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抛硬币时,正面朝上和反面朝上的概率都十分接近0.5。从原则上说,这些概率是根据多次抛硬币的数据得来的。而乔对于明年谁会赢得超级碗冠军的个人概率,却只是乔的个人判断。抛一个硬币10次,连续三次正面朝上的概率如何算呢?我们可以用描述抛硬币情况的模型,算出这个概率。也就是说,在我们根据数据建立起抛硬币的概率模型后,就不需要每次抛硬币时都重新建立概率模型。
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使用概率模型的一大优点是,让我们先学会对一些诸如“抛一次硬币得到正面朝上的结果”的简单事件分配概率,接下来再计算一些复杂事件的概率。不论概率模型反映的是根据数据计算得到的概率还是个人概率,上面的优点都成立。但不幸的是,计算概率需要用到的数学知识往往很难。还好有科技拯救我们:只要我们有概率模型,就可以用电脑来模拟重复多次的情况。这样做比算数容易,更比在真实世界中进行多次重复实验要快得多。你可以把利用模拟方法求概率,和用电脑控制的飞行模拟器练习飞行做个比较。两种模拟方法都有很多人用,也都有共同的弱点:模拟的效果取决于你建立的模型,若模型不恰当,模拟结果就不会好。飞行模拟器使用的是飞机会如何反应的软件模型,统计模拟使用的是概率模型。我们会用表A中的随机数字,来启动模拟程序。
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模拟
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利用随机数字表或者计算机软件来模仿随机现象,就叫作模拟(simulation)。
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我们讨论模拟,部分原因在于它是科学家和工程师用来计算复杂问题概率的方法。模拟被用于制定减少人们在银行柜台和机场值机柜台前,以及在选举投票点等候时间的策略。模拟可以用于研究温室效应,可以用于研究灾难性事件的影响,例如核电站事故、核装置爆炸的后果,或在一个人口密集城市中一种致命传染病的散播情况。
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我们讨论模拟的另一个原因是,模拟会迫使我们仔细思考概率模型的意义。我们要学习的是困难的部分,也就是建立模型;而容易的部分,例如让电脑重复计算10000次,就留给真正需要算出概率的人吧。
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知识普及 真正的随机数字
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对于要求“纯正”随机数字的人,兰德公司很久以前就出版了《一百万个随机数字》一书。书中列出了1000000个数字,它们由十分复杂的物理随机系统生成,是真正的随机数字。有一位兰德公司的工作人员曾经告诉我,这并不是兰德公司出版的书中最无聊的一本……
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模拟入门
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一旦有了可靠的概率模型,模拟就是找出复杂事件发生概率的有效工具,我们可以利用随机数字,模拟出多次实验的结果。一个事件在这些结果中所占的比例,迟早会接近它的发生概率,所以模拟可以对概率做适当的估计。要学习模拟的技术,最好的方法就是多看几个例子。
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例1 如何模拟
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抛10次硬币,连续出现至少三次正面朝上或三次反面朝上的概率有多大?
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第一步:建立概率模型。我们抛硬币的概率模型包含两个部分:
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• 每一次出现正面朝上或反面朝上的概率都是0.5。
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• 每次抛掷都是独立的。也就是说,知道某一次的抛掷结果,不会影响其他的抛掷结果。
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第二步:为结果分配数字。表A中的数字,可在满足第一步要求的前提下代表各种结果。我们知道,表A中的数字会是0~9中任何一个,概率都是0.1,而且数字之间是相互独立的。以下是分配数字的一个方法:
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• 一个数字模拟一次抛硬币。
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• 奇数代表正面朝上,偶数代表反面朝上。
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这之所以可行,是因为5个奇数使得正面朝上的概率恰好是5/10,表中的连续数字可模拟多次独立的抛掷。
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第三步:模拟多次重复。10个数字可模拟10次抛硬币,所以表A中的10个连续数字模拟了一组抛10次硬币的情况。在表A中选取多组10个连续数字,就可模拟多次重复抛硬币的情况。别忘了,在每次重复时,看是否出现了我们想要的结果(连续出现至少三次正面朝上或反面朝上)。
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以下是前三组的结果,选自表A第101行。我们在出现三次或更多次正面朝上或反面朝上的结果下面做了记号。
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在表A中继续选取10个连续数字,我们共选了25组。其中有23组确实出现了连续三次或更多次正面朝上或反面朝上的结果。所以,我们用比例来估计这个事件的概率为:
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