基礎:樣本空間、事件與公理

容斥原理(inclusion-exclusion principle)

容斥原理修正了人們在求「A 或 B」的機會時自然會犯的錯誤。你可能會猜 P(A 或 B) = P(A) + P(B),但這把 A 與 B 同時發生的結果重複計算了——它們同時落在兩個集合裡,於是被加了兩次。正確的公式把交疊部分再扣回一次:P(A 或 B) = P(A) + P(B) - P(A 且 B)。想像兩個交疊的圓:把它們的面積相加會把交疊的透鏡形算兩次,所以你移除它的一份。

對三個事件,同樣的修正反覆施行,一個清晰的規律浮現:把所有單一機率加起來,減去每一個成對的交疊,再加回三重交疊。P(A 或 B 或 C) = P(A) + P(B) + P(C) - P(A 且 B) - P(A 且 C) - P(B 且 C) + P(A 且 B 且 C)。這條規則交替進行:納入單個、排除成對、納入三重,對更多事件以此類推,每次修正都在抵消上一步的多算或少算。

當事件互斥時,所有交疊項都是零,容斥原理就塌縮成單純的相加——所以那條簡單的加法規則,不過是這個更一般原理的特例(無交疊的情形)。容斥原理是處理「或」問題和事件確實交疊的「至少一個」計數的主力;當交疊本身變得複雜時,補集規則加上迪摩根定律往往能更短地通向同一個答案。

抽一張牌。P(紅心 或 人頭牌):P(紅心) = 13/52,P(人頭牌) = 12/52,而交疊 P(紅心且人頭) = 3/52(紅心的 J、Q、K)。所以 P(紅心 或 人頭) = 13/52 + 12/52 - 3/52 = 22/52 ≈ 0.423,而不是錯誤的 25/52。

單純相加會把交疊算兩次;扣掉一次 P(A 且 B) 來修正它。

只有當事件互斥時你才能省去交疊項;對交疊的事件假設 P(A 或 B) = P(A) + P(B) 會把答案算得偏高。

又稱
addition rule for probabilitiesinclusion-exclusion容斥定理排容原理