s_i = s_{i+1}$.

EN

A random binary string of length 21 consists of independent fair bits. Find the expected number of positions $i$ for which $s_i = s_{i+1}$.

Подсказка / Hint
RU

Индикатор на пару соседей, а не на бит. Сколько всего пар?

EN

Place an indicator on each adjacent pair, not on each bit. How many pairs are there?

Решение / Solution
RU

Соседних пар ровно $21 - 1 = 20$. Для каждой пары $\P(s_i = s_{i+1}) = \frac12$.

$$\E X = 20 \cdot \frac12 = 10$$
Ошибка на единицу

Соблазн написать $21 \cdot \frac12 = 10.5$. Битов 21, а пар 20. На онлайн-этапе, где принимается только число, такая ошибка стоит целой задачи, хотя метод был верный. Всегда спрашивай себя: сколько именно объектов я считаю?

EN

There are exactly $21 - 1 = 20$ adjacent pairs. For each pair, $\P(s_i = s_{i+1}) = \frac12$.

$$\E X = 20 \cdot \frac12 = 10$$
An off-by-one error

It is tempting to write $21 \cdot \frac12 = 10.5$. There are 21 bits but only 20 pairs. In an online round that accepts only a number, this costs the entire problem despite the correct method. Always ask: exactly how many objects am I counting?

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
B0407Базаступень 2минимумСлучайные величиныавторская
RU

Пять различных писем независимо раскладывают по трём ящикам: каждое письмо попадает в каждый из ящиков с вероятностью $\frac13$. Найдите математическое ожидание числа ящиков, в которых окажется хотя бы одно письмо. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

Five distinct letters are independently placed into three mailboxes; each letter enters each mailbox with probability $\frac13$. Find the expected number of mailboxes that contain at least one letter. Round to four decimal places.

Подсказка / Hint
RU

Считаем ящики — значит индикатор на ящик. Событие «в ящике есть хотя бы одно письмо» прямо считать неудобно; посмотри на противоположное.

EN

We are counting mailboxes, so assign an indicator to each mailbox. Compute “contains at least one letter” through its complement.

Решение / Solution
RU

Пусть $I_j = 1$, если в $j$-м ящике оказалось хотя бы одно письмо, $j = 1, 2, 3$. Число непустых ящиков равно $X = I_1 + I_2 + I_3$.

Прямой счёт $\P(I_j = 1)$ развалился бы на случаи «ровно одно письмо», «ровно два» и так далее. Противоположное событие ровно одно: все пять писем прошли мимо $j$-го ящика, а каждое делает это независимо с вероятностью $\frac23$.

$$\P(I_j = 1) = 1 - \left(\frac23\right)^5 = 1 - \frac{32}{243} = \frac{211}{243}$$

Ящики равноправны, поэтому все три слагаемых одинаковы, и по линейности

$$\E X = 3 \cdot \frac{211}{243} = \frac{211}{81} \approx 2.6049$$
Проверка дополнением

Среднее число пустых ящиков равно $3\left(\frac23\right)^5 = \frac{32}{81} \approx 0.3951$, а сумма $2.6049 + 0.3951 = 3$ — ровно столько ящиков и есть. Такая проверка мгновенно ловит перепутанные «есть» и «нет».

EN

Let $I_j=1$ if mailbox $j$ contains at least one letter, for $j=1, 2, 3$. The number of nonempty mailboxes is $X=I_1+I_2+I_3$.

A direct calculation of $\P(I_j=1)$ would split into exactly one letter, exactly two, and so on. The complement is a single event: all five letters miss mailbox $j$, each independently with probability $\frac23$. Therefore

$$\P(I_j = 1) = 1 - \left(\frac23\right)^5 = 1 - \frac{32}{243} = \frac{211}{243}$$

The mailboxes are symmetric, so by linearity

$$\E X = 3 \cdot \frac{211}{243} = \frac{211}{81} \approx 2.6049$$
Complement check

The expected number of empty mailboxes is $3\left(\frac23\right)^5 = \frac{32}{81} \approx 0.3951$. The sum $2.6049 + 0.3951 = 3$ equals the total number of mailboxes, instantly catching any swap of “empty” and “nonempty.”

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью

Уровень YMLS

решено 0 из 3

Целевая сложность вступительного экзамена. Ответ — число.

