骰子还在桌面上滚动时,谁也不能靠一张概率表提前指定它朝上的点数。可换一个问题——哪种结果更常见,一场中断的比赛该怎样分钱——“不知道下一次”就不再等于“什么都算不了”。

古代的骰子、距骨形器具,既出现在游戏中,也曾与问卜相连。大英博物馆的一件可能属罗马时期的距骨形玻璃器,就被认为可能用于游戏或占问。[7] 把答案交给命运是一种态度;开始清点可能的结果,则慢慢长出了一门数学。

小球经过交错钉子向两侧偏转,在底部形成中间高、两侧低的堆积
高尔顿钉板的概念插画。单个小球的轨迹随机,大量轨迹却可能形成可描述的分布;不是实测数据。

骰子都是六个面,组合却未必等可能

1494 年,帕乔利的《算术大全》记载了中断赌局的分配问题。一个常见版本是:先到60分者拿走奖励,甲已得50分、乙得20分,比赛突然停了。照已经拿到的分数分成5∶2,看起来很直观,却没有计算双方还剩多少胜算。[2]

先把这笔账留在桌上。16世纪的卡尔达诺尝试认真计算骰子游戏,把概率写成“有利情形数/全部等可能情形数”;他的《论赌博游戏》直到1663年才在身后出版。公式的要害,恰好在“等可能”三个字。

伽利略在17世纪初讨论过一个能骗过直觉的例子:三颗骰子点数和为9或10,各能列出六种不计顺序的组合,为什么10点更常出现?

给三颗骰子分别标上甲、乙、丙,它们就有216种等可能的有序结果。数字不同的1、2、6可以在三颗骰子间交换位置,形成6种结果;3、3、3却只有1种。把所有组合展开,差别就显出来了。

9点的组合有序结果数10点的组合有序结果数
1、2、661、3、66
1、3、561、4、56
1、4、432、2、63
2、2、532、3、56
2、3、462、4、43
3、3、313、3、43
合计25合计27

所以,9点的概率是25/216,约11.57%;10点是27/216,即12.5%。六种写法不等于六份相同的机会:最先需要数清楚的,是那些真正等可能的基本结果。

不到三个百分点,能改变一笔赌局

1654年前后,与德·梅雷骑士有关的两个问题,把“重复几次”也摆上了台面:一颗骰子掷4次,至少出现一次6;或者两颗骰子同掷24次,至少出现一次双6。

4/6与24/36相等,但它们算的是成功次数的期望,不能直接当成“至少一次成功”的概率。一次尝试中成功多次,与成功一次,已经被后者合在同一个事件里。

最省事的办法是从反面数:至少成功一次,等于排除一次也没有成功。

问题一次也没成功至少成功一次
一颗骰子掷4次,至少一次6(5/6)⁴1−(5/6)⁴≈51.77%
两颗骰子掷24次,至少一次双6(35/36)²⁴1−(35/36)²⁴≈49.14%

差距约2.63个百分点,一边略高于一半,一边略低于一半。若每次净赢和净输金额相同,这会让期望收益一正一负。但它不保证某一场必赢或必输;更换赔率,收益的计算也要跟着变。

分赌注,要数还没发生的未来

1654年,巴黎的帕斯卡与图卢兹的费马通过通信讨论赌局与分点问题。分配中断比赛的奖励,关键是把视线从已经发生的比分移到尚未发生的结果。[1]

回到50∶20、先到60分获胜的例子。假设每局10分,双方实力相同,每局独立。甲只差一局;乙必须连赢四局,期间甲只要赢过一次,比赛就结束。

把接下来的四局都写成甲胜或乙胜,共有16条等可能的完整序列。乙只有“乙、乙、乙、乙”这一条能赢,其余15条都使甲获胜。

有些序列实际会在中途结束,但可以在计算中给它们补上不影响已经确定的胜负的后续结果。这样才保留了等可能性,不能把“甲”“乙甲”“乙乙甲”等长度不同的结局列出来,再当作各占一份。

共同奖励应按15∶1分配,甲的份额为15/16、乙为1/16,而不是按旧比分5∶2。这道从1494年记载延伸到1654年通信的问题,把“公平”改写成了可以计算的未来权益。1657年,惠更斯的《论赌博中的计算》又把赌局中的公平价值与期望,整理成系统的数学讨论。

从赌桌走进一座城

1662年,格朗特的《关于死亡公报的自然与政治观察》把目光转向伦敦的洗礼与埋葬记录。很难预言某一个人的生死,不妨先看群体中实际留下了哪些数字。

在原著第VIII章所说的1628年到1662年之前的记录中,男性受洗139,782人,女性130,866人。两者约为1.068∶1;这里数的是当时的受洗记录,不是一次现代意义上的完整出生普查。[3]

人口规模、记录范围和社会环境都需要考虑。但把许多个人放进同一张统计表,确实能提出单靠一个故事不容易回答的问题:男女记录的比例是否反复出现相近的结构,不同年龄、不同地区又会怎样变化?

