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概率论:不确定性的数学

撰文/胡作玄  发表于 2019年04月02日

我们生活在充满不确定性的世界里,我们的时代也可以说是不确定性的时代。显然,不确定性是确定性的反面,而确定性往往包含“规律性”、“可以预测”的意思。自从17世纪近代科学出现以来,我们对自然界的规律性认识大大长进了,以至于我们认为这世界是有规律的,而且规律是可以认识的。实际上,这是一种误区。过去我们认为理所当然的事,看来并不那么有把握,量子物理学与混沌现象是其中典型的例子,测不准原理的英文原文就是不确定性原理(Uncertainty Principle)。而涉及生命现象特别是人和社会更谈不上确定性,我们的老祖宗也谈过“人心叵测”嘛。如果说,自然科学的专家对于其专门的学科结果应该有一致的意见,那么社会科学,比如最科学的经济学,对于未来的估计就会见仁见智,并不一致。股评家很多,他们什么时候取得过一致的意见呢?有多少人能预见经济危机的到来,又有多少人能像凯恩斯那样真正能够提出有效的解决办法呢?

知道凯恩斯为什么能解决经济学的大问题吗?无疑,他受过很好的确定性数学(比如说代数方程及微积分)的教育,然而,他的过人之处在于,他在学经济学的同时还花了几年时间钻研不确定性的数学——概率论。时至今日,对于各门学科,学习概率统计的重要性已经不亚于微积分了。

说起来有点吊诡,数学的特点就在于它的确定性和定量性,而对于不确定性,怎么能有精确的数学呢?这点一般书上并不讲,只是教给你一些计算公式而已。实际上,概率的理论也像其他科学理论一样,为了克服许多复杂的因素,也要建立一个理想的模型,这样,我们在定义概率时,就有一个简便的方法可以用了。那就是,在定义概率时,要遵从一些潜规则,其最最基本的有3条:

1、公平性原则

2、独立性原则

3、完备性原则

所有的概率论教科书一开始都用硬币、骰子、扑克牌、摇彩的号码球等等,我们规定硬币正反两面出现的概率均为1/2,骰子每一面出现的概率为1/6,如此等等。然而,这些根本不能被实践检验。且不说那么多老千作弊,就是相当均匀的硬币和骰子在投掷时,也会产生偏差,因为初始条件不同,投掷时的力度也不同,就会产生不同结果。老实说,它们倒是遵守确定性的牛顿力学,只是我们无法考虑种种复杂的情形而已。因此,我们假定它是等概率的。

独立性的概念也十分重要。通常,科学关注两个事件的相关性,概率论首先要着眼于它们是否无关,也就是相互独立或互斥。只有在这种情形下,定义事件A、事件B、事件AB都发生的概率PA)、PB)、PAB),满足乘法规则:

PAB)=PAPB

反过来,这个公式也可以看成两个事件独立的定义。许多人不理解独立性的意义,因而产生许多误区。典型的就是有些挪用公款的赌徒总以为只要坚持不懈地赌下去,早晚就能赚。还有人买彩票,认为风水轮流转,总有一天中大奖,他们的错误就在于不知道每次买彩票都是独立事件,与先前的输赢没有关系。

完备性是指所有可能发生的事件合在一起一定是一个必然事件。掷一个骰子,16点一定有一面朝上,且只有一面朝上。没有这种前提就无法保证运算的精确性。同时,具体事件可能相当复杂,会出现不在你的考虑范围之内的意外情形,这样就不适于用初等的概率论。

尽管概率论不能告诉你选什么号才能中奖,但在实际生活及工作中大有用处。保险就是最主要的一种,汽车保险费用就是依据事故的概率来计算的,有人没出事故就觉得吃亏,这是十分错误的心理。机器维修要靠“可靠性理论”,它要计算某种零件的失效概率以及整机失效概率的关系,概率论帮你选择最好的时间来维修。概率论最高级的应用是金融数学,它给我们带来金融衍生产品,也因此引发了这场金融危机。这可怪不着数学,懂数学就能区别合法产品与蓄意欺诈,因为数学的确定性能告诉你有些事肯定太离谱。

 

 

(本文发表于《科学世界》2009年第9期)


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