LABORATORIO SCIENTIFICO Classi III È possibile misurare la fortuna? Scuola edia Rainerum Un po’ di storia … Il gioco dei dadi ha sempre affascinato l’umanità: era una sfida alla fortuna. Giocavano a dadi gli Egiziani nel 5000a.C., i Greci, gli Etruschi, i Romani … Si giocava a dadi nelle più diverse parti del mondo e in tutte le epoche: nel Medioevo, nel Rinascimento … sempre. X V I Il matematico G. Cardano (1501-1576) scrive il “Liber de ludo aleae” (Libro sul gioco dei dadi), che verrà pubblicato solo 87 anni dopo la sua morte. X V II il cavaliere De Méré si pose questo quesito: ”È preferibile, scommettere sull’uscita di ALMENO un 6 lanciando 4 volte un dado oppure ALMENO un doppio 6 lanciando 24 volte due dadi?” X V II De Meré chiese a Blaise Pascal e Pierre De Fermat di studiare il problema Dagli studi dei due matematici scaturì la moderna Teoria delle Probabilità (1650 circa) X V II 1656 L’olandese C. Huygens, prendendo spunto dal carteggio tra Pascal e Fermat, pubblica “De ratiociniis in ludo aleae” (Ragionamenti nel gioco dei dadi) X V III Nel 1713 viene pubblicato postumo il volume ”Ars conjectandi” (L’arte di congetturare) dello svizzero J. Bernoulli. Nel volume si propone l’uso della probabilità nel campo della medicina e della meteorologia. X I X Il tedesco C.F. Gauss utilizza la probabilità nello studio della geodesia e topografia. L’abate G. Mendel pone le basi della genetica usando metodi probabilistici. X X L’inglese K. Pearson introduce l’indagine statistica nella medicina e nella biologia. Nel 1944 l’americano di origine ungherese J.Von Neumann pubblica “Theory of Games end Economic Behavior” (Teoria dei giochi e comportamento economico), dando inizio alle applicazioni della teoria dei giochi nelle scienze sociali, nelle strategie elettorali, nell’economia. Un po’ di terminologia … T E R M I N O L O G I A EVENTO (E) Ogni possibile risultato dell’esperimento Esperimento: lancio di una moneta Esperimento: lancio di un dado Evento (Risultati possibili): Evento (Risultati possibili): Testa , Croce 1, 2, 3, 4, 5, 6, # pari , # dispari, 3 o 5, 1 o 2 o 6, …, # < 2, # <4, … , # > 1, # >3, … , T E R M I N O L O G I A SPAZIO DEGLI EVENTI (S) l’INSIEME di tutti i risultati dell’esperimento Esperimento: lancio di una moneta Esperimento: lancio di un dado Spazio degli Eventi: {Testa, Croce} {1,2,3,4,5,6,#pari,#dispari,3o5, 1o2o6,#<2,#<4,#>1,#>3, …} S T Spazio degli Eventi: S C <2 <3 2 <5 1 3 >6 4 pari < 6 5 6 >3 … dispari T E R M I N O L O G I A EVENTO CERTO Evento che SICURAMENTE si verificherà Esperimento: lancio di una moneta Esperimento: lancio di un dado EVENTO CERTO: Esce TESTA o CROCE EVENTO CERTO: Esce un numero compreso tra 1 e 6 T E R M I N O L O G I A EVENTO POSSIBILE Evento che PUÒ verificarsi Esperimento: lancio di una moneta Esperimento: lancio di un dado EVENTI POSSIBILI: Esce TESTA Esce CROCE EVENTI POSSIBILI: Esce 1 Esce 2 Esce un # 3 Esce numero pari … T E R M I N O L O G