《誰都可能呼攏你,但是數學不會》裡面的一些數學-大數法則

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上篇說的是一些數學給的小觀念,而且是沒有什麼數學的,而這一篇會著重在裡面的數學,不過大家可以放心,我會盡量用淺顯的方式說明其中的概念,沒有艱澀的數學專有名詞也不會有可怕的計算。

丟硬幣

每次有機率課程的時候,總會有擲硬幣的例子,今天我們也不例外,好的,假設你的手上有個新台幣的10元硬幣,而在丟了10次之後,發現掉到地上後都是正面,那麼第11次你覺得是什麼結果比較有可能?

相信有人會回答「正面」,因為感覺這個硬幣怪怪的,可能被動了手腳,不過請不要那麼多疑,我們可以用程式來驗證,這種連續好幾次都正面或都反面的例子其實是挺常見的;不過相信會有更多人回答「反面」,因為我們可能會想:「都正面那麼多次了,這次該換反面了吧?」聽起來很有道理,但是這樣很不理性,而回答反面的人很有可能犯了「賭徒謬誤」。

賭徒謬誤

何謂賭徒謬誤?是一種「認知偏誤」,表示在思考時會犯的某種錯誤,而賭徒謬誤表示的錯誤是「當一件事情發生了很多次,那接下來就不太會再發生,或者是當一件事很久沒發生,那接下來就很有可能發生」。

那該怎麼回答呢?應該說:「不一定」,接下來是正面是反面,機率都差不多是二分之一,而且跟前面所有正反面的結果沒關係,因為每次丟硬幣都是相互「獨立」的,指的是每次丟硬幣都不會互相影響,比如每次只擲一個骰子時,每次事件都是互相獨立的,不會有「因為前幾次都是偶數點,所以這次也是偶數點」這種事發生。

期望值

在了解大數法則前,我們需要先了解何謂「期望值」,不嚴謹地說,期望值就很像我們常聽到的「加權平均數」,比如在算學期總成績時,我們要把平時成績、期中考、期末考的成績,各自乘以其相對應的比例,再把他們加總起來獲得總成績,而這個成績我們把它抽象化,這就是一種變數,也就是我們把某個事件賦予它一個數值(實數),例如:當我們丟一枚公正硬幣(兩面都是平的)到正面時,我們就記成「1」,反面則是「0」,而這個比例其實是一種機率,也就是介於0到1之間,且滿足某數學性質的實數,如上例的丟硬幣,正反面的機率都該是1/2,而一件事的期望值就是把每個變數乘以各自的機率後再總起來,如上例的丟硬幣,期望值就是0*(1/2)+1*(1/2)=0.5。

另一個例子是擲公正骰子(六面都是平的,沒有凹洞),將各自的點數當成變數,而且很容易看出擲出每面的機率都是1/6,則期望值就是1*(1/6)+2*(1/6)+3*(1/6)+4*(1/6)+5*(1/6)+6*(1/6)=3.5,不過要注意的是,我們不可能擲骰子擲到3.5點,所以期望值只是一種期望中的數字,而不一定屬於變數裡其中的一項。

大數法則

大數法則,口語上來說,就是「若樣本數越多,則樣本的算術平均數會越有可能接近期望值」,裡面的「算術平均數」我們尚未定義,不過就是我們一般所聽到的平均數,不用加權的那種,也就是不考慮機率是多少,直接拿來做平均。

接下來要注意的是,裡面說的是「越可能」接近期望值,所以其實沒有一定,但樣本越多就越有機會。

比如小明經過綜合評比後,他的數學考試的期望分數是70分,但它可能考試出來才40分,但可能下次就考了100分,這樣平均分數就是期望值了,但可能不盡人意,考了60分,這也是很有可能的,因為我們樣本太少了,不過假設他考了一千次,一萬次,它的平均分數肯定會接近70分的,不過這樣真的太殘忍了,哪個老師會想給學生考一千次數學考試呀?

接下來可能有人會想,第一次40分,之後應該要考得高很多才比較有機會到達理論上的期望值70分,所以相信小明之後會更好吧?那可不一定,這本書就說了一個很重要的概念:

「整體並不需要通過補償來對局部產生作用」。

也就是我們不用期盼接下來會有補償機制,使得這個偏離期望值的數值被抵銷,大數法則裡的巨大樣本,就像一片汪洋,而裡面的一個樣本,如同杯水車薪,正所謂:

「海納百川,有容乃大」,

巨大的樣本,其平均值不會因為一個偏離期望值的樣本而放棄將其加總,也不會被它影響到。

否極真的會泰來嗎?

有次當我生活整個糟透時,我的朋友們總告訴我:「沒事的,之後一定會好轉的!」其實就像是一種賭徒謬誤,雖然朋友的本意是好的,但是如果你真的遭透時怎麼可能聽進去呢?不如換個說法,比如:「我相信你的實力期望值很高,所以現在這樣只是一個不足以代表你的小事件而已,之後只要實力照常發揮,相信你也會變成光。」當我沒說,估計我聽到時會更痛苦。

像本書作者身為老師,當同學不小心犯錯或表現失常,他不會鼓勵同學做得更好或期待同學戴罪立功,而是提醒同學能記取教訓,之後正常發揮就好,所以前面說的那位小明,下一次考試最有可能的分數應該是70分才對喔!

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