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1.三门问题

第1章中介绍了一个与几何概型有关的贝特朗悖论,贝特朗于1889年还提出了另一个贝特朗盒子悖论,实际上不算是“悖论”,因为它没有逻辑矛盾。但它是一个与博弈论相关的有趣的数学游戏:三门问题。

这个问题有好几个等效版本,最早一版的日期可追溯到19世纪的贝特朗,该问题在数学本质上也等同于马丁•加德纳在1959年提出的“三囚犯问题” 。不过这些老版本长时间都默默无闻,只是在100多年之后的1990年左右热门了一阵子。它在公众中引起热烈的讨论,其原因要归功于美国一个从20世纪80年代一直延续至今的著名电视游戏节目Let‘s Make a Deal。由此例也足以可见现代媒体在公众中普及科学知识的威力。当年的节目主持人蒙特•霍尔(Monty Hall)善于与参赛者打心理战,经常突如其来地变换游戏规则,给参赛人和观众都来个猝不及防,既使得观众们困惑不已,又迫使参赛者“脑筋急转弯”(图2-1-1),三门问题及各种变通版本便是他经常使用的法宝。后来有人便将此游戏以主持人的名字命名,称之为蒙特•霍尔问题

图2-1-1 三门问题

在三扇关闭了的门后面,分别藏着汽车和两只山羊。如果参赛者选中了后面有汽车的那扇门,便能赢得该汽车作为奖品。显而易见,这种情况下,参赛者赢得汽车的概率是1/3。

不过,主持人有一次稍微将游戏规则改变了一点点。当参赛者选择了一扇门但尚未打开之际,知道门后情形的主持人说:“等等,我现在给你第二次机会。首先,我将打开你没有选择的两扇门中有山羊的一扇,你可以看到门内的山羊。然后,你有两种可能性:改变你原来的选择(交换),或者保留原来的选择(不交换)。”

主持人的意思是说,在参赛者选择之后,他打开一扇有山羊的门,留下一扇未开之门,让参赛者决定要不要将原来的选择与剩下的未开之门“交换”?

要不要交换呢?我们不从“碰运气”而是从“概率”的角度来思考这个问题。问题是:

如果不交换,保持原状的话,得汽车的概率是1/3。如果交换的话,是否能增加抽到汽车的概率呢?实际上,学界及公众对此问题争论颇久,我们仅叙述主流观点。

答案是“会”。转换选择(交换)可以增加参赛者的机会,如果参赛者同意“换门”,他赢得汽车的概率从1/3增加到2/3。

让我们来分析一下整个游戏过程中,参赛者做出的不同选择会产生的各种具体情况,以及在这些情况下选择“交换”后的结果。

参赛者指定3道门中的一道,有三种可能的情况,每种选择的概率相等(1/3),见图2-1-2中的(a)、(b)、(c)。

(a)参赛者挑选有汽车的第1道门,主持挑两头羊的任何一头,开门。交换将失败。

(b)参赛者挑选有羊的第2道门,主持人打开第3道门。交换将赢得汽车。

(c)参赛者挑选有羊的第3道门,主持人打开第2道门。交换将赢得汽车。

在后两种情况,参赛者均可通过转换选择而赢得汽车,只有第一种情况将使得参赛者因转换选择而倒霉。参赛者的转换选择,使得三种情况中的两种赢、一种输,所以选择“交换”,将赢的概率增加到2/3。

图2-1-2 参赛者“同意转换”得到汽车

也可以换一种思维方式来理解这个问题。因为在3道门中,有2道门后是羊,1道门后是汽车,所以参赛者最初选到汽车的概率是1/3,选到羊的概率是2/3。如果参赛者先选中汽车,换后一定输;如果先选中羊,换后一定赢。因此,选择“交换”而赢的概率,就是开始选择羊的概率,为2/3。

也许以上解释仍然有些使人困惑之处,但如果将门的数目增加到10道门(主持人开启8道有“羊”的门,留下1扇)、100道门(主持人开启98道有“羊”的门,留下1扇),甚至1000道门(主持人开启998道有“羊”的门,留下1扇)。这些情况下,主流观点认为参赛者选择“交换”使概率增加的结论便显而易见了。

例如,图2-1-3显示的是10道门的情形。

图2-1-3 十门问题

如果门的数目增加到10,其中9道门中是羊,1道门中是汽车。参赛者开始选中3号门,但3号门是汽车的概率只有1/10。然后,主持人开启了8道有羊的门,剩下2号门以及参赛者选中的3号,并问参赛者是否要“交换”?

这次参赛者的脑袋比较清醒:3号门是汽车的可能性是1/10,似乎剩下的9/10的可能性都在2号门上,交换使得概率增大9倍,当然要换! ymo7xmNslpSIZ016qn/zI4A+ldmI+jBnUH5ezVFIwvdnOJr8jC7KapAnx86fGMTD

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