13 惠更新的三个关于期望的定理

简介: 13 惠更新的三个关于期望的定理

(一)惠更新的论赌博的计算

所谓概率,即指一个事件发生,一种情况出现的可能性大小的数量指标,介于0和1之间,这个概念最初形成于16世纪,说来可能令你意想不到,凡事无绝对,早期很多概率论中的探讨却与掷骰子等当今看来是违法犯罪的赌博活动有着不可分割的联系,可以说,这些赌博活动反而推动了概率论的早期发展。

历史是纷繁多杂的,咱们从惠更斯的机遇的规律一书入手,此人指导过微积分的奠基者之一的莱布尼兹学习数学,与牛顿等人也有交往,终生未婚。如诸多历史上有名的人物一般,他们之所以被后世的人们记住,是因为他们在某一个领域的杰出贡献,这个贡献可能是提出了某一个定理或者公式,换句话来说,就是现今人们口中所说的代表作,一个意思。

而惠更新为当代人们所熟知的应该是他在《摆式时钟或用于时钟上的摆的运动的几何证明》、《摆钟》等论文中提出了物理学史上钟摆摆动周期的公式:

(二)创立数学期望

与此同时,惠更斯1657年发表了《论赌博中的计算》,被认为是概率论诞生的标志。同时对二次曲线、复杂曲线、悬链线、曳物线、对数螺线等平面曲线都有所研究。

《论赌博中的计算》中,惠更斯先从关于公平赌博值的一条公理出发,推导出有关数学期望的三个基本定理,如下述内容所示:

  • 公理:每个公平博弈的参与者愿意拿出经过计算的公平赌注冒险而不愿拿出更多的数量。即赌徒愿意押的赌注不大于其获得赌金的数学期望数。

对这一公理至今仍有争议。所谓公平赌注的数额并不清楚,它受许多因素的影响。但惠更斯由此所得关于数学期望的3 个命题具有重要意义。这是数学期望第一次被提出,由于当时概率的概念还不明确,后被拉普拉斯( Laplace ,1749 —1827) 用数学期望来定义古典概率。在概率论的现代表述中,概率是基本概念,数学期望则是二级概念,但在历史发展过程中却顺序相反。

关于数学期望的三个命题为:

  • 命题1  若某人在赌博中以等概率1/2获得赌金a元、b元,则其数学期望值为:a1/2+b1/2,即为( a + b)/2;
  • 命题2  若某人在赌博中以等概率1/3获得赌金a 、b 元和c元 ,则其数学期望值为( a + b + c)/3元;
  • 命题3  若某人在赌博中以概率p 和q ( p ≥0 , q ≥0 , p + q = 1) 获得赌金a元、b元 ,则获得赌金的数学期望值为pa + qb 元。

这些今天看来都可作为数学期望定义,不准确的说,数学期望来源于取平均值。同时,根据上述惠更斯的3个命题不难证明:若某人在赌博中分别以概率p1…,pk(p1+…+pk=1)分别赢得a1,…ak元,那么其期望为p1a1+…+pkak,这与本文第一节中关于离散型随机变量的期望的定义完全一致(各值与各值概率乘积之和)。

但惠更新关于概率论的讨论局限于赌博中,而把概率论由局限于对赌博机遇的讨论扩展出去的则得益于伯努利,他在惠更新的论赌博中的计算一书出版的56年,即1733年出版了划时代的著作:推测术。伯努利在此书中,不仅对惠更斯的关于掷骰子等赌博活动中出现的额各种情况的概率进行了计算,而且还提出了著名的“大数定律”,这个定律在历史上甚至到今天,影响深远,后续诸多的统计方法和理论都是建立在大数定律的基础上。

(三) 伯努利的大数定律及其如何而来

同样,咱们在读中学的时候,之所以记住了伯努利这个人,恐怕是因为物理课上,老师所讲的伯努利方程C,(C为常量)。

当然,伯努利的贡献不仅在此,而在于他的大数定律。那何谓伯努利大数定律呢?

设在n次独立重复试验中,事件X发生的次数为。事件X在每次试验中发生的概率为P。则对任意正数,下式成立:

定理表明事件发生的频率依概率收敛于事件的概率。定理以严格的数学形式表达了频率的稳定性。就是说当n很大时,事件发生的频率于概率有较大偏差的可能性很小。

这个定理如何而来的呢?

咱们来看一个简单的袋中抽球的模型,袋中有a个白球,b个黑球,则从袋中取出白球的概率为p=a/(a+b),有放回的充袋中抽球N次(每次抽取时保证袋中a+b个球的每一个都有同等机会被抽出),记得抽到的白球的次数为X,然后以X/N 这个值去估计p,这个估计方法至今仍是数理统计学中最基本的方法之一。

伯努利试图证明的是:用X/N 估计p 可以达到事实上的确定性,即:任意给定两个数ε>0和η>0,取足够大的抽取次数N,使得事件的概率不超过η,这意思是表面估计误差未达到制定的接近程度η。换句话说,我们需要证明的是当N充分无限大时,X/N 无限逼近于p,用公式表达即为:(N趋于无穷大)

尽管现在我们看来,上述这个结论毫无疑问是理所当然的,但直到1909年才有波莱尔证明。此外,此伯努利大数定律是我们今天所熟知的契比雪夫不等式的简单推论,但须注意的是在伯努利那个时代,并无“方差”这个概念,更不用说从这个不等式而推论出伯努利大数定律了。

此外,常用的大数定律除了伯努利大数定律之外,还有辛钦大数定律、柯尔莫哥洛夫强大数定律和重对数定律等定律。这里稍微提下辛钦大数定律,如下图所示。

在1733年,棣莫弗发展了用正态分布逼近二项分布的方法,这对于当时而言,是一实质性的深远改进。

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