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2.三门问题引发的思考:概率究竟是什么?

上面所述的“三门问题”虽然只是一个有趣的游戏节目,但学者们却从中探索了不少深刻的数学和哲学问题。概率论就是一门如此有趣的学问,许多问题看起来简单,每个人似乎都认为自己懂了,都能得到自己的解答,但后来却发现答案互不相同,各派人士纷纷发表自己的观点,却往往难以说服对方,引起一场又一场的辩论。

事实上,三门问题貌似简单,实际复杂。在上一节的最后,根据主流派的分析得到“当然要换”的结论,实际上有些不公平。早在1975年,加州大学伯克利分校的生物统计学教授史蒂夫•塞尔文在《美国统计学家》( American Statistician )期刊上的论文中提出了这个蒙特•霍尔问题,几十年来,对这个概率问题的结论,不同观点很多,而且争论不休。据说争论一直延续到现在,已经有好几十篇论文发表在40多种学术和公众刊物上,并时有在论文、书刊和电视上引发讨论。

其中最为引人注目的是1990年在“ Ask Marilyn ”(“玛丽莲答问”)专栏上的讨论,其专栏主持人玛丽莲•沃斯•莎凡特(Marilyn vos Savant, 1946—)曾经被吉尼斯世界纪录认定为拥有最高智商的女性,因为玛丽莲在刚满10岁时初次接受史丹福-比奈智力测验,测得智商高达228。1985年,35岁的玛丽莲参加了成人标准差智力测验,48题中,她回答正确46题,标准偏差值为16,智商为186。

玛丽莲从事文学创作,之后又开辟了“Ask Marilyn”专栏,专门回复读者从数学到人生之各式各样的问题,蒙特•霍尔问题便是其中引起广泛争论,但是最后玛丽莲大获全胜的一个典型案例。

玛丽莲在专栏中解释了三门问题的一些含糊之处,过滤掉许多变种的版本,将其规范化为标准陈述,并以通俗易懂的方式证明了她坚持的结果:交换使赢得汽车的概率增加到2/3!这也就是我们在前面一节中的叙述方式和答案。

对此问题,主要反对一方的观点和结论如下:

不管有多少个门,不管主持人如何选择和打开这些门,按照标准的游戏规则,到最后一步,参赛者面临的都是两道门中二选一的问题,两道门中一道后面是汽车,一道后面是山羊。选择任何一个的概率都是1/2,所以交换不交换,得到汽车的概率均为1/2,所以换不换无所谓。

以上反驳方的观点听起来貌似有理,也符合成千上万人的直觉。因此,当年的玛丽莲摊上了大事,成千上万封读者来信中,90%以上都是反驳她的观点,其中不乏博士、数学家和学者,也包括该游戏的节目主持人蒙特•霍尔。有些来自数学和科学界的信中,不但反对她的答案,还嘲笑她的观点是出于女人的直觉,劝她修了概率课后再来谈这个问题。反驳者中最著名的人物恐怕要算匈牙利籍数学家保罗•埃尔德什(Paul Erdös, 1913—1996),这是一位到现在为止最高产的数学家,发表论文数高达1525篇。

不过,高智商才女不是那么容易认输的。她借着这股讨论的热潮,在全国范围内的学校数学课里组织了一个统计实验。受到她的启发,又有几百个人以不同的方法,对三门问题用计算机做仿真实验,这些实验结果都支持了她的结论:交换对参赛者更为有利!理论毕竟需要实验的支持,在不得不令人信服的数据面前,当初坚决反对玛丽莲的保罗•埃尔德什也被说服了,玛丽莲获胜,一时间声名大振。

实际上,将这个问题换成如下说法,答案也许更容易被人接受(以十门为例)。

鲍勃拿出10个盒子,其中一个有钻戒。鲍勃知道有钻戒的是哪一个,爱丽丝不知道。考虑如下两种情况:

(1)爱丽丝选了一个盒子放进她的包,鲍勃将剩下的9个盒子放进自己包,然后问爱丽丝是否愿意互换包。

(2)鲍勃将9个盒子中没有钻戒的8个盒子丢进了垃圾箱,剩下1个留在包里,问爱丽丝是否愿意换包。

两种情形实际上是完全等效的,但给人的直觉却大不一样。第一种情况下,爱丽丝的包里只有1个盒子,鲍勃的包里有9个盒子,9对1,显然鲍勃的包里有钻戒的概率更大。第二种情况,两个包的盒子数成为1对1,使人直觉地认为概率都是1/2,换不换都一样了。

这个问题又一次告诉我们,不要轻易相信直觉,特别是对于概率问题而言。

对于公众而言,玛丽莲似乎解决了“三门问题”,她的结论被视为一种“标准答案”。但是,数学家们并未在此问题上止步,20世纪90年代之后又有多篇学术论文研究这个问题。其中一个典型例子是1991年摩根等4位美国数学和统计学的教授在 American Statistician 上发表的论文 。他们用下面一节将介绍的贝叶斯推断来考察这个例子,说明了即使是对玛丽莲的标准问题,反对者的答案也都有道理,到底是哪一个答案对,还取决于主持人选择时的想法!一直到2011年,还有论文在讨论这个问题

在此我们并不详细介绍在玛丽莲之后的各个论文的观点及结论,也避免简单地判定谁对谁错,仅在下面几节谈谈该游戏引发的重要思考之一:概率究竟是什么? RXatcyQv4GDvjIV64VubI8EXFqNtKksiDYeQsXJ6emn53mD6qmgi7k5tc5EKwnbA

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