趣味數學(一) 風乍起,吹皺一池春水

來源: 朝霞滿天 2013-02-06 16:20:51 [] [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀: 次 (6825 bytes)
這陣風,是由一個數學問題引起的。

主席台上有三扇門,主持人事先在每扇門後各放了一個禮品。其中一扇門後是一兩豪華跑車,而另外兩扇後麵各有一頭漂亮的驢。主持人告訴大家:現在隨機抽取一位幸運觀眾,由他隨意選一扇門,門後的禮品就是他的獎品。雖然兩隻驢很漂亮,所有人都更喜歡豪華跑車。

幸運觀眾選好一扇門牌,門尚未打開。主持人在剩下的兩扇門中有意打開了一扇有驢的門,然後問幸運兒,願不願與剩下的門交換。這位觀眾撓撓腦袋,拿不定主意。

聰明的讀者,假如您是那個幸運兒,是換,還是不換?

這的確是一個有意思的問題。有人給當時IQ最高的Marilyn vos Savant寫信請教。Marilyn vos Savant是IQ在吉尼斯的記錄保持者,其IQ高達228分。Marilyn vos Savant信中說,該換,並且解釋說:如不換,他得到跑車的概率是1/3,換以後得到跑車的概率將升至2/3。這封信發表在1990年Parade雜誌的“Ask Marilyn”欄目中。

不料想,這樣一封信,就象一陣風,吹皺了一池春水。或者更準確地說,是掀起了軒然大波。

當時有不少數學家和統計學家加入了聲討Marilyn vos Savant的行列。他們認為Marilyn vos Savant犯了很低級的錯誤,有人甚至要求Marilyn vos Savant為所犯的錯誤向公眾道歉。而事實上,犯錯的不是Marilyn vos Savant,而是他們自己。

為什麽會這樣呢?因為這有悖於大家的直覺。

直覺是什麽呢?一般人的直覺是,既然跑車在剩下的門中,換與不換沒有差別,每個門後有車的概率就都是1/2。

在這裏,直覺是明顯有漏洞的。為什麽呀?

在主持人沒有打開一扇有驢的門以前,幸運觀眾選擇的門後有車的概率是1/3。為什麽在打開一扇有驢的門之後,概率變成了1/2?因為禮品是主持放的,他總能準確地在兩扇門中打開一扇有驢的門呀。假如這個直觀是對的,就會產生下麵的問題:觀眾隨意選定一扇門,門後有車的概率,是1/3。而這時主持人隻要打開另一扇有驢的門(這總是做得到的),觀眾所選門後有驢的概率就成了1/2,而他如果本想打開然後改變主意不打開,那扇門有驢的概率難不成又變回1/3?這是無論如何都難叫人心服口服的。

那麽,為什麽交換以後,有車的概率就從1/3升到2/3呢?這個問題,連當時的大數學家Paul Erdős都難以理解。他也直觀的覺得,換不換都沒有差別。

為什麽有差別呢?這是因為主持人有意而不是隨意打開了那扇有驢的門。

有意打開那扇有驢的門,就提共了有用的信息。想想看,如果他是在沒有打開那扇有驢的門前問要不要換一扇門,答案又會如何?很顯然,這時換不換是一樣的,因為這時還有兩種選擇,他可能選中了那扇有驢的門,也可能選中了那扇有車的門。而現在,主持人幫他把有驢的門排除了。換句話說,主持做了對他有利的事,因此得到跑車的概率升高了。如果觀眾選中了有驢的門,交換必得利。隻有在他選中了有車的門的情況下,交換才吃虧。也就是說,交換使他得到跑車的概率由1/3升到了2/3。再換一種說法,就更容易被接受了:如果交換的話,由於主持人的幫忙,在另外兩扇門中的車,都是他的獎品。

什麽是概率?概率,粗略地講,就是一個未知事件發生的可能性的一個度量。度量的最大值為1,最小值為0。要把概率說清楚,就必須弄清楚什麽是樣本空間,什麽是事件。樣本空間是由一切可能發生的結果個體組成的集合,而事件則是由部分(當然也包函全部)結果個體組成的集合。如果排除樣本空間為無限不可數的情形,可以說,概率為0的事件是不可能發生的事件,而概率為1的事件是必然發生的事件。其它事件的概率則在0和1之間。

要理解車和驢這個問題,有必要弄清楚這裏的樣本空間。我們不妨把三扇門標上號,比如該觀眾選中的是一號,剩下的分別是二號和三號。我們用(X,Y,Z,T)表示:一號門後有X,二號門後有Y,三號門後有Z,主持人打開的是T號門。那麽,所有可能的結果是:

1:(車,驢,驢,二)
2:(車,驢,驢,三)
3:(驢,車,驢,三)
4:(驢,驢,車,二)

