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1701025156 这就大错特错了。假定我在我的三个孩子中随机选择一个人继承财产,每个孩子最可能分得的财产为零,因为他有2/3的概率不会被我选中。但是,三个人得到的财产总额的最可能的值(其实,只有一个可能值)却是我的所有财产。
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1701025158 布封的硬币、缝衣针与面条问题
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1701025160 大学生与彩票的故事讲到这里,我们需要暂停一下,因为谈及期望值的相加性时,我必须向大家展示我知道的最能说明问题的证据,它的核心正是期望值的相加性。
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1701025162 我首先要向大家介绍一种叫作“franc-carreau”(“franc-carreau”的大致意思是“正好落在正方形之中”。游戏中使用的硬币不是法郎,因为当时流通的货币不是法郎,而是埃居)的游戏。这个游戏与热那亚彩票一样,都会让我们想起无所不赌的古代。只要有一枚硬币和由方砖铺成的地板就可以玩“franc-carreau”游戏。人们把硬币扔到地上,然后押下赌注,猜硬币是完全落在一块砖上还是骑在砖缝上。
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1701025164 布封(Georges-Louis LeClerc, Comte de Buffon)是勃艮第的一位地方贵族,学术造诣很高。他上的是法学院,可能是想像他的父亲一样当一名地方行政官,但是,在拿到学位之后,他立刻将法学抛到脑后,迷上了科学。1733年,那时他才27岁,但他已经是巴黎皇家科学院的成员了。
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1701025166 布封后来成了一名著名的博物学家,完成了44卷的巨著《自然史》(Natural History)。他在这本书中提出了一个理论,希望能像牛顿解释运动与力的理论那样,以普适、不费力的方式解释生命的起源。年轻的时候,布封与瑞士数学家加布里埃尔·克莱姆(Gabriel Cramer)的一次短暂会面以及之后长期的书信往来,让他对理论数学产生了兴趣,并以数学家的身份进入巴黎皇家科学院。
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1701025168 在提交给巴黎皇家科学院的论文中,布封将几何学与概率论巧妙地结合在一起,而此前人们一直认为这两个数学领域之间没有联系。但是,他研究的对象不是行星沿轨道运行的方式或者大国经济这些大问题,而是低俗的“franc-carrearu”游戏。在论文中,布封提出了一个问题:硬币完全落在一块砖上的概率是多少?砖的面积多大时,这个游戏对双方来说才是公平的?
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1701025170 下面我向大家介绍布封的方法。如果硬币的半径是r,方砖的边长为L,那么,只要硬币的圆心落在一个边长为L–2r的小正方形的外面,硬币就会接触到砖缝。
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1701025175 小正方形的面积是(L–2r)2,大正方形的面积是L2,因此,如果我们赌这枚硬币“完全落在大正方形之中”,那么我们获胜的概率就是(L–2r)2/L2。要使游戏公平,这一概率必须是1/2,即:
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1701025177 (L–2r)2/L2=1/2
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1701025180 布封解出了这个方程式(如果学过这方面的知识,我们也能解开这个方程式),他发现只有当砖的边长是硬币半径的倍,也就是接近7倍时,游戏才是公平的。将概率论与几何图形相结合,是一种新颖的想法,具有研究价值。但是,这样做的难度比较小,布封知道单凭这个发现是不可能进入巴黎皇家科学院的。于是,他继续深入研究:“但是,如果扔到空中的不是埃居这样的圆形物体,而是其他形状的物体,例如方形的西班牙皮斯托儿金币,或者一根缝衣针、一根短木棒等,解决这个问题时需要的几何知识就会多一些。”
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1701025182 当然,这是一个保守的说法。缝衣针问题,是时至今日布封的名字仍然没有被数学界忘记的原因之一。下面,我把布封的话用更准确的语言重新解释一遍:
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1701025184 布封的投针问题:假定地面是用细长木板条铺成的硬木地面,你手上正好有一根缝衣针,而且针的长度正好等于木板条的宽度。把缝衣针扔到地面上,它骑在木板条缝上的概率是多少?
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1701025186 如果我们扔到地面上的是埃居,那么路易斯四世的脸是朝上还是朝下,对我们都没有任何影响。圆从任何角度看都是一样的,因此,硬币骑缝的概率并不取决于它的朝向。
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1701025188 但是,布封使用的缝衣针却不同。如果缝衣针的方向与木板条缝的方向近乎平行关系,那么它骑缝的概率会非常低。
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1701025193 如果缝衣针的方向与木板条缝的方向近乎垂直关系,我们几乎可以肯定缝衣针会骑在木板条缝上。
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1701025198 “Franc-carreau”游戏具有高度的对称性,用术语来讲,这个游戏的结果始终处于轮换状态。但在投针问题中,这种对称性被破坏了,因此游戏的难度大幅度增加。我们不仅需要关注缝衣针中心点的位置,还要关注缝衣针的朝向。
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1701025200 在两种极端的情况下,缝衣针骑在木板条缝上的概率是0(缝衣针的方向与木板条缝的方向为平行关系)或者1(缝衣针的方向与木板条缝的方向为垂直关系)。因此,我们有可能取中间值,认为缝衣针与木板条缝接触的概率正好是1/2。
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1701025202 但是,这种想法是不对的。事实上,缝衣针与木板条缝相交的概率,远大于缝衣针完全位于某个木板条之内的概率。布封投针问题的答案是:缝衣针骑在木板条缝上的概率为2/π,约等于64%。这个答案出人意料,我们并没有看到圆,但答案里为什么会出现π呢?布封在计算时,使用了一种复杂的证明方法,需要计算一种由叫作“摆线”(cycloid)的线条所围成的面积。计算该面积时要用到微积分知识,微积分对于现代数学专业二年级的学生而言并不难,但要完全掌握也不是件容易的事。
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1701025204 不过,在布封进入巴黎皇家科学院100多年之后,约瑟夫–埃米尔·巴比埃(Joseph-Émile Barbier)发现了另外一种方法。这种方法无须使用严谨的微积分知识,它虽然也有一点儿复杂,但只需要运用算术与基础几何知识,其中最重要的就是对期望值相加性的应用!
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