Y0401Уровень YMLSступень 4минимумСлучайные величиныуровень YMLS · собиратель купонов
RU

Кубик бросают до тех пор, пока не выпадут все шесть граней хотя бы по одному разу. Броски независимы. Найдите математическое ожидание числа бросков.

EN

A die is rolled until all six faces have appeared at least once. The rolls are independent. Find the expected number of rolls.

Подсказка / Hint
RU

Разбей процесс на этапы: сколько бросков нужно, чтобы получить новую грань, когда уже собрано $k$ граней?

EN

Split the process into stages. If $k$ faces have already appeared, how many rolls are expected until a new face appears?

Решение / Solution
RU

Разобьём процесс на шесть этапов. Когда собрано $k$ граней, вероятность, что очередной бросок даст новую грань, равна $\frac{6-k}{6}$. Значит среднее число бросков на этом этапе равно $\frac{6}{6-k}$ (геометрическое распределение).

По линейности складываем этапы:

$$\E = \frac66 + \frac65 + \frac64 + \frac63 + \frac62 + \frac61 = 6\left(1 + \tfrac12 + \tfrac13 + \tfrac14 + \tfrac15 + \tfrac16\right) = 6 \cdot \frac{49}{20} = 14.7$$
Где прячется вся стоимость

Последняя, шестая грань стоит в среднем 6 бросков — больше, чем первые четыре вместе. Общая формула: $\E = n H_n \approx n \ln n$. Для 50 карточек это уже около 225 покупок. «Хвост» всегда самый дорогой — полезная интуиция и за пределами задач.

EN

Split the process into six stages. When $k$ faces have been collected, the next roll produces a new face with probability $\frac{6-k}{6}$. The expected duration of that stage is therefore $\frac{6}{6-k}$ by the geometric distribution.

By linearity, add the stage durations:

$$\E = \frac66 + \frac65 + \frac64 + \frac63 + \frac62 + \frac61 = 6\left(1 + \tfrac12 + \tfrac13 + \tfrac14 + \tfrac15 + \tfrac16\right) = 6 \cdot \frac{49}{20} = 14.7$$
Where most of the cost lies

The final, sixth face alone takes 6 rolls on average—more than the first four faces combined. In general, $\E = n H_n \approx n \ln n$. Collecting 50 different cards would take about 225 purchases. The tail is always the most expensive part, a useful intuition beyond exams.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
Y0403Уровень YMLSступень 4минимумВероятностьОфициальная задача YMLS · Practice Problem 4, Q1
RU

Детектор работает $T = 10$ секунд. Вероятность зарегистрировать ровно одну частицу за время $T$ равна $p = 0.2025$; двух и более частиц за это время быть не может. Вероятность того, что частица будет зарегистрирована именно в данную секунду, для всех десяти секунд одна и та же.

Известно, что за первые девять секунд частица не зарегистрирована. Найдите вероятность того, что она будет зарегистрирована на десятой секунде. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

A detector operates for $T=10$ seconds. The probability of recording exactly one particle during time $T$ is $p=0.2025$, and two or more particles cannot be recorded during this time. The probability that a particle is recorded in any specified second is the same for all ten seconds.

It is known that no particle was recorded in the first nine seconds. Find the probability that one is recorded in the tenth second. Round to four decimal places.

Подсказка / Hint
RU

Задача складывается из двух отработанных ходов: сначала вытащи вероятность одной секунды из среднего, как в разминке про брак, потом пересчитай при условии, как в задаче про спутник.

EN

Combine two familiar ideas: first recover the one-second probability from an expectation, as in the defect warm-up; then condition on the observation, as in the satellite problem.

Решение / Solution
RU

Шаг 1: найти $q$. Пусть $q$ — вероятность регистрации в конкретную секунду, $I_j$ — индикатор регистрации на $j$-й секунде. Число зарегистрированных частиц $N = I_1 + \cdots + I_{10}$ принимает только значения 0 и 1, поэтому $\E N = \P(N = 1) = 0.2025$, а по линейности $\E N = 10q$:

$$10q = 0.2025 \;\Longrightarrow\; q = 0.02025$$

Шаг 2: пересчитать при условии. «Частицы нет за первые девять секунд» — событие, противоположное объединению девяти несовместных событий:

$$\P(B) = 1 - 9q = 1 - 0.18225 = 0.81775$$

Событие $A$ — «частица на десятой секунде» — целиком содержится в $B$: раз частица одна, то на первых девяти секундах её и не было. Поэтому $\P(A \cap B) = \P(A) = q$ и

$$\P(A \mid B) = \frac{q}{1 - 9q} = \frac{0.02025}{0.81775} \approx 0.0248$$
Ловушка задачи

