贝特朗悖论是概率论的经典问题。题目是:随机取圆的一条弦,求该线的长度大于该圆的内接正三角形变长的概率。贝特朗给出3中解答,答案概率分别是1/2,1/3,1/4,具体题目见http://baike.baidu.com/view/1258843.htm。
数学是确定的。一般地,我们从自然语言提炼出信息,变成数学语言,数学语言求解得出答案。关于贝特朗悖论,不少教科书说出现该悖论是"随机"的理解不同所导致的。我不同意,如果有歧义,那么必定是在"自然语言–>数学语言"这个环节出现。而"随机取圆的一条弦"本身就是数学语言,我不认为这有歧义。
我认为答案是唯一的。在Google搜索"贝特朗悖论"的前10页文章的解答中,主要有以下几个观点:
1)三个答案均正确,原因在于"均匀分布"的假设不同,见这篇。或者归于定义不明确,见这篇。
2)某大学学报《关于贝特朗悖论的新思考》一文经大量微积分运算得出只有1/4正确。典型的中国式学术,为的就是足够复杂,乱七八糟一堆公式以至于别人看不懂以显示自己牛B。
3)从点的"对等关系"得出1/3是正确的,其它均错误,给出了错误原因,这篇。说白点,就是其它两种的"点"对应到圆周上的"点"的数目不同。
4)其它要收钱下载不了的论文没看。
我认为这些全是错误的,其中1)错得最离谱。2)没细看,不过没点出错误所在。3)虽是错误,但最接近。
问题的本质在于"怎么’画’一条随机的弦"。以下几种是随机的弦吗?
1)随机取圆内(包括圆周)的两点,连成直线,取弦。
2)随机取圆周上两点,连线。
3)随机取圆内(包括圆周)的一点,与圆心连线,作过该点且与该连线相垂直的弦。
上面那些是随机的?
1)不是。我们把随机的弦化作点的随机来处理,必须是一对一的关系方可认为它们相等(参见无穷怎么判断相等)。2)是。3)不是,因为过圆心的弦没法表示。
问题就出在这里,得出概率为1/4的做法没有把所有直径算进去,这是其错误的地方,不是其他原因。得出概率为1/2的做法不是一对一,即它们都不等,如何比较?上面的做法3)解释了这点。
回到原题,得出1/3的结论是正确的。它根据的是上面随机取弦的第二种做法。如果你认真在看这篇文章,你会发觉原题的做法和上面方法2的取随机弦做法有些不同,它们可以把点平移到一个固定的点吗?怎么证明呢?
在回答之前,再看看下面这几种做法,它们可以作出随机的弦吗?
1)事先选定圆周上的一点,随机选[0,180]
度一实数,以约定的正方向取过该事先选定的点的一条弦;再随机选定[0,2*pi*r]
的一实数,将选定的点绕圆周移动该实数的距离(约定好正方向),取该弦。
2)随机选取0~360度某一角度,过圆心作该角度的直径;随机选取[-r,r]
一实数(约定一个正方向,可由右手定律约定),移动该直径,取弦。
3)为该单位圆建立好直角坐标系,原点和圆心重合,对圆的任一条弦,引过(0,r)点的垂线,把所有"垂点"的集合即为S;随机选取集合S中的一点,按上面放顺序作出一条弦。
上面三种做法都是可以的。特别的,第一种就是原题作出1/3概率的方法。其它两种难计算,但我相信它们能算出1/3的概率。
总结:
按上面的分析,得出1/4的概率是因为直径没有算进去,设所有弦数量为x1,直径数量为x2,大于内接正三角形边长的弦数量为x3,可以由x3/x1=1/3;(x3-x2)/x1=1/4;算出x2/x1=1/12。很不可思议的结论,直径数量竟然占所有弦的1/12。然而在涉及无穷多的时候,很多结论不是直觉所能接受的。我们知道2n和4n(n是自然数)的个数是一样多的,那么随机取一非负数,该数为2n和该数为4n的概率是一样的,足够不可思议吧!或许我们需要对无穷大的比较作出一定的修正和解释,测度论的出现就是用来处理这些无穷多元素之间的大小关系的,而非来"和谐"模棱两可允许歧义的数学的。
题外话:由于Google退出中国的影响,本打算详细写这篇文章的计划也放弃了,博客流量虽少,90%以上是google带来的,如没有该搜索引擎,博客便少了分享的动力,写博客也只是为了自己看,既然为了自己看,就不必那么详细。有问题欢迎讨论。