其中,(車,驢,驢,二)表示,一號門後有車,二號三號門後是驢,主持人打開的是二號門,而(車,驢,驢,三)則表示,一號門後有車,二號三號門後是驢,主持人打開的是三號門。

所以樣本空間就是 Q ={(車,驢,驢,二),(車,驢,驢,三),(驢,車,驢,三),(驢,驢,車,二)}。雖然我們列出了四種可能的結果,1和2合起來的概率才是1/3。所以交換有利的情形是3和4,它們合起來的概率是2/3。直觀上的1/2,很可能來自誤解,認為四個結果是等可能的。

假如主持隨意(就是他忘掉了自己的放法,或者禮品是別人放的,他不知情。)在兩門當中選擇一扇門,碰巧是一扇有驢的門,結果又會如何?

要弄清楚這個問題,就得了解一點條件概率。條件概率就是在已知部分信息的情況下,原有事件的概率會有一些變化。比方說,在已知今天下大雨的情況下,明天晴天的可能性會小一些。同樣,如果今天豔陽高照,明天晴天的可能性就會大一些。假設有兩個事件,分別稱之為A和B。在不知任何部分信息的情況下,事件A發生的概率為P(A)。而如果事件B已發生,則A再發生的概率為P(A|B),我們可稱之為:在已知事件B發生的情況下事件A發生的概率。一般說來,我們會有P(A)不等於P(A|B)。自然,也有可能P(A)=P(A|B),這時我們又稱事件A和事件B相互獨立。條件概率由下麵的公式算得:P(A|B)=P(A和B都發生)/P(B)。

假如主持是隨意打開剩下兩扇門中的一扇門,會出現幾種情況呢?也就是樣本空間是什麽呢?我們可以列出如下情形:

1:(車,驢,驢,二)
2:(車,驢,驢,三)
3:(驢,車,驢,二)
4:(驢,車,驢,三)
5:(驢,驢,車,二)
6:(驢,驢,車,三)

我們用(車,驢,驢,二)表示:一號門後是車,二號和三號門後是驢,主持人打開的是二號門。同樣,(驢,驢,車,三)表示:一號和二號門後是驢,三號門後是車,主持人打開的是三號門。注意:在主持人有意的情況下,(驢,車,驢,二)和(驢,驢,車,三)是不可能發生的,因為他不會打開有車的門。這就是有意和隨意的區別,也正是問題的關鍵。如果用A表示一號門後有車,而用B表示主持人打開有驢的門,讓我們來算算,P(A|B)。因為P(B)=4/6=2/3,P(A和B同時發生)=2/6=1/3,所以P(A|B)=(1/3)/(2/3)=1/2。也就是說,在主持人隨意打開一扇門,並且門後是驢的情況下,P(A|B)=1/2,這時交換門號毫無意義。

這也正是直覺上概率1/2的由來。

原來,那陣風的源頭,來自有意和隨意的一字之差。

請閱讀更多我的博客文章>>>
  • 遛狗
  • 問路
  • 兩個夢
  • 朝霞滿天自畫像
  • 山裏的小孩
  • 所有跟帖: 

    解釋得很好。 期待係列。 -亂彈- 給 亂彈 發送悄悄話 亂彈 的博客首頁 (0 bytes) () 02/06/2013 postreply 17:40:35

    這個可以做實驗,實驗結果如何? -solo1- 給 solo1 發送悄悄話 (0 bytes) () 02/08/2013 postreply 11:19:36

    我做過實驗 -xyp- 給 xyp 發送悄悄話 xyp 的博客首頁 (496 bytes) () 04/11/2013 postreply 10:47:24

    非常有意思。隻是這Paul Erdős躺著中槍,有點冤。 -wxcfan123- 給 wxcfan123 發送悄悄話 (0 bytes) () 02/08/2013 postreply 15:17:51

    謝樓上各位。大家新年好。 -朝霞滿天- 給 朝霞滿天 發送悄悄話 朝霞滿天 的博客首頁 (0 bytes) () 02/10/2013 postreply 16:15:14

    Paul Erdős是對的,我87年見到他,他有點老了,90年那太老了,頭腦清楚. -jinjing- 給 jinjing 發送悄悄話 (0 bytes) () 04/03/2013 postreply 09:39:41

    請您先登陸,再發跟帖!

    發現Adblock插件

    如要繼續瀏覽
    請支持本站 請務必在本站關閉Adblock

    關閉Adblock後 請點擊

    請參考如何關閉Adblock

    安裝Adblock plus用戶請點擊瀏覽器圖標
    選擇“Disable on www.wenxuecity.com”

    安裝Adblock用戶請點擊圖標
    選擇“don't run on pages on this domain”