Pr[E] 2/3 √2d S, ω
数学之旅 · CHAPTER 17 · Part IV 概率开篇

事件与概率空间

Events and Probability Spaces

一百名数学家在蒙提霍尔问题上翻车,因为"六种结果里换门赢三种"不等于"换门赢 1/2"——结果不等权。四步法(树图 → 事件 → 边概率 → 求和)把直觉关在门外;三颗怪骰子还会教你怎么让"能打"这个关系失效。

⏱ 约 70 分钟🧩 8 个互动装置📖 原书第 715–738 页
17.2

四步法:把蒙提霍尔关进树图里

The Four Step Method
The Four Step Method

① 找样本空间:树图每层一个随机量,叶子 = outcome。② 定义事件:outcome 的子集。③ 定 outcome 概率:先给每条边标概率,outcome 概率 = 路径边概率之积。④ 事件概率 = 事件内 outcome 概率求和。

蒙提霍尔:车藏在 3 扇门之一(各 1/3)→ 你初选一门(各 1/3)→ 主持人开一扇有山羊的门(有两个候选时各 1/2,只有一个时为 1)。12 个 outcome,其中"换门获胜"恰有 6 个——但 6/12 ≠ 1/2:主持人被迫开门的那些分支概率更大(1/9 vs 1/18)。逐行看树表,每行概率 = 左边三个数的乘积:

互动 ①

🚪 蒙提霍尔树表:12 个 outcome 全景

绿色行 = 换门获胜。点任何一行,看它的概率怎样由三个边概率乘出来(1/3 · 1/3 · 1/2 = 1/18 或 1/3 · 1/3 · 1 = 1/9)。把 6 个绿行加总:6/9 = 2/3。
17.2

换门模拟法庭:让频率去撞理论

Simulation Court

理论说 1/3 vs 2/3, Marilyn 的专栏曾收到上万封反驳信。空口无凭——跑实验。注意 17.2.5 的提醒:结论依赖"主持人必须开一扇山羊门并给你换的机会"这一规则设定;如果他只在你选对时才提供换门机会,换门就永远输。

互动 ②

🎲 换门 vs 不换:蒙特卡洛法庭

不换门胜率(理论 1/3)
—
换门胜率(理论 2/3)
—
已模拟 0 局
每一局同时按两种策略各判一次(同一个随机局面)。大数定律会让柱子逼近 1/3 与 2/3——上万局之后还在怀疑的话,再点一轮。
17.3

怪骰子:能打关系的塌方

Strange Dice

酒吧里三颗骰子:A = {2, 6, 7},B = {1, 5, 9},C = {3, 4, 8}。各掷一次比大小。四步法给出惊人的结果:

A 胜 B 概率 5/9 > B 胜 C 5/9 > C 胜 A 5/9 ——非传递!

"更常获胜"不是传递关系:谁先挑骰子谁吃亏。更狠的是掷两次比总和:强弱全部反转(A vs B 从 5/9 翻成 37/81 落败)。选一颗骰子当你的,再选一颗对手的,看 9 个格子的胜负分布:

互动 ③

🎲 怪骰子对决台:一次定输赢,还是两次?

你选:Die A 对手:Die B
蓝格 = 你赢,金格 = 对手赢。试试 A→B、再 B→C、再 C→A:每一步都是 5/9,绕成一个圈。然后切"掷 2 次",看强弱整体翻转。
互动 ④

📊 掷两次的均匀空间:81 个 outcome 怎么摆?

17.3.4 的空间设计:每颗骰子掷两次,outcome = 9 个等可能结果 × 9 个 = 81 个,每个概率 1/81(uniform!)。选一对骰子,看"两次之和"的分布直方图——中间高两头低,强弱一目了然。

■ 蓝 = 左骰子的和分布■ 金 = 右骰子
分布重叠越多、胜负越接近;"平局"= 两骰总和恰好相等的 outcome 数 ÷ 81。注意单峰向右/向左的偏斜如何对应一次对决的 5/9。
17.4

生日原则:23 人的必然

The Birthday Principle

一个班 95 人,几乎必然有两人同一天生日(概率 > 0.9999)。全部生日互不相同的概率是 ∏ᵢ (1 − i/d)(式 17.5),用 1−x ≤ e^{−x} 一夹就得到 e^{−n(n−1)/2d}。于是有计算机科学里到处出现的经验法则:

The Birthday Principle

一年 d 天,房间里约有 √(2d) 人时,两人同生日概率 ≈ 1 − 1/e ≈ 0.632。d = 365 → 约 27 人(精确 0.626;而 23 人时刚过一半,是它最出名的变体)。哈希表 n 项进 d 个桶、密码学"生日攻击",全是同一道公式。

互动 ⑤

🎂 生日碰撞曲线:精确公式 vs 指数近似

人数 n = 23
无碰撞概率 = —
近似 e^(−n(n−1)/730) = —
至少两人同生日 = —
蓝线 = 精确公式,金虚线 = 指数近似——肉眼几乎重合。红色参考线在 n = 27 ≈ √(2·365):那里碰撞概率爬过 0.63(精确 0.626)。拨到 n = 23 试试——刚过一半,这就是"23 人问题"的出处。
17.5

概率规则卡组:集合论换装登场

Set Theory and Probability
定义 17.5.1 / 17.5.2

样本空间 𝒮 是非空可数集;事件是子集;概率函数 Pr : 𝒮 → ℝ 满足 Pr[ω] ≥ 0 且 ΣPr[ω] = 1。事件概率 Pr[E] = Σ_{ω∈E} Pr[ω]。uniform 空间里 Pr[E] = |E|/|𝒮|——第 15 章的全部计数工具在这里直接变现(五张手牌葫芦概率 = 3,744 / C(52,5))。

规则卡组

Sum Rule(不交可加)· Complement Rule(Pr[Ā] = 1−Pr[A])· Difference Rule · Inclusion-Exclusion(容斥原样搬来)· Union Bound(17.8:Pr[E₁∪⋯∪Eₙ] ≤ ΣPr[Eₙ])· Monotonicity。Union Bound 是算法分析里最常用的上界:飞船 n 个关键部件各自失效概率 pᵢ,"至少一个失效"的概率 ≤ Σpᵢ——宁要粗糙的上界,不要算不出的精确值。

互动 ⑥

🎢 Union Bound 体检台:上界有多松?

n 个独立部件各以概率 p 失效(本台实验设定):"至少一个失效"的精确值是 1−(1−p)ⁿ,Union Bound 给上界 np。习题 17.8 还有下界:p ≤ Pr ≤ np 两端都能取到。

精确 Pr[至少一个失效] = 1−(1−p)ⁿ
—
Union Bound 上界 np
—
p 很小时上界几乎贴住精确值((1−p)ⁿ ≈ 1−np);p 大时上界被截到 1、迅速变松——"宁松勿错"正是它在算法分析里的用法。
17.5.4

无限概率空间:先手到底占多少便宜?

Infinite Probability Spaces

两人轮流掷公平硬币,先掷出正面者胜。样本空间无限:{TⁿH}。先手在第 1, 3, 5, … 步获胜,概率 1/2 + 1/8 + 1/32 + ⋯ = 几何级数收口:

Pr[先手胜] = ½ · Σ (1/4)ⁿ = ½ · 1/(1−¼) = 2/3  后手 1/3,和恰好为 1

树图里那条"永远掷出反面"的无限路径没有对应 outcome——概率 0 的事件不必放进模型,加了也无害(ωforever 的讨论)。上一章的几何级数 1/(1−x) 在这里领了第一份工资。

互动 ⑦

♾️ 先手优势的几何级数:一项项逼近 2/3

累加 = 0 / 目标 2/3 ≈ 0.6667
每根柱子是 ½·(¼)ⁿ:1/2, 1/8, 1/32, … 衰减极快——先手的巨大优势几乎全靠第一次掷币。
⚔️

习题实战:四门蒙提霍尔

Problem 17.5, Playable

原书习题 17.5:4 扇门,车藏在随机一门;你选一门;主持人开一扇无车且非你所选的门(有两个候选时各 1/2)。三种策略同场竞技:

互动 ⑧

🚪🚪🚪🚪 四门蒙提霍尔:三种策略的胜率座次

Stu 坚持不换;Zelda 等概率换到剩下两扇未开未选门之一;Mergatroid 总是换到其中编号最早的那扇(门序 A<B<C<D)。全部由枚举器按四步法精确计算。

—
Stu(坚持初选)
—
Zelda(随机换)
—
Mergatroid(换最早门)
先猜个座次再点按钮。门越多坚持者越惨——doors → ∞ 时 Stu 的胜率 → 0。
⚖️

终局自测

Final Check

八题,覆盖 17.2–17.5。

🥚

彩蛋与课后挑战

Easter Eggs & Problems
Marilyn 被骂了整整一年(17.2 开场)

1990 年 Parade 杂志专栏作家 Marilyn vos Savant 答"换门 2/3",收到上万封抗议信,近千名博士署名反对("你就是那只山羊的数学水平!")。四步法树下无话可说:那些概率 1/9 的分支(主持人被迫开门)才是被直觉吃掉的部分。原信人 Craig Whitaker 的问题其实有歧义——若主持人不被要求开门,结论随规则改变(17.2.5)。

四门版蒙提霍尔(习题 17.5)

4 扇门、开 1 扇无奖门、可换到剩下两扇未开、未选门之一(等概率选):坚持者 Stu 赢 1/4;换门者 Zelda 赢 3/8;而"总是换到最早那扇门"的 Mergatroid 还能算出精确胜率。门越多,坚持者越惨—— doors→∞ 时坚持胜率 → 0。

HHT 与 TTH 谁先出现?(习题 17.12)

反复掷公平硬币直到 HHT 或 TTH 出现——两个模式"看起来对称",胜率就是 1/2:1/2:H↔T 对换把两个事件互相映射(原书 17.12 的提示正是这条对称性)。"看似对称实则不公"的陷阱要换一对才成立:HHT vs HTT 这类自重叠模式才有先后之分——模式匹配竞争是概率空间设计(什么叫一次"试验"?)的绝佳反例,Penney's game 的入门款。

课后挑战(均出自原书习题)
  • 17.3 红袜队 3/5 胜率的三局两胜系列赛:打满 3 局的概率?冠军输掉首局的概率?
  • 17.4 双掷硬币定奖品(HT 先出现 vs TH 先出现):用"子树自指"一步解出先手胜率公式。
  • 17.8 n 部件系统:证明 p ≤ Pr[系统失效] ≤ np,两端都可构造性取到。
  • 17.11 k-neutral 锦标赛:用 Union Bound 证明"没有绝对王者"的赛果对足够大的 n 必然存在——Boole 不等式喂饭级应用。
本章路线图
17.2 · 四步法与蒙提霍尔17.2 · 换门模拟法庭17.3 · 怪骰子对决 17.4 · 生日原则17.5 · 概率规则卡组17.5.4 · 无限空间先手 2/3 ⚔️ · 习题实战(四门蒙提霍尔)⚖️ · 终局自测🥚 · 彩蛋与挑战