全球快消息!著名的"贝特朗悖论"及其产因分析
我们先来看一道题目:
这题看似简单,却出现了3种答案!
解法一:
【资料图】
取定边为AB。要满足AC,BC长均<1,则点C需要在以A为圆心1为半径的圆内,且在B为圆心1为半径的圆内,由此可行域即图中的红色部分
要满足C为锐角,则还需满足C在以AB为直径的圆外,即深色部分
因此三角形为锐角三角形的概率就是深色部分面积/红色部分总面积
先求红色部分总面积:
如图,连接交点与两圆的圆心,构成等边三角形
于是
其中
于是
深红色部分面积=红色部分面积-浅红色部分面积(以AB为直径的圆的面积)
则概率
解法二:
设C所对边为1(最大的边)。取角A,B研究,要构成三角形,则需:
根据"大边对大角,小边对小角",还需满足:
因此A,B满足约束:
以A为横轴,B为纵轴画出的可行域如下:
其由直线围成
要让三角形为锐角三角形,还需让最大角C为锐角,即
(即下图深色部分)
因此三角形为锐角三角形的概率就是深色部分面积/红色部分总面积
先求红色部分面积:
四边形顶点为
于是
再求深红色面积:
深红色面积=红色面积-浅红色面积
于是
则概率
解法三:
设最大边为c=1,取边a,b研究,要构成三角形,则需满足任意两边之和>第三边,即:
依题意还需满足
因此a,b满足约束:
以a为横轴,b为纵轴画出的可行域如下:
其由直线围成
要让三角形为锐角三角形,还需让最大角C为锐角,即
围成(即下图深色部分)
因此三角形为锐角三角形的概率就是深色部分面积/红色部分总面积
先求红色部分面积:
再求深红色面积:
深红色面积=正方形面积-1/4圆面积
于是
则概率
为什么会出现3种不同的答案?究竟哪种才是对的呢?难度概率学都是骗人的?数学大厦即将倒塌啦!(民科大乐)
其实思考这个问题是颇具价值的,因为这背后代表着概率论完善的一次重要转折。
高中时学过古典概型,如抛硬币,抛骰子。问“抛出正面的概率”“抛出6的概率”,相信幼儿园的小孩都能答对。那么这概率是怎么确定的呢?源于古典概率学派的核心思想:不充分理由原则。
原则概述:如果因为无知,使得我们没有办法判断哪一个结果会比另外一个结果更容易出现,那么应该给予它们相同的概率。比如:
硬币:由于不清楚硬币哪一面更容易出现,那么应该给予正面、反面相同的概率,即为;
骰子:我们不清楚骰子哪一面更容易出现,那么应该给予每一面相同的概率,即为
以不充分理由原则为基础,定义了古典概型(未知的概率皆为等概率)
由等概率为基的古典概型(离散型随机变量)进一步拓展到了几何概型(连续型随机变量)
整个19世纪的人们都广泛接受这个定义,并发展出了一系列的定义和定理。直到贝特朗悖论的出现。
ps:贝特朗悖论的典型例子是:在单位圆内任意作一条弦,求弦长的概率,放到后文再讲
我们先以上面的题目分析
不妨以解法二为例分析其他的两种情况
在解法二中,根据"等概率假设",变量在该可行域内随机分布,那么事件和事件发生的概率是相等的,也就是下图绿色框框中的这两块面积相等
而事件和事件放到解法一的可行域中,则是下面的两块面积:
在这个可行域中,①②的面积是不相等的,即事件和事件发生的概率不相等
因此"变量(A,B)在解法二中的可行域随机分布"与"变量(x,y)在解法一中的可行域随机分布"是不等效的!
在解法三中,事件和事件发生的概率也不相等:
ps:desmos有点bug,方程一多就渲染不清
如图的绿色部分面积与蓝色部分面积不相等
因此"变量(A,B)在解法二中的可行域随机分布"与"变量(a,b)在解法三中的可行域随机分布"也是不等效的!
因此这3种假设两两不等效!
这也正是古典概率学派的不充分理由原则(等可能假设)导致的,对点变量(x,y),还是对角变量(A,B),抑或对边变量(a,b)运用不充分理由原则,同一个问题会得到不同的概率
这就愈发引起深思:需要对随机变量的衡量方式进行更明确的限制!
因此,如果要是解法一的答案,就需多加限制:点C在对应的可行域内随机分布;其余两种解法也要限制变量在对应可行域内随机分布。
因此贝特朗悖论反应的并不是概率学知识不自洽,而是题目对条件缺乏严格明确的限制而导致模棱两可。
对于这点典例:在单位圆内任意作一条弦,求弦长的概率?
那这就没法操作,这条弦究竟是怎么个任意法?是任意旋转么?是任意平移么?都没有说明,因此我们就无法确定随机变量的衡量方式,这个问题自然就无法解决。因为题目本身就存在问题(条件不够)
想要解决我们就必须对条件加以更明确的限制!于是乎,不同的限制方式就产生不同的结果
(1)
若将这条弦沿着一条直径上下平移,那么这条弦在线段AB上移动时就满足条件,就该以这条线段的长度为衡量标准,概率就是;
(2)
若固定这条弦的其中一端,绕着这个定点转动,可知当这条弦在范围内转动时就满足条件,这时就该以转动角度为衡量标准,概率就是;
(3)
若以弦的中点为参考,当弦心距时就满足条件,于是当弦中点在绿圆(半径为)内部运动的时候就满足条件,这时就该以中点所在区域的面积为衡量标准,概率就是。
ps:这个典题应该放最前面讲的,有这基础才能更好地引出前文的那道题目,没布局好懒得修改谋篇了()
同一问题有3种不同答案,这便是著名的贝特朗悖论。
在这以前人们都相信只要找到了适当的等概率,就可以得到问题的唯一解。直到该悖论的出现,人们才开始反思古典概率的不合理之处:“等概率”的描述实在是太模糊了,存在歧义。
这所谓的悖论其实并不悖,产生的原因正是题目没有指定随机对象的运动方式,这是一道缺少条件的模棱两可的错题。
打个比方,我们要统计某学校中数学成绩大于90分的学生所占比例,这是古典概型。但这没法操作,因为这里的随机变量是不明确的,是期中考试成绩?期末考试成绩?还是平均成绩?都没有讲清楚。如果非去统计,那么不同的人就会有不同的选择(选择不同的衡量标准),那么得出的结果自然也就不同。
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