“三门问题”背后的概率论原理解析

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        前段时间我在知乎上看到这么一个问题:假设你在参加一个抽奖游戏,主持人在三个小碗分下面放了 1 块钱、1 块钱和 10000 块钱的筹码。你选中哪一个,你就可以领到对应的钱。当你选定一个碗之后,主持人翻开剩下两个碗里,下面有一块钱筹码的碗给你看。并且,给你一次机会选另外一只碗。请问:应不应该换? 为什么?

        这引起了我的探索兴趣。一看这个问题的叙述,我的第一反应便是:这就是一个概率大小的分析和比较问题。结合这个学期在修读“概率论与数理统计”这门课,我决定对这个问题进行深入的调研。

        这个问题其实是历史上著名的蒙提霍尔问题(又称三门问题、山羊汽车问题) 的演化版本。我们先来看一下三门问题具体是什么:

        三门问题(Monty Hall problem)亦称为蒙提霍尔问题、蒙特霍问题或蒙提霍尔悖论,大致出自美国的电视游戏节目 Let's Make a Deal。问题名字来自该节目的主持人蒙提·霍尔(Monty  Hall)。参赛者会看见三扇关闭了的门,其中一扇的后面有一辆汽车,选中后面有车的那扇门可赢得该汽车,另外两扇门后面则各藏有一只山羊。当参赛者选定了一扇门,但未去开启它的时候,节目主持人开启剩下两扇门的其中一扇,露出其中一只山羊。主持人其后会问参赛者要不要换另一扇仍然关上的门。问题是:换另一扇门是否会增加参赛者赢得汽车的机率。如果严格按照上述的条件,那么答案是会。不换门的话,赢得汽车的几率是 1/3。换门的话,赢得汽车的几率是 2/3。

        三门问题的正确答案,在很久以前就有了;但直到如今,其理解以及求解的过程仍然在引发着热烈的探讨。

        其中,对于初次接触到这个问题的人来说,一般有这样的思考模式:三扇门, 有一扇门后面是汽车,我选了一扇门,如果主持人没有打开剩下的两扇门中的一扇,那么很明显,我赢得汽车的概率是 1/3;如果在我选了一扇门后,主持人打开剩下的两扇门中的一扇,这扇门的后面是山羊,那么另外的包括我所选的两扇门中,一扇后面是汽车,另一扇后面是山羊,那么无论我换门与否,赢得汽车的概率都是 1/2,这个概率是不会因为换门而改变的。而这与这个问题的正确答案是不一样的。

        那么,究竟错在哪里呢?问题的正解是什么呢?有的人自始至终无法理解为什么换门之后,赢得汽车的概率会增大,并且对这个“正确答案”产生了怀疑。秉承“事实大于雄辩”的原则,有人用程序对这个概率进行了计算,如下所示:

“三门问题”背后的概率论原理解析

“三门问题”背后的概率论原理解析

         实验结果是:换不换?换:正确率:0.667300。约等于 2/3。

        这也就证明了目前存在的“正确答案”的正确性。那么,问题便是无可置疑地出现在我们解题的过程中了。

        由于这个学期修读了“概率论与数理统计”,并且以及对“贝叶斯概率”“全概率”有了一定的知识储备,那么我首先可以用专业的概率论知识来对这个问题进行求解:

  1. 设三扇门为 A,B,C,假设我们已经选了门 A,主持人打开了门 B;
  2. 若车在 A,则打开 B 的概率是 1/2,若车在 C,则打开 B 的概率为 1;
  3. B 被打开可能是在以车在 A 的前提下以 1/2 概率随机选择的(情况 1),也可能是以车在 C 为前提以 1 的概率打开的(情况 2);
  4. 虽然我不知道究竟是哪种情况,但是情况 2 使 B 被打开的可能性更大,所以以 B 被打开作为已知信息,可以推出已发生情况 2 的概率更大。

        用概率论公式来分析,我们得到:

        车在门 A 的概率为:

“三门问题”背后的概率论原理解析

         车在门 B 的概率为:

“三门问题”背后的概率论原理解析

         答案很明了:更换门后赢得汽车的概率是不更换门的 2 倍。

        用图形来表示,可以很直观地比较两种选择的区别:

“三门问题”背后的概率论原理解析

        以上是运用较为专业、准确的利用概率论的公式来求解这个问题,但对于很多人来说,这依然只是陈述了一个事实,并不能让人真正透彻地理解。那么能否使用一个更加通俗直观的解释方法来分析这个问题呢?

        我们中学修读物理的时候,曾用到过“极限法”,就是在求解一个模棱两可的问题的时候,我们适当地将一个变量或者条件扩展至无限大或者无限小,这是就能很直观地得到正确答案。在三门问题的处理上,我们同样可以运用类似的“极限处理法”:

        例如,有 1000000 个小碗,只有 1 个下面放钱了,其他下面全都没钱,让我们选,我们选中的概率肯定极低。这时候主持人让我们先摁住一个,然后“嗖嗖嗖”,把剩下的 999999 个碗掀开了 999998 个,底下都没有钱,只剩下一个碗了,主持人问我们:“给你一次机会,剩下的这个换不换?”

        这时,我们就能给出一个较为肯定的答案:肯定换啊,为什么?因为主持人都帮我们把空的剔除了,剩下的这个大概率是有钱的。

        对于这个结果,我给出一个通俗的解释:刚开始让我们选,选中的概率是1/1000000,剩下的碗中有钱的概率是 999999/1000000。而无论我们选什么, 主持人都能保证在剩下的空碗中掀开 999998 个空碗,这是动作的概率是 1,完成这个动作之后,他手里剩下的那个碗有钱的概率没变,还是 999999/1000000。

        通过“极限处理法”的使用,我认识到,三门问题是多门问题之中最难的情况。在三门问题的基础上可以推测,如果把三门变成千门,参赛者第一次就选中的概率就是1/1000,参赛者就会清楚自己完全是猜测,而不是如同三门的时候,1/3的概率,所以认为自己是正确的。这样,当主持人打开剩下999扇门中的998扇时,该如何选择,认真思考就会比三门的时候清晰很多(换与不换,中奖的比率是999:1)。

        在分析“三门问题”的过程中,我通过自己的理解和思考,总结出一句话:概率存在于被给予的条件下,不能寄托在实际的物体上。

        以上就是我从两个角度对“三门问题”的分析,一个角度是运用专业性的概率论计算处理,另一个角度是运用“极限处理法”展现出更加通俗直观的解答过程。虽然这两种分析方法看似差别很大,但它们的共同点都是以“概率论与数理统计”为分析与解答的核心。

        通过“三门问题”,我们能够对“概念”这一定义有一个更加清晰的理解:概率用来评估未发生事件,对于已经发生的某一事件,只有结果,没有概率。此时人们常说的“概率”,并不严谨,本质是“对结果的猜测”。

        总的来说,对于“概率”,我们有三点需要注意:

        1.独立原则。随机事件的概率不受之后发生事情的影响

        2.之后发生事情会影响人们“对结果的猜测”。

        3.人们经常犯的错误是轻易混淆“概率”、与“对结果的猜测”。

        在历史上,这种与概率论计算有关的趣味问题还有很多,值得我们去了解和品读。在解决这些趣味问题的过程中,我对概率论的兴趣增长了许多。同时,“概率论与数理统计”在我们生活中的应用十分广泛,所以学好这门课程、掌握核心计算方法,将会对我们日后的工作、生活大有裨益。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-495313.html

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