I A EVENTO IMPOSSIBILE Evento che NON PUÒ verificarsi Esperimento: lancio di una moneta Esperimento: lancio di un dado EVENTI IMPOSSIBILI: Esce 1 Esce Giallo … EVENTI IMPOSSIBILI: Esce 0 Esce un # 7 Esce Testa … Iniziamo (iniziate) a lavorare … 1^ Prova Lavoro a coppie ogni coppia lancia un dado esaedrico regolare NON truccato e compila la scheda n°1, n°2, n°4, n°5 consegnatale Scheda 1 10 lanci di un dado Prima di iniziare a lanciare indica quale numero, secondo te, uscirà PIÙ FREQUENTEMENTE. Se riesci giustifica la risposta ISTOGRAMMA Numero Uscite Esegui i 10 lanci riportando ogni volta il risultato (in BLU) nell’ISTOGRAMMA. 1 2 3 4 5 6 Evento: Numero sul dado Confronta i risultati dell’istogramma con quanto dichiarato inizialmente. Se NON sono coerenti cerca di spiegarne la ragione Scheda 2 125 lanci di un dado Prima di iniziare a lanciare indica quale numero, secondo te, uscirà PIÙ FREQUENTEMENTE. Se riesci giustifica la risposta ISTOGRAMMA Numero Uscite Riporta i dati dell’istogramma precedente e aggiungi (in VERDE) i risultati di ulteriori 115 lanci. 1 2 3 4 5 6 Evento: Numero sul dado Confronta i risultati dell’istogramma con quanto dichiarato inizialmente. Se NON sono coerenti cerca di spiegarne la ragione T E R M I N O L O G I A FREQUENZA ASSOLUTA fA(E) Numero di volte che si è verificato l’evento E Rappresenta l’ALTEZZA della colonna dell’istogramma Numero Uscite fA(E) ISTOGRAMMA X X X X X X 1 X X X X X X X X X X 2 3 X X X X X X X X X 4 5 6 fA(1) = 5 fA(2) = 4 fA(3) = 6 fA(4) = 1 fA(5) = 2 fA(6) = 7 Evento: Numero sul dado T E R M I N O L O G I A FREQUENZA RELATIVA fr(E) È il rapporto tra la Frequenza Assoluta e il numero totale di lanci effettuati Numero Uscite fA(E) ISTOGRAMMA X X X X X X 1 X X X X X X X X X X 2 3 X X X X X X X X X 4 5 6 f A 1 5 f r 1 f A 1 5 0.20 NumeroTotaleLanci 25 f A 2 5 f r 2 f A 2 4 0.16 NumeroTotaleLanci 25 f A 3 6 f A 3 6 f r 3 0.24 NumeroTotaleLanci 25 Evento: Numero sul dado T E R M I N O L O G I A FREQUENZA RELATIVA fr(E) Essendo la Frequenza Relativa un numero compreso tra 0 e 1, a volte si preferisce esprimerla in percentuale: ciò significa che si moltiplica per 100 il suo valore e si scrive il simbolo % f r 1 0.20 f % 1 20% f r 2 0.08 f % 2 8% f r 4 0.04 f % 4 4% Scheda 3 calcolo frequenze Relativamente all’ultimo istogramma (quello con i 125 lanci), ogni coppia calcoli, per ogni Evento, Frequenza Assoluta Frequenza Relativa Frequenza Relativa in percentuale Eseguiti i calcoli passare la scheda alla coppia alla propria destra per la correzione Scheda 4 250 lanci di un dado Due gruppi si uniscono e creano un unico istogramma di 250 dati. Confrontano i tre istogrammi (10, 125 e 250 lanci) ponendo attenzione su: Frequenze Assolute e Relative 500 lanci di un dado Due gruppi si uniscono, formandone uno di 8 persone, e creano un unico istogramma di 500 dati. Verificano se le osservazioni precedenti sono ancora valide. Porre l’attenzione su: Frequenze Assolute (si osservino le differenze) Frequenze Relative (si osservino i valori) Scheda 5 1000 lanci di un dado Creiamo un istogramma di 1000 lanci utilizzando tutti i dati che avete rilevato. Simuliamo con un foglio di calcolo 1000000 lanci di un dado. (‘Calc’ o ‘Excel’) Tiriamo le conclusioni : O S S E R V A Z I O N I Osservazione Qualitativa Aumentando il numero dei lanci l’istogramma ‘assume’ la forma di un rettangolo (distribuzione rettangolare) 100 Lanci 1000000 Lanci O S S E R V A Z I O N I Osservazione Qualitativa Frequenza ASSOLUTA: Aumentando il numero dei lanci le differenze tra i valori delle fA di ogni evento si riducono avvicinandosi a zero, ossia NumeroCasiFavorevoli f A E NumeroCasiPossibili Frequenza RELATIVA: Aumentando il numero dei lanci f r E NumeroUsciteEvento NumeroCasiFavorevoli NumeroLanci NumeroCasiPossibili O S S E R V A Z I O N I Osservazione Qualitativa Abbiamo un dado NON truccato con 6 facce uguali tra di loro, allora non vi è alcun motivo di pensare che una faccia debba mostrarsi più volte di un’altra. 1/6 perché: “1” è il numero dei casi favorevoli “6” è il numero dei casi possibili Si può quindi ipotizzare che ogni faccia debba comparire un numero di volte pari a 1/6 del numero dei lanci totale Definiamo PROBABILITÀ Matematica dell’evento E il numero NumeroCasiFavorevoli PE NumeroEventiPossibili C O N C L U S I O N I Abbiamo fatto vedere che l’espressione Matematica indicante la PROBABILITÀ che esca un valore sul dado è nota prima del lancio PROBABILITÀ Matematica dell’evento E NumeroCasiFavorevoli PE NumeroEventiPossibili ed è confermata dall’esperienza se vengono effettuate un numero estremamente elevato di prove f r E NumeroUsciteEvento NumeroCasiFavorevoli NumeroLanci NumeroCasiPossibili La PROBABILITÀ P(E) è una stima numerica del verificarsi di un determinato evento 2^ Prova Si vuole studiare cosa avviene se anziché lanciare 1 dado se ne lancino 2. Questo studio avverrà confrontando i risultati del lancio di 2 dadi esaedrici con il lancio di 1 dado dodecadrico Confronteremo poi il risultato anche con un secondo esperimento che preveda la somma di 2 numeri ‘casuali’: il gioco del ‘pari o dispari’ 2^ Prova Lavoro: 5 coppie e 2 terne 4 coppie: lancio di due dadi esaedrici regolari NON truccati e compilazione della scheda n°6, n°7 e n°8 1 coppia: lancio di 1 dado dodecaedrico regolare NON truccato e compilazione della scheda n°8a terna: due elementi giocano a ‘pari e dispari’ , il terzo segna i risultati; viene compilata la scheda n°6b e n°8b Scheda 6 50 lanci di due dadi Prima di iniziare a lanciare indica quale numero, secondo te, uscirà PIÙ FREQUENTEMENTE. Se riesci giustifica la risposta Esegui i 50 lanci riportando ogni volta il risultato (in BLU) in un ISTOGRAMMA. Confronta i risultati dell’istogramma con quanto dichiarato inizialmente. Se NON sono coerenti cerca di spiegarne la ragione Scheda 7 200 lanci di due dadi Prima di iniziare a lanciare indica quale