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趣味數學(一) 風乍起,吹皺一池春水

(2013-02-06 12:35:50) 下一個

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。其中一扇門後是一輛豪華跑車,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。雖然兩隻驢都很漂亮,所有人都更喜歡跑車。

幸運觀眾甲選好一扇門牌,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1991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了,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?我們現在就來解釋這個問題。

我們不妨換一個角度思考這個問題。假設除了幸運觀眾甲,節目主持人乙,還有一位觀眾丙,他們三人都可抽得一個獎品。如果主持人乙先挑,會是什麽結果呢?因為獎品是他放的,他肯定能挑到跑車,另外兩位得到跑車的概率是零。這顯然是不公平的抽獎。

現在假設甲先挑,他挑到跑車的概率自然是1/3。如果乙接著挑,他挑中跑車的概率是2/3。為什麽?獎品是他放的嘛,隻要跑車沒有被甲挑走,必然被乙挑走,丙是沒有可能得到跑車的。這對丙還是不公平。

因此,公平的做法是,接下去由丙挑,丙能挑中跑車的概率也是1/3,所以這時三人得到跑車的概率都是1/3。公平合理。

現在再換一種做法。依舊甲先挑,接下來乙再挑,但是乙不能挑跑車,隻能挑驢,這樣丙得跑車的概率不就是2/3了嗎?乙這樣做,實際上是幫助丙得到跑車呀。

這時候,假如乙問甲要不要和丙換一下,答案不是一目了然了嗎?回到最初的問題就是甲如不換,得到跑車的概率是1/3,交換以後得到跑車的概率將升至2/3了。

那麽,為什麽直覺有誤呢?很可能是大家忽略了一個假設,就是主持人有意而不是隨意打開了那扇有驢的門。

主持人有意打開一扇有驢的門,就提高了另一扇門後有跑車的概率。假如他是隨意打開一扇門,結果就大不相同了,因為這時他還有一種可能,就是打開了一扇有跑車的門。實際上,他隨意打開一扇有跑車門的概率是1/3,所以剩下的那扇門有跑車的概率還是1/3,交換沒有任何好處,而這正是大家的直觀所在。

接下來,我們簡要提一下概率。

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)

請注意: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。

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本文上網後,不少網友有疑問,作此後記。
關於驢車問題,也可參考下表:
一                二                  三
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車                驢1                驢2  
車                驢2                驢1  
驢1               車                 驢2  
驢2               車                 驢1  
驢1               驢2                車  
驢2               驢1                車

6種可能中,4種交換有利,2種不利,所以交換總體有利。
 

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