Инстинкт подсказывает: «интервалы независимы, значит перемножаем». Здесь это неверно: «двух и более быть не может» делает односекундные события несовместными, а не независимыми. Посчитав $\P(B) = (1-q)^9 \approx 0.8318$, получишь $0.0243$ вместо $0.0248$ — ответ, разошедшийся в третьей значащей цифре и потому не принятый.

EN

Step 1: find $q$. Let $q$ be the probability of a recording in a specified second, and let $I_j$ indicate a recording in second $j$. The number of recorded particles $N=I_1+\cdots+I_{10}$ takes only 0 and 1, so $\E N=\P(N=1)=0.2025$. By linearity, $\E N=10q$:

$$10q = 0.2025 \;\Longrightarrow\; q = 0.02025$$

Step 2: condition. “No particle in the first nine seconds” is the complement of the union of nine disjoint events:

$$\P(B) = 1 - 9q = 1 - 0.18225 = 0.81775$$

Let $A$ be “a particle in the tenth second.” Then $A \subseteq B$: since there can be only one particle, its occurrence in the tenth second excludes an earlier occurrence. Hence $\P(A \cap B)=\P(A)=q$, and

$$\P(A \mid B) = \frac{q}{1 - 9q} = \frac{0.02025}{0.81775} \approx 0.0248$$
The trap

One may instinctively treat the seconds as independent and multiply. That is wrong: the rule “at most one particle” makes the one-second events disjoint, not independent. Using $\P(B)=(1-q)^9 \approx 0.8318$ would give $0.0243$ instead of $0.0248$, differing in the third significant digit and therefore not accepted.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
Y0404Уровень YMLSступень 4минимумСлучайные величиныуровень YMLS
RU

Величины $X$ и $Y$ независимы и равномерно распределены на отрезке $[0, 1]$. Найдите $\E[\max(X, Y)]$. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

The variables $X$ and $Y$ are independent and uniform on $[0,1]$. Find $\E[\max(X,Y)]$. Round to four decimal places.

Подсказка / Hint
RU

Событие «максимум не превосходит $t$» означает «оба не превосходят $t$» — и для независимых величин эта вероятность распадается в произведение.

EN

“The maximum is at most $t$” means both variables are at most $t$; independence makes that probability a product.

Решение / Solution
RU

Первый путь — хвостовая формула. Для неотрицательной величины $\E Z = \int_0^{\infty} \P(Z > t)\,dt$, а максимум лежит в $[0,1]$, поэтому интеграл идёт от 0 до 1.

$$\P(\max \le t) = \P(X \le t)\,\P(Y \le t) = t^2 \;\Longrightarrow\; \P(\max > t) = 1 - t^2$$$$\E[\max] = \int_0^1 (1 - t^2)\,dt = 1 - \frac13 = \frac23 \approx 0.6667$$

Второй путь — тождество, без единого нового интеграла. В каждом исходе $\max(X,Y) + \min(X,Y) = X + Y$, поэтому

$$\E[\max] = \E X + \E Y - \E[\min] = \frac12 + \frac12 - \frac13 = \frac23$$

Среднее минимума посчитано в задаче b0403, и хвост там был короче. Это общее правило: из пары «максимум и минимум» считают ту величину, чей хвост проще, а вторую получают вычитанием из суммы средних.

Проверка симметрией, вообще без счёта

Замкни отрезок в окружность длины 1, склеив точки 0 и 1, и брось на неё три независимые точки; поверни окружность так, чтобы третья точка попала в место склейки. Две оставшиеся — это ровно $X$ и $Y$, а три дуги переходят друг в друга поворотом и потому в среднем равны $\frac13$. Минимум отстоит от нуля на одну дугу, максимум — на две: $\E[\min] = \frac13$, $\E[\max] = \frac23$.

Общий факт: $n$ независимых равномерных точек делят $[0,1]$ на $n+1$ в среднем равный кусок, поэтому $\E[\min] = \frac{1}{n+1}$, $\E[\max] = \frac{n}{n+1}$. Дискретный близнец — лемма о промежутках, которую ты применял в задаче b0405.

