qylizhi
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[趣味数学]数学证明:奇迹并不罕见?

楼主#
更多 发布于:2015-06-13 10:05
我称之为“不可能性原理”(Improbability Principle)的数学定律会告诉你,不必为各种巧合事件感到惊讶。事实上,我们应该期待巧合的发生。这个原理的一个重要组成部分是“巨数法则”(law of truly large numbers),即在每一次尝试中,不管一个特定事件多么不可能发生,只要尝试的次数足够多,我们终将看到这一事件的发生。尽管如此,当我们在某些情况下确实拥有很多尝试机会时,还是会觉得特定事件发生的概率非常小。这种误解导致我们严重低估了这类事件发生的概率:我们认为某件事几乎不可能发生时,实际上它不仅非常可能发生,甚至可以说几乎肯定会发生。
为什么在大量尝试中罕见事件发生的概率非常大,而人们却往往意识不到这一点?与不可能性原理有关的另一个数学定律——组合定律(law of combinations)揭示了其中的奥秘。根据组合定律,多个因素的组合数量会随着因素数量的增加而呈指数式增长。“生日问题”就是一个著名的例子。
生日问题指的是:在一个房间里,至少有多少人,才能使得其中两个人的生日是同一天的可能性超过50%?
答案是只需要23人。如果一个房间里的人数不小于23,那么其中两个人的生日是同一天的可能性就超过50%。
如果你之前从未听说过生日问题,上述答案可能会让你大吃一惊。只需要23个人,这个数字听起来也太小了吧?也许你的理由是这样的:任何一个人的生日和你是同一天的可能性,只有1/365。也就是说,任何一个人的生日和你不是同一天的可能性就是364/365。如果房间里有n个人,那么除你以外的n – 1人,每个人的生日和你不是同一天的可能性都是364/365,也就是说,所有n – 1个人的生日和你不是同一天的可能性是364/365 ×364/365 ×364/365 ×364/365 ×……364/365 ,即364/365 的n – 1次方。当n是23时,这个结果是0.94。
由于这个结果指的是其他任何人的生日都和你不是同一天的概率,那么这些人中至少有一个人的生日和你是同一天的概率就是1 – 0.94(很显然,要么有人生日和你是同一天,要么任何人的生日都和你不是同一天,这两种可能情况的概率相加是1)。好吧,1 – 0.94等于0.06。这个概率很小。
然而,上述计算方法是错误的,原因是:生日问题问的并不是有人生日都和你是同一天的概率,而是同一个房间里,任意两个人生日是同一天的概率。这既包括上面所计算的至少有一个人生日和你相同的概率,也包括其他人中有两个人或更多人的生日相同,却和你的生日不同的概率。
这就要请组合定律出马了。尽管只有n – 1个人可能和你是同一天生日,但房间里任意两个人的组合共有n ×(n – 1)/2种。当n变大时,两两组合的数量随之急剧增加。当n为23时,这个值为253,比n – 1 (这时是22)的10倍还大。也就是说,如果房间里有23个人,那么任意两个人形成的组合共有253种,而其中包括你的组合却只有22种。
现在,让我们来看看房间里的23个人生日各不相同的概率到底是多少。对任意两人而言,第二个人和第一个人生日不同的概率是364/365。那么,这两个人生日不同、且第三个人和这两个人的生日都不同的概率就是364/365 × 363/365。同样地,这三个人生日各不相同、且第四个人和这三个人的生日都不同的概率是364/365 × 363/365 × 362/365。以此类推,这23个人生日各不相同的概率是364/365 × 363/365 × 362/365 × 361/365 …… × 343/365。
计算结果是0.49。房间里的23个人生日各不相同的概率是0.49,因此其中至少有两个人生日相同的概率是1 – 0.49,也就是0.51,这个概率已经大于50%了。
重复的中奖号码
让我们把目光转向彩票,来看看另一个看似不可能发生,却真实发生过的例子。2009年9月6日,保加利亚彩票随机抽取的中奖号码是4、15、23、24、35、42。这组中奖号码没什么令人惊讶的。虽然中奖号码的组成数字都是像1、2、3、4、5这样的小数字,但这也并不罕见。此外,中奖号码中有一对连号,23和24,不过这种情况出现的频率远比人们通常估计的高得多(如果让人们从1到49的号码中随机挑选6个号码,他们选择连号的概率比真正随机抽取时出现连号的概率更小)。
4天后,令人惊讶的事情发生了:9月10日,保加利亚彩票随机抽取的中奖号码依然是4、15、23、24、35、42,和上周的中奖号码一模一样。当时,这个事件被媒体炒得沸沸扬扬。路透社9月18日的一篇报道中,引述了一位女发言人的话:“在该彩票52年的发行史上,这种情况是第一次出现。当看到这种极为反常的巧合时,我们全都目瞪口呆。不过,这的的确确发生了。”不久后,时任保加利亚体育部长的斯维伦?内科夫(Svilen Neikov)下令对此展开调查。这是不是一个惊天骗局?是不是有人以某种方法复制了上一期的中奖号码?