numero, secondo te, uscirà PIÙ FREQUENTEMENTE. Se riesci giustifica la risposta Riporta i dati dell’istogramma precedente e aggiungi (in VERDE) i risultati di ulteriori 150 lanci. Confronta i risultati dell’istogramma con quanto dichiarato inizialmente. Se NON sono coerenti cerca di spiegarne la ragione Scheda 8 1000 lanci di due dadi Creiamo un istogramma di 1000 lanci utilizzando tutti i dati che avete rilevato. E simuliamo al calcolatore 1000000 di lanci Scheda 8a 1000 lanci di un dado dodecaedrico Creiamo un istogramma di 1000 lanci. E simuliamo al calcolatore 1000000 di lanci Scheda 6b 500 scambi a ‘pari/dispari’ Prima di iniziare a giocare indica quale numero, secondo te, uscirà PIÙ FREQUENTEMENTE. Se riesci giustifica la risposta Esegui i 500 scambi riportando ogni volta il risultato (in BLU) in un ISTOGRAMMA. IMPORTANTE: “ NON giocare per vincere “ Confronta i risultati dell’istogramma con quanto dichiarato inizialmente. Se NON sono coerenti cerca di spiegarne la ragione Scheda 8B 1000 scambi a ‘pari/dispari’ Creiamo un istogramma di 1000 scambi utilizzando tutti i dati che avete rilevato. O S S E R V A Z I O N I Lancio di 1 dado dodecaedrico Avete (abbiamo) ottenuto un risultato analogo al lancio di un dado esaedrico in quanto ogni evento (uscita di un numero compreso tra 1 e 12) è equivalente agli altri. Aumentando il numero dei lanci l’istogramma ‘assume’ la forma di un rettangolo (distribuzione rettangolare) O S S E R V A Z I O N I Lancio di 2 dadi esaedrici Aumentando il numero dei lanci l’istogramma ‘assume’ la forma di un triangolo (distribuzione triangolare) O S S E R V A Z I O N I Confronto: 1 dado dodecaedrico e 2 dadi esaedrici Confrontiamo come si ‘formano’ gli eventi che analizziamo 1 dado 2 dadi O S S E R V A Z I O N I Confronto: 1 dado dodecaedrico e 2 dadi esaedrici 1 dado 2 dadi 11 22 33 44 55 66 77 88 99 10 10 11 11 12 12 2 11 3 1 2, 2 1 4 1 2, 2 2, 2 1 5 1 4, 2 3, 3 2, 1 4 6 1 5, 2 4, 3 3, 4 2, 5 4 7 1 6, 2 5, 3 4, 4 3, 5 2, 6 1 8 2 6, 3 5, 4 4, 5 3, 6 2 9 3 6, 4 5, 5 4, 6 3 10 4 6, 5 5, 6 4 11 5 6, 6 5 12 6 6 O S S E R V A Z I O N I Confronto: 1 dado dodecaedrico e 2 dadi esaedrici 2 11 3 1 2, 2 1 4 1 2, 2 2, 2 1 5 1 4, 2 3, 3 2, 1 4 6 1 5, 2 4, 3 3, 4 2, 5 4 7 1 6, 2 5, 3 4, 4 3, 5 2, 6 1 8 2 6, 3 5, 4 4, 5 3, 6 2 9 3 6, 4 5, 5 4, 6 3 10 4 6, 5 5, 6 4 11 5 6, 6 5 12 6 6 11 22 33 44 55 66 77 88 99 10 10 11 11 12 12 Ogni determinazione UNICO ‘modo’ per verificare: ha un potersi (Evento ELEMENTARE) Le determinazioni hanno un numero di ‘modi’ diversi per potersi verificare: (Evento COMPOSTO) T E R M I N O L O G I A TABELLA A DOPPIA ENTRATA Per mostrare l’esito del lancio di 2 dati è anche possibile utilizzare una TABELLA A DOPPIA ENTRATA + 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 11 6 7 8 9 10 11 12 T E R M I N O L O G I A Come si legge la Tabella a doppia entrata determinazioni 2° dado determinazioni 1° dado + 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 