EN

First method—the tail formula. For a nonnegative variable, $\E Z=\int_0^{\infty}\P(Z>t)\,dt$. Since the maximum lies in $[0,1]$, integrate from 0 to 1:

$$\P(\max \le t) = \P(X \le t)\,\P(Y \le t) = t^2 \;\Longrightarrow\; \P(\max > t) = 1 - t^2$$$$\E[\max] = \int_0^1 (1 - t^2)\,dt = 1 - \frac13 = \frac23 \approx 0.6667$$

Second method—an identity with no new integral. For every outcome, $\max(X,Y)+\min(X,Y)=X+Y$. Therefore

$$\E[\max] = \E X + \E Y - \E[\min] = \frac12 + \frac12 - \frac13 = \frac23$$

The expected minimum was found in b0403, where its tail was simpler. In general, for a maximum/minimum pair, compute the one with the simpler tail and recover the other from the sum.

Symmetry check with no calculation

Join 0 and 1 to form a circle of circumference 1, place three independent points on it, and rotate until the third point is at the join. The other two points are $X$ and $Y$. Rotation permutes the three arcs, so each has expected length $\frac13$. The minimum is one arc from zero and the maximum two arcs away: $\E[\min]=\frac13$, $\E[\max]=\frac23$.

More generally, $n$ independent uniform points divide $[0,1]$ into $n+1$ gaps of equal expected length, so $\E[\min]=\frac{1}{n+1}$ and $\E[\max]=\frac{n}{n+1}$. The discrete analogue is the gaps lemma used in b0405.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью

Уровень ШАД

решено 0 из 1

Выше, чем требуется. Берём только там, где тема реально встречалась на их экзаменах.

S0401Уровень ШАДступень 4Случайные величиныОлимпиада ШАД 2025, задача «Инклюзивный марьяж»
RU

Из стандартной колоды в 52 карты вынимают карты по одной без возвращения. Найдите математическое ожидание числа карт, которое нужно вынуть, чтобы среди них оказались и король, и дама. Считается общее число вынутых карт, включая последнюю. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

Cards are drawn without replacement from a standard 52-card deck. Find the expected number of cards that must be drawn until both a king and a queen have appeared, counting the final card. Round to four decimal places.

неверно · 1-я попытка
Подсказка / Hint
RU

И «номер первого короля», и «номер первой дамы» считаются леммой о промежутках. Максимум из них напрямую не считается: вспомни тождество $\max + \min = $ сумма и подумай, что такое здесь минимум.

EN

The positions of the first king and the first queen are both handled by the gaps lemma. Their maximum is harder to compute directly: recall the identity $\max + \min = $ sum, and interpret the minimum here.

Решение / Solution
RU

Лемма о промежутках. В колоде из $n$ карт помечены $k$. Среднее число карт, которое нужно вынуть до первой помеченной включительно, равно

$$\E = \frac{n+1}{k+1}$$

Доказательство закольцовыванием — самое короткое из существующих. Добавим сверху ещё одну помеченную карту и замкнём колоду из $n+1$ карты в круг. Случайно повернём круг. Теперь помеченных карт $k+1$, и они разбивают круг на $k+1$ дугу из непомеченных карт. Дуги переходят друг в друга поворотом, значит в среднем одинаковы, и в каждой $\frac{n-k}{k+1}$ карт.

Считая от добавленной карты, до первой настоящей помеченной надо пройти одну дугу и саму помеченную карту:

$$\E = \frac{n-k}{k+1} + 1 = \frac{n+1}{k+1}$$

Решение задачи. Пусть $\xi$ — номер первого короля, $\eta$ — первой дамы. Нужно $\E\max\{\xi, \eta\}$. Максимум напрямую считать тяжело, но выручает тождество

$$\max\{\xi,\eta\} + \min\{\xi,\eta\} = \xi + \eta$$

Здесь $\min\{\xi,\eta\}$ — момент появления первой из восьми выделенных карт (четыре короля и четыре дамы вместе). Все три величины считаются по лемме:

$$\E\xi = \E\eta = \frac{52+1}{4+1} = \frac{53}{5}, \qquad \E\min = \frac{52+1}{8+1} = \frac{53}{9}$$$$\E\max = \frac{53}{5} + \frac{53}{5} - \frac{53}{9} = \frac{689}{45} \approx 15.3111$$
Что забрать на YMLS

Два приёма, каждый из которых работает далеко за пределами этой задачи.