实际上,这个令人大吃一惊的巧合正是不可能性原理的另一个例子,也是组合定律放大效应下的巨数法则的体现。首先,全世界有许许多多种彩票。其次,它们年复一年、一轮又一轮地开奖。这使得彩票中奖号码重复的可能性大增。再次,组合定律在这里起作用了:每一次彩票开奖的结果,都可能包含之前开出的中奖号码。总的来说,与生日问题的情况类似,如果你的彩票开奖n次,那么其中有两次中奖号码重合的组合共有n ×(n – 1)/2种。
2009年出现中奖号码重复的保加利亚彩票是一种49选6的彩票,所以任何一组6个号码出现的概率是1/13 983 816。这就意味着,任何两组抽奖号码完全雷同的概率是1/13 983 816。不过,3次抽奖中有两次号码雷同的概率有多大?或者说50次抽奖中有两次号码雷同的概率有多大?
当只有3次抽奖时,共有3种可能的组合;但当有50次抽奖时,就会有1 225种可能的组合。组合定律又发挥作用了。如果我们更进一步,在有1 000次抽奖时,会有499 500种可能的组合。换句话说,当抽奖次数提高到原来的20倍,也就是从50次增加到1 000次时,可能的组合数增加得更快,从1 225种增加到499 500种,几乎相当于原来的408倍。显然,我们正在进入“巨数”的领域。
那么,需要抽多少次奖,才能使得重复抽出同一组6个中奖号码的概率超过50%?这样的话,保加利亚彩票事件就很可能是正常发生的了吧?利用处理生日问题时所用的方法,我们得出的答案是,只需要4 404次。
如果每周抽两次奖,一年就有104次,也就是说,不到43年,就可以达到上述计算结果得出的所需抽奖次数。这就意味着,在43年内,彩票机重复抽出一模一样的6个中奖号码的概率超过50%。这样的事件,显然不是一个“极为反常的巧合”。
这还只是考虑了一种彩票。当我们考虑全世界发行的各种彩票时,我们就能明白,如果抽奖号码没有偶尔重复一下,才真的让人感到惊讶。所以,当得知2010年10月16日开奖的以色列米福尔?哈佩斯国营彩票(Israel’s Mifal HaPayis state lottery)中奖号码是13、14、26、32、33、36——与几周前的9月21日开出的中奖号码一模一样时,相信你已经不会吃惊了。你也许已经不会对这样的事件感到惊讶,但别人未必这么想。以色列的谈话类广播节目中充斥着人们的抱怨之声,他们大都认为这次彩票抽奖有猫腻。
保加利亚彩票事件有所不同,是在相邻的两次开奖中出现了雷同的号码。但是,考虑到巨数法则,以及全世界有那么多彩票在定期开奖的事实,我们大可不必大惊小怪。同样地,我们也不必为之前曾经发生过的类似事件感到吃惊。比如,2007年7月9日和11日,美国北卡罗来纳州“现金5”彩票(North Carolina Cash 5 lottery)也开出了同样的中奖号码。
此外,组合定律还会带来非常令人沮丧的彩票结果,1980年发生在莫琳?威尔科克斯(Maureen Wilcox)身上的事情就是一个例子。威尔科克斯购买了许多彩票,其中就有马萨诸塞州彩票(Massachusetts State Lottery)和罗德岛彩票(Rhode Island Lottery)的中奖号码。然而,对她而言十分不幸的是,她购买的马萨诸塞州彩票上印着罗德岛彩票的中奖号码,而她购买的罗德岛彩票上印着马萨诸塞州彩票的中奖号码。设想一下,如果有10种彩票,每一种你都买了一张,那你就有10次中奖机会。而10张彩票两两组合共有45种,因此,从你购买的10张彩票中任意拿出两张,恰好中了10种彩票中某两种的机会,比你真正中奖的机会大4倍多。显然,这并不是获得巨额财富的办法,因为如果你购买的彩票上印着另一种彩票的中奖号码,显然你是不会中奖的,只会让你怀疑上帝是否在和你开玩笑。
组合定律适用于许多人或物体相互影响的情况。例如,设想一个班里有30名学生,他们可以通过不同的方式相互影响。他们可以各自独立,这就是30个个体;也可以两两组合,这就有435种不同的组合;还可以三人一组,这就有4 060种不同的组合;可以一直以此类推下去,直到他们成为一个整体——30个学生组成一组。
