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原則上可以定義的機率,實際卻是未知:《隨機法則─醉漢走路》(17)萊布尼茲和牛頓肩膀上的雅各‧白努利的黃金定理
2013/11/26 13:17:45瀏覽853|回應0|推薦0

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P.113,……白努利的才華很快就受到數學界的肯定,1686年底,梅格林去世之後,他繼任為巴塞爾大學的數學教授。

那時候,白努利一直在研究際遇遊戲的問題,影響他很大的是荷蘭數學家兼科學家惠更斯Christiaan Huygens,惠更斯除了改善望遠鏡、率先了解土星環、〈根據伽利略的想法〉創造出第一個擺鐘、並幫忙發展光波理論以外,還受到巴斯卡和費馬的啟發,寫了一本關於機率的數學入門書。

P.114……白努利的觀點反映了當時的文化:處世之道若能夠符合機率期望值,就是講理之人的表徵。……他也認知到這套舊理論並不適用於機率未知的狀況──在這種狀況下,各項結果的機率原則上是可以定義的,實際上卻是未知的。這也就是我與莫西所討論的問題,也是嘉格必須面對的難題:

不完美的骰子擲出6點的機率到底是多少?你染上黑死病的機率有多大?你的護胸盔甲抵擋長劍刺穿的機會有多少?

白努利看到答案的角度,和後來嘉格採取的一樣:我們應該由觀察中得到機率,而不是接受別人給出的機率。

 

身為數學家,他試圖讓這個想法更明確。

P.115假設觀察輪盤轉了好多次,你能多精準的定出相關的機率?你對自己定出的機率又有多大的信心?〈我們將在下一章回過頭來討論這些問題。〉然而,這些問題並非白努利所能回答的。他所回答的是一個緊密相關的問題:事件的機率在實際發生的結果中,到底反映了多少?

白努利認為,當試驗的次數愈多,我們觀察到的發生頻率理應愈來愈能準確反映事件的機率。他並不是第一位這麼認為的,不過,他可是第一位正式處理這個問題的──他把腦袋的想法化為證明,把問題量化,自問需要做多少次試驗,以及對準確性有多確定。……

 

白努利繼任為巴塞爾大學教授的那年1686,是數學史上轉捩點的一年:就在這年,萊布尼茲〈Gottfried Leibniz〉發表了一篇革命性的論文,奠定了積分的原則,補足了他在1684發表的微分論文。牛頓的微積分論文則在1687出版,收錄在他的《自然哲學的數學原理》〈通常簡稱為《數學原理》書中。這些進展是白努利隨機研究的關鍵。

P.116,……兩個人的著作都不容易讀。牛頓的《數學原理》不僅是最偉大的科學著作,也號稱「最難理解的著作」。萊布尼茲的著作,根據雅各‧白努利自傳作者的說法,「沒人看得懂」,不僅寫得不清楚,還有許多印刷錯誤,雅各的弟弟約翰說它是「難以理解的謎,而不是解說」。……它分辨了米和秕糠,而白努利的聰明才智屬於後者,因此,一旦他解開萊布尼茲的思想之謎,就擁有了世上只有少數人能夠分享的利器,……

P.120,雅各‧白努利把自己二十年的辛苦結晶,稱呼為「黃金定理」。這個定理的近代版,因著專業上的少許差異,而有不同的名稱:白努利定理、大數法則、弱大數法則。

 

……舉個例子,罐子裡有3000顆白色卵石、2000顆黑色卵石,也就是60%是白色的、40%是黑色的。以抽出、放回的方式從罐中取出卵石,……因此罐內的卵石一直保持32的比例,於是,取出白色卵石的機會應該是3/5,也就是60%。白努利主要的問題就是:你能夠多嚴格的期望白色卵石抽到的比率堅守60%,而這樣的機率有多大?

P.121,這個罐子的例子很好,因為描述抽取卵石的數學,可以用來描述任何一串試驗,只要每次試驗都只有兩種可能的結果,並且,結果是隨機出現的,而試驗是彼此獨立的。我們今天把這樣的試驗稱為「白努利試驗」,一連串的白努利試驗叫做「白努利過程」。〈三條魚插註:這就是《隨機法則─醉漢走路》(8) 談到的『一個問題只是另一個問題的變形,數學上叫做同態homomorphism〉』。〉

當隨機試驗只有兩種可能的結果,我們通常就將它們隨意標示為「成功」或「失敗」。這種標示並不代表它們表面的意義,有時候甚至和這些字眼日常的意義無關,比方說,如果你迫不及待繼續讀這本書是「成功」,而在木頭燒盡時,焚燒本書以取暖就是「失敗」。

 

P.122,……如果取出次數足夠多,是否就使你能夠九成九九九確定,取出的白色卵石占59.9%60.1%?白努利的黃金定理要處理的,就是這樣的問題。

要應用黃金定理,必須先做兩個選擇。

首先,你能容忍多大的誤差?你要求這一系列的試驗結果要多接近60%?你必須選一個區間,例如1%~~1%2%~~2%,或0.00001%~~0.00001%

其次,你必須定出你對不確定的容忍程度,你不可能百分之百確定結果會恰如所願,但是如果100次有99次、或1000次有999次,也就行了。

黃金定理告訴你,總是可能取「足夠多」次,而使得取出的白色卵石「幾乎確定」會「接近」60%,不管你個人對「幾乎確定」與「接近」的要求程度是什麼。這個定理還在「幾乎確定」與「接近」的給定條件下,給出條件,來計算試驗次數要多少,才叫「足夠多」。

〈三條魚補註1:隨機理論和微積分的關聯,首先在微積分理論的推論過程中,類似上面的陳述經常出現,稱為̯n -δ的定義】【ε-δ的定義。〉

〈三條魚補註2:上述的白努利定理,參見現行高中數學三年級數甲第一章『常態分佈與信賴區間』,三條魚剛剛上網想找看看有沒有適合的網頁,一時找不到,找到再補吧。〉

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