Первый — лемма $\frac{n+1}{k+1}$. Закрывает целый класс задач «сколько тянуть до первого нужного». В малом размере ты вывел её индикаторами в задаче b0405, здесь она применена трижды подряд — к королям, к дамам и к восьми картам сразу.

Второй — тождество $\max + \min$. Если максимум считать трудно, а минимум легко, считай минимум и вычитай. Это общий приём, а не трюк для карт: сегодня он уже работал в задаче про два кубика и в задаче про две равномерные точки.

EN

Gaps lemma. In a deck of $n$ cards, suppose $k$ are marked. The expected number of cards drawn up to and including the first marked card is

$$\E = \frac{n+1}{k+1}$$

Circular proof. Add one marked card to the top and join the $n+1$ cards into a circle, then rotate the circle uniformly at random. The $k+1$ marked cards divide the circle into $k+1$ gaps of unmarked cards. Rotation permutes these gaps, so they have the same expected size, $\frac{n-k}{k+1}$.

Starting from the added card, reaching the first original marked card requires crossing one gap and then drawing the marked card itself:

$$\E = \frac{n-k}{k+1} + 1 = \frac{n+1}{k+1}$$

Apply the lemma. Let $\xi$ be the position of the first king and $\eta$ the position of the first queen. We need $\E\max\{\xi,\eta\}$. Use

$$\max\{\xi,\eta\} + \min\{\xi,\eta\} = \xi + \eta$$

Here $\min\{\xi,\eta\}$ is the position of the first among eight marked cards: the four kings and four queens together. The lemma gives

$$\E\xi = \E\eta = \frac{52+1}{4+1} = \frac{53}{5}, \qquad \E\min = \frac{52+1}{8+1} = \frac{53}{9}$$$$\E\max = \frac{53}{5} + \frac{53}{5} - \frac{53}{9} = \frac{689}{45} \approx 15.3111$$
What to carry into YMLS

Two techniques here apply far beyond this problem.

First, the $\frac{n+1}{k+1}$ gaps lemma. It resolves an entire class of “how many draws until the first target?” questions. You derived its small version using indicators in b0405; here it is applied three times—to kings, queens, and all eight marked cards.

Second, the identity $\max + \min$. When the maximum is hard and the minimum easy, compute the minimum and subtract. This is a general method, not a card trick; it already appeared in the problems about two dice and two uniform variables.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью

Мини-тест под таймером

20 минут

Одна задача, таймер идёт, подсказки и решение не открываются до истечения времени. Это тренировка не математики, а поведения под давлением.

Y0402Уровень YMLSступень 4минимумСлучайные величиныуровень YMLS
RU

Кубик бросают 6 раз, броски независимы. Найдите математическое ожидание числа различных граней, выпавших хотя бы один раз. Ответ округлите до четырёх знаков после запятой.

EN

A die is rolled independently 6 times. Find the expected number of distinct faces that appear at least once. Round to four decimal places.

Подсказка / Hint
RU

Индикатор на грань, а не на бросок. Вероятность считай через дополнение.

EN

Assign an indicator to each face, not each roll. Use the complement for its probability.

Решение / Solution
RU

Пусть $I_j = 1$, если грань $j$ выпала хотя бы раз, $j = 1, \ldots, 6$.

$$\P(I_j = 1) = 1 - \P(\text{грань }j\text{ ни разу}) = 1 - \left(\frac56\right)^6$$$$\E X = 6\left(1 - \left(\frac56\right)^6\right) = 6\left(1 - \frac{15\,625}{46\,656}\right) = \frac{31\,031}{7776} \approx 3.9906$$
Главное решение в этой задаче

Куда вешать индикатор. Естественно хочется — на бросок, но тогда непонятно, что считать. Мы считаем грани, значит и индикатор на грань. Это решение принимается до всех вычислений, и от него зависит, получится задача или нет.

Проверка правдоподобности

Ответ обязан лежать между 1 и 6 и быть ближе к 4: собрать все шесть граней за шесть бросков почти невозможно ($6!/6^6 \approx 1.5\%$). Получили 3.99 — правдоподобно. Ещё проверка: среднее число граней, не выпавших ни разу, равно $6\left(\frac56\right)^6 \approx 2.0094$, и в сумме получается ровно 6.

