5.8.1.$\textbf{а.}$ Разделим сосуд вместимости $V$ на две одинаковые части 1 и 2. Пусть в этом сосуде движется одна молекула. Будем наблюдать за ней в течение времени $\tau$. В среднем половину этого времени молекула будет находиться в части 1 сосуда, а половину — в части 2. В течение какого времени в части 1 вместе с первой будет находится вторая молекула, если в сосуде движутся две молекулы?
$\textbf{б.}$ В сосуде движутся три молекулы. В течение какого времени они будут находится одновременно в части 1?
$\textbf{в.}$ В сосуде движутся $N$ молекул. В течение какого времени они будут находится одновременно в части 1?
Решение
$\textbf{а.}$ Для каждой молекулы вероятность находиться в части 1 в любой момент времени равна $\frac{1}{2}$. Так как молекулы движутся независимо, вероятность того, что обе молекулы одновременно окажутся в части 1, равна:
$$p=\frac{1}{2}\cdot \frac{1}{2}=\frac{1}{4}$$
С другой стороны эта вероятность равна отношению времени, в течении которого в части 1 вместе с первой будет находится вторая молекула, ко всему времени наблюдения $\tau$:
$$p=\frac{t}{\tau}$$
Приравнивая два выражения, получим:
$$\frac{t}{\tau}=\frac{1}{4}$$
$$t=\frac{\tau}{4}$$
$\textbf{б.}$ Вероятность того, что все три молекулы одновременно окажутся в части 1, равна:
Аналогично подзадаче $\textbf{а.}$ эта вероятность будет равна $p=\frac{t}{\tau}$, здесь $t$ - время в течении которого три молекулы будут находится одновременно в части 1:
$$t=\frac{\tau}{8}$$
$\textbf{в.}$ Обобщим наш результат для $N$ молекул. Вероятность того, что все $N$ молекул одновременно окажутся в части 1, равна: