用數學的眼光看世界

用數學的眼光看世界

《用數學的眼光看世界》是方弦寫的一篇論文。

基本信息

很多俗語,其實都是人們對經驗的概括。它們未必很準確,卻總是有些道理。如果我們嘗試數學的眼光去分析這些俗語,又會得到什麼結果呢?

作者介紹

方弦

偽裝成數學系學生的計算機系學生。

論文介紹

上得山多終遇虎

靠山吃山靠水吃水,住在山邊的人,饞了上山打獵,病了上山採藥,總之是經常與大自然親密接觸。但是,在古代,環境還沒有被破壞得這么厲害,山上有老虎是常有的事。儘管一隻老虎的領地可達數平方公里,它也不是天天在領地閒逛,所以上山打一次獵遇到老虎的機率也不高。但對於那些天天上山打獵的老獵人來說,在職業生涯中一次老虎都沒有遇到過,倒是件稀有的事。所謂“上得山多終遇虎”,大概就是指的這種情況。

假設獵人每次上山打獵,遇到老虎的機率是p,也就是說遇不到老虎的機率是1-p。那么,在m次打獵中,每次都沒有遇到過老虎的機率就是(1-p)^m。只要有可能遇到老虎,相當於說p>0,當m越來越大時,(1-p)^m就越來越小,趨向於0,也就是說,儘管每次倒霉遇上老虎的機率不高,但如果每天都去打獵的話,總有一天會倒霉的。

可能有人會反過來想:我每次買彩票,中頭獎的機率不是0,那么,總有一天我會中頭獎的。這種想法既對又不對,理論上來說,的確一直買下去的話總有一天會中獎,但是大概要買多少遍才會中頭獎呢?以36選7為例,中頭獎的機率是1/C(36,7),所以大概要買C(36,7)期會有一期中頭獎,那是大概八百萬期,也就是大概兩萬年。兩萬年後,福彩是否存在還是個問題。

而對於獵人來說,每次上山遇虎的機率顯然沒有那么低。要是聽到虎嘯也算遇虎的話,千分之一應該算是一個不錯的估算。這樣算來,大概打一千次獵就會有一次遇到老虎,對於經常上山的獵人來說大概十多年就有這個數了,難怪“上得山多終遇虎”。

現在環境破壞得嚴重,要“遇虎“,大概只能到動物園去了,山里反倒非常安全。“盛世出猛虎”之類的,只能是笑話了。

坐吃山空

“坐吃山空”,大概是告誡那些只願吃閒飯不願幹活的人,無論家裡有多少錢,總有一天要吃光的。

在忽略貨幣變化的前提下,假設家裡的存款是M,一頓飯只需要花費m,這些存款也只能支撐M/m頓飯,也就是說是不可能永遠吃閒飯吃下去的。

用數學的語言來說,只要m不是0,無論m多么小,將很多同樣的m加起來,我們可以得到要多大有多大的數。這種性質叫做實數的阿基米德性質。

利用阿基米德性質,我們能解釋0.999...=1的問題。假設p=1-0.999...,如果p不等於0的話,p就是一個正實數。根據阿基米德性質,總存在一個整數M,使得M*p>=1。於是p=1-p=0.999...。然而,這是不可能的,因為1/M總會在小數點後某一位開始非0,導致1-1/M不等於0.999...。這個矛盾表明我們的假設是錯誤的,也就是說其實0.999...=1。

很多我們常見的數都有阿基米德性質,比如說有理數,實數,複數。當然,對於複數來說,“要多大有多大”就要重新定義了,一般是用它的範數——也就是在複平面上與原點的距離——來定義的。在複數裡邊,就應該講是可以得到範數要多大有多大的數。

也有一些數是沒有阿基米德性質的,比如說p進數。它們的結構普遍比實數的要複雜得多,也能表達更多的東西。

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久賭必輸

從來只聽過開賭場而富甲一方的,沒聽過有賭徒能通過賭博而過上幸福生活的,反倒是家破人亡的不計其數。在賭場賭博的話,既有抽頭,賭局也是對賭場有利的。說難聽點,去賭場賭錢就相當於直接送錢給賭場老闆。就算是一對一機會均等的賭局,要是一直賭下去的話,也總有一天會輸光的。這就是“久賭必輸”。

假設每盤賭局的賭注是1,而賭徒的財產是n。在每盤賭局中,賭徒有1/2的機率贏,有1/2的機率輸。那么,如果一直這樣賭下去的話,賭徒輸光的機率是多少呢?

顯然,賭徒的錢越多,輸光需要的局數也越多。當賭徒的財產是n時,我們記輸光的機率為p(n)。因為每次賭局有一半的可能贏,一半的可能輸,贏的時候財產變成n+1,輸的時候變成n-1,所以p(n)=(p(n+1)+p(n-1))/2。當n=0的時候,即使不用賭,所有東西都輸光了,所以p(0)=1。

所以,p可以看作一個滿足下列遞推關係的數列:

p(0)=1

p(n+1)=2p(n)-p(n-1),也就是p(n+1)-p(n)=p(n)-p(n-1)

容易驗證p(n)=n*p(1)-(n-1)正好符合上面的遞推關係。因為p(n)>=0,所以對於任意的n,必定有p(1)>=1-1/n,所以p(1)=1,從而對於所有的n,p(n)=1。在無限次的賭博中,賭徒在某一次賭博中輸光的機率是1。

賭徒的賭博軌跡,可以用所謂的馬爾可夫鏈來描述。賭徒的財產作為狀態,而每次賭局相當於在這些狀態之間轉移,贏錢時轉移到錢多些的狀態,輸錢時轉移到錢少些的狀態。而破產的狀態就像個陷阱,是跳不出的,因為已經沒有賭本了。如果一條有限的馬爾可夫鏈有這樣的“陷阱”狀態,而每一個狀態都有可能到達“陷阱”的話,在不斷的轉移中,總有一天會掉到“陷阱”里去。而即使是無限的馬爾可夫鏈,在賭徒和擁有無限本錢的賭場之間,即使是平等的對賭,由於賭徒賭本有限,也總有一天會輸光。所謂“久賭必輸”,其實說的就是這么一個道理。

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