所有这些可能出现的不同组合方式,共有1 073 741 823种。这可是超过10亿啊,要知道,这还是只有30个学生的情况。通常,如果一个集合含有n个元素,那么它的非空子集就有2n – 1个。当n = 100时,结果就是2100 – 1,约等于1030 ,这对任何人而言都是一个“巨数”。
不过,如果你认为1030 还不够大,你可以把目光投向万维网(World Wide Web)。万维网拥有约25亿用户,任意用户间都能产生关联,这样就有3 × 1018种两个用户形成的组合,而任意数量相互影响的用户形成的组合种类则高达10750 000 000。如果某个事件有如此多的发生机会,就算它单次发生的概率再小,也几乎可以肯定:它在如此多的机会下一定会发生。
下次,当你遇到一个看似奇怪的巧合时,记得回想一下不可能性原理吧。
(撰文:戴维?J?汉德/David J. Hand;翻译:杨扬)
来自:百度知道
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沙发#
发布于:2015-06-13 10:19
同学你会看源文件吗??
向着名为绝望的希望露出微笑。
qylizhi
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板凳#
发布于:2015-06-13 10:20
cfsz1321:同学你会看源文件吗??回到原帖
怎么呢?
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cfsz1321
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地板#
发布于:2015-06-13 10:22
qylizhi:怎么呢?回到原帖
[网站纠错]谁能告诉我怎么了??Σ( ° △ °|||)︴,http://bbs.jd100.com/read.php?tid=732802
看下附件。。
向着名为绝望的希望露出微笑。
qylizhi
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4楼#
发布于:2015-06-13 10:22
cfsz1321:[网站纠错]谁能告诉我怎么了??Σ( ° △ °|||)︴,http://bbs.jd100.com/read.php?tid=732802
看下附件。。
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网有bug.我现在也是呢。
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5楼#
发布于:2015-06-13 10:30
qylizhi:网有bug.我现在也是呢。回到原帖
所以,网站是谁设计的。咋还不改腻??你知道吗??
向着名为绝望的希望露出微笑。
qylizhi
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发布于:2015-06-13 10:31
cfsz1321:所以,网站是谁设计的。咋还不改腻??你知道吗??回到原帖
法网恢恢疏而不漏。虽有bug,但是并没有什么用。比如,您现在有admin的权限么?
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7楼#
发布于:2015-06-13 10:33
qylizhi:法网恢恢疏而不漏。虽有bug,但是并没有什么用。比如,您现在有admin的权限么?回到原帖
好像可以玩删帖哎。。
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8楼#
发布于:2015-06-13 10:33
qylizhi:法网恢恢疏而不漏。虽有bug,但是并没有什么用。比如,您现在有admin的权限么?回到原帖
Σ( ° △ °|||)︴话说我刚刚好像网页恢复了。
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