11 6 7 8 9 10 11 12 Ci sono 6 casi favorevoli al 7 CasiFavorevoli 6 P7 EventiPossibili 36 Determinazioni 1°+ 2° dado: 36 casi possibili Ci sono 2 casi favorevoli all’ 11 P11 CasiFavorevoli 2 EventiPossibili 36 Ci sono 4 casi favorevoli al 9 P9 CasiFavorevoli 4 EventiPossibili 36 E S E R C I Z I O A questo punto, utilizzando la tabella a doppia entrata, calcola la probabilità di uscita di ogni determinazione ottenibile con il lancio di 2 dadi + 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 11 6 7 8 9 10 11 12 P7 CasiFavorevoli 6 EventiPossibili 36 E S E R C I Z I O Consideriamo il lancio di 2 monete: - individua le possibili determinazioni - compila la relativa tabella a doppia entrata - calcola la probabilità di ogni determinazione T C 2ª moneta C T TT TC CT CC 1ª moneta Determinazioni 2 monete: TT, TC, CC PTT CasiFavorevoli 1 EventiPossibili 4 CasiFavorevoli 2 PTC EventiPossibili 4 CasiFavorevoli 1 PCC EventiPossibili 4 O S S E R V A Z I O N I Confronto: 2 dadi esaedrici e “pari dispari” Per il gioco del “pari dispari" mi aspetto qualcosa di analogo al lancio di 2 dadi. 2 dadi Prima confrontiamo le due tabelle a doppia entrata + 1 2 3 4 5 + 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 11 6 7 8 9 10 11 12 Poi verifichiamo l’ipotesi osservando l’istogramma ottenuto dai due gruppi O S S E R V A Z I O N I Confronto: 1 dado dodecaedrico e 2 dadi esaedrici RISULTATI STUDENTI …. A B B I A M O V I S T O C H E La PROBABILITÀ dell’evento E è un numero compreso tra 0 e 1 0 PE 1 L’evento certo ha probabilità 1: PE 1 È possibile determinare la PROBABILITÀ dell’evento E tramite la relazione PE NumeroCasiFavorevoli NumeroCasiPossibili E ora alcuni calcoli … Esistono situazioni in cui l’espressione NumeroCasi Favorevoli PE NumeroCasi Possibili è di difficile utilizzo perché è complesso il calcolo di - Numero dei casi favorevoli - Numero dei casi possibili Vediamo alcune situazioni in cui il calcolo della probabilità può essere eseguito con semplici calcoli Eventi EQUIPROBABILI Eventi che SI ESCLUDONO RECIPROCAMENTE Eventi che NON SI ESCLUDONO RECIPROCAMENTE Eventi INDIPENDENTI Esperimento che genera eventi equiprobabili Lancio di un dado esaedrico: 6 eventi identici PE 1 6 Lancio di una moneta: 2 eventi identici PE 1 2 Estrazione di una carta da un mazzo da briscola: 40 eventi identici PE 1 40 Estrazione di un numero della tombola: 90 eventi identici PE 1 90 La probabilità di un evento è data dalla relazione: PE 1 Numero Eventi Identici Eventi che si escludono reciprocamente Lancio di un dado esaedrico: uscita 3 o 5 P3 o 5 P3 P5 1 1 2 1 6 6 6 3 Lancio di una moneta: uscita T o C PT o C PT PC 1 1 2 1 2 2 2 Estrazione di una carta da un mazzo da briscola: 5 o 3 P5c o 3s P5c P3s 1 40 1 40 2 40 1 20 Estrazione di un numero della tombola: 36 o 57 P36 o 57 P36 P57 1 90 1 90 2 90 1 45 Dati gli eventi E1 , E2 ed E3 che si escludono vicendevolmente La probabilità P(E1 o E2 o E3) è data da: P(E1 o E2 o E3) = P(E1) + P(E2) + P(E3) Eventi che NON si escludono reciprocamente Estrazione di una carta da un mazzo da briscola: Re o una carta di coppe A 2 3 4 5 6 7 F C D R A 2 3 4 5 6 7 F C R A 2 3 4 5 6 7 F C R A 2 3 4 5 6 7 F C R I casi favorevoli sono dati da 10 carte di COPPE 4 carte con il RE In questo modo il [R] viene considerato 2 volte e dobbiamo tenerlo presente nel calcolo dei casi favorevoli casi favorevoli = 4 [ R ] + 10 [ ] – 1 [ R ] = 13 P([R] o []) = Casi Favorevoli = Numero Casi Possibili 13 40 Eventi che NON si escludono reciprocamente Lancio di due dadi esaedrici: numero 8 o numero multiplo 3 + 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 11 6 7 8 9 10 11 12 I casi favorevoli sono dati da 12 valori multipli di 3 15 valori 8 In questo modo abbiamo 5 valori 8 e multipli di 3 dobbiamo tenerli presente nel calcolo dei casi favorevoli casi favorevoli = 12 [ mult. 3 ] + 15 [ 8 ] – 5 [ (mult. 3) 8 ] = 22 P([mult. 3] o [ 8]) = Casi Favorevoli = Numero Casi Possibili 22 40 Eventi che NON si escludono reciprocamente Estrazione di un Re o una carta di coppe Lancio di 2 dadi # 8 o # multiplo 3 + 1 2 3 4 5 6 A 2 3 4 5 6 7 F C R 1 2 3 4 5 6 7 A 2 3 4 5 6 7 F C R 2 3 4 5 6 7 8 A 2 3 4 5 6 7 F C R 3 4 5 6 7 8 9 A 2 3 4 5 6 7 F C R 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 10 11 6 7 8 9 10 11 12 Casi Favorevoli = 4 [R] + 10 [] – 1 [R] CF= 12 [mult. 3] + 15 [ 8] – 5 [(mult. 3) 8] Dati i 2 eventi E1 ed E2 che NON si escludono vicendevolmente La probabilità P(E1 o E2) è data da: P(E1 o E2) = P(E1) + P(E2) - P(E1 e E2) Eventi INDIPENDENTI Sono eventi che NON si influenzano reciprocamente Lancio (consecutivi o contemporanei) di due dadi L’esito del 1° dado non influenza il risultato del 2° dado Lancio (consecutivi o contemporanei) di due monete L’esito della 1ª moneta non influenza il risultato della 2ª moneta Doppia estrazione di una carta da un mazzo L’esito della 1ª estrazione non influenza il risultato della 2ª Eventi INDIPENDENTI Sono eventi che NON si influenzano reciprocamente Lancio di due monete PT 1 PT 1 2 T 2 T 2ª moneta C 1ª moneta C PC 1 2 PT 1 2 T 2ª moneta PC 1 C 2 PC 1 2 Risultati in accordo con quanto già visto Eventi INDIPENDENTI Sono eventi che NON si influenzano reciprocamente Lancio di due dadi P1 1 6 P2 1 1 1 2 3 4 5 6 P1 P2 P3 1 1 1 6 6 6 P4 1 6 1° dado P4 P5 P6 1 1 1 6 6 6 P3 1 2 1 2 3 4 5 6 6 3 1 2 3 4 5 6 P 1 P2 P3 P 4 P 5 P 6 P 1 P2 P3 P 4 P 5 P 6 1 1 1 1 6 1 6 1 P5 1 4 1 2 3 4 5 6 6 2° dado 6 6 6 1 6 1 6 6 1 6 1 P6 1 5 1 2 3 4 5 6 6 6 6 1 6 1 6 6 1 2 3 4 5 6 P 1 P2 P3 P 4 P 5 P 6 P 1 P2 P3 P 4 P 5 P 6 P 1 P2 P3 P 4 P 5 P 6 1 1 1 1 1 1 6 1 6 1 6 6 1 6 1 6 6 1 6 1 6 6 1 6 1 6 6 1 6 1 6 In accordo con quanto già visto 6 1 6 1 6 Eventi INDIPENDENTI Lancio di due monete T T Lancio di due dadi C C T n C 1 2 3 4 5 6 Dati i 2 eventi INDIPENDENTI E1 ed E2 (= NON si influenzano vicendevolmente) La probabilità P(E1 e E2) è data da: P(E1 e E2) = P(E1) P(E2)