EN

Let $I_j=1$ if face $j$ appears at least once, for $j=1,\ldots,6$.

$$\P(I_j = 1) = 1 - \P(\text{face }j\text{ never appears}) = 1 - \left(\frac56\right)^6$$$$\E X = 6\left(1 - \left(\frac56\right)^6\right) = 6\left(1 - \frac{15\,625}{46\,656}\right) = \frac{31\,031}{7776} \approx 3.9906$$
The main decision in this problem

Decide where to place the indicator. A roll may seem natural, but then it is unclear what to count. We are counting faces, so indicators belong to faces. This modeling decision comes before any calculation and determines whether the solution works.

Plausibility check

The answer must lie between 1 and 6 and should be near 4: seeing all six faces in six rolls is very unlikely ($6!/6^6 \approx 1.5\%$). The result 3.99 is plausible. Also, the expected number of missing faces is $6\left(\frac56\right)^6 \approx 2.0094$, and the two expectations sum to 6.

уверенность1 — угадал, 5 — уверен полностью
день закрыт, когда
По любой сегодняшней задаче за 20 секунд называешь вслух объект, на который вешается индикатор, и пишешь $X = I_1 + \cdots + I_n$ раньше, чем считаешь хоть что-нибудьFor any problem today, name aloud within 20 seconds the object that receives the indicator and write $X = I_1 + \cdots + I_n$ before calculating anything
Увидев «хотя бы раз» внутри индикатора, сразу переходишь к дополнению и не начинаешь разбор случаев «ровно один», «ровно два»When you see “at least once” inside an indicator, switch immediately to the complement and do not start casework for “exactly one,” “exactly two,” and so on
Выводишь $\E = 1/p$ уравнением условия на первый шаг за 30 секунд без подглядывания и объясняешь, где в выводе работает слово «ровно»Derive $\E = 1/p$ from the first-step equation in 30 seconds without looking, and explain where the word “exactly” is used in the derivation
Услышав «среднее максимума», за 20 секунд называешь оба хода — хвостовую формулу и тождество $\max + \min = X + Y$ — и говоришь, у какой из двух величин хвост прощеWhen you hear “expected maximum,” name both routes within 20 seconds—the tail formula and $\max + \min = X + Y$—and say which of the two quantities has the simpler tail
Все четыре обязательные задачи (b0401, b0403, b0404, b0406) решены без подсказки и без разбораSolve all four mandatory problems (b0401, b0403, b0404, b0406) without hints or walkthroughs
Мини-тест y0402 сдан за 15 минут с первого ввода, и ты можешь сказать, каким стал бы ответ при 12 бросках (около 5.33), не пересчитывая задачу зановоSubmit mini-test y0402 within 15 minutes on the first entry, and say what the answer would become with 12 rolls (about 5.33) without recalculating the problem from scratch
аудит дня
RU

Раздели сегодняшние ошибки на три типа и запиши в журнал каждую.

Первый тип — полез строить распределение там, где хватало разложения в сумму. Запиши, в скольких задачах это случилось: к двенадцатому дню число должно стать нулём. Второй — разложение построил верно, но повесил индикатор не на тот объект либо ошибся на единицу в числе слагаемых. Третий — перепутал несовместность с независимостью: сложил там, где надо было перемножить, или наоборот.

Диагнозы разные. Первый лечится триггерами, второй — вопросом «что именно я считаю», заданным вслух до начала счёта, третий — возвратом ко второму дню. Если ошибок третьего типа сегодня больше одной, завтрашние 15 минут разогрева уходят на карточки про независимость и несовместность, а не на новые.

EN

Separate errors into three types and log each one. Type 1 is a modeling error: you marked rolls or people instead of the objects being counted, or failed to write the sum identity. Type 2 is a probability error: you confused disjointness with independence or used a complement incorrectly. Type 3 is arithmetic: the model and method were right, but a product, combination, or decimal conversion was wrong.

Treat them differently. Type 1 requires rewriting the indicators; Type 2 requires a story check (“can two of these events happen at once?”); Type 3 requires a second arithmetic route. If you make more than two Type 1 or Type 2 errors today, use tomorrow’s warm-up to reread the corresponding triggers instead of reviewing cards.