“某个人下一刻怎样”与“一群人的数据呈现什么规律”,从此更清楚地分成了两类问题。

抽得足够多,“几乎确定”是什么意思

在1713年身后出版的《猜度术》中,雅各布·伯努利讨论了用重复试验逼近真实概率。设一个坛子装着3000颗白石、2000颗黑石,每次均匀抽一颗并放回,白石概率就是3/5。

只抽17次,假如出现12颗白石,频率约0.706,并不必等于0.6。继续抽,比例仍会来回波动;大数定律说的是,在相应独立重复条件下,频率显著偏离真实概率的机会会随样本增多而减小,不是每增加一次都离真相更近。

放回抽样时白石频率的单次模拟路径固定白石概率0.6,采用PCG64随机数发生器与固定种子20261019模拟25550次放回抽样。频率会波动,不保证每次增加样本都更加接近0.6。110100千万放回抽样次数0.00.20.40.60.81.0白石出现的频率一次模拟的白石频率真实概率0.6
按白石概率0.6生成的一次可复现模拟。横轴为放回抽样次数,采用对数刻度;虚线是真实概率。单条路径只是示例,不保证每次抽样都按同样方式靠近。

计算条件与图中数据

常被提到的25,550次,也有具体的精度与把握要求。伯努利的例题取p=3/5,希望样本频率落在29/50与31/50之间,也就是误差不超过0.02;其估计给出足以达到超过1000∶1把握的一个次数界限。它不是所有问题通用的门槛,更不是说这一次抽完就必然恰好得到0.600。[2]

1733年,棣莫弗研究二项展开中的大量项,发展出后来的正态近似。把公平硬币同时抛4枚、32枚、128枚,正面次数都围绕各自的中间值分布;经过适当的标准化,越来越能看出熟悉的钟形结构。把次数增加,与把某一枚硬币的结果变得可预测,仍是不同的事。

随机撒一把针,为什么能算π

布丰在1733年提出过相关几何概率问题,并在1777年的《道德算术试验》中作了更充分讨论。设地板上有间距d的平行线,投下一根长度L不超过d的针;针的朝向均匀、位置也按相应模型均匀分布。[4]

针是否跨线,由两件事共同决定:中点离最近那条线多远,以及针有多倾斜。把这些可能的位置与角度合起来,可得到跨线概率:

P(跨线)=2L/(πd)

若L恰好等于d,就有P=2/π。投N次,有K次跨线,便可用2N/K估计π。例如,若一组记录为N=196、K=125,算出来就是3.136。

这里从频率回到了一个几何常数。针长、线距、取向与投放方式都是条件;不是任何一把随手扔下的针,都自动给出同样可靠的π估计。

钟形曲线,不需要小球事先商量

1814年,拉普拉斯在《关于概率的哲学随笔》中,把概率论看作把常识整理成计算的工具。此前那些看似零散的赌局、人口数字与重复试验,已经可以放进更系统的理论里讨论。

高尔顿的钉板,则把分布做成了眼睛能跟上的过程。他在1873至1874年冬委托制作这种装置,后来在1877年的演讲中用它说明遗传变异与回归。[8] 理想模型中,小球每碰到一层钉子,就以相同机会向左或向右偏转。落到中央附近有许多条路径;一路偏向同一侧、落到边缘的路径很少。球越来越多,中间高、两边低的堆积就显现出来。[5]

在1889年的《自然遗传》中,高尔顿曾以近乎惊叹的文字赞美误差分布的规律:大量偶然之中,居然可以出现安静而稳定的形式。这个感叹不等于所有数据都必须服从正态分布;相同概率、独立性、许多小因素的累积等条件,决定了近似什么时候好用。

给所有这些计算,一个共同底座

1933年,柯尔莫哥洛夫的《概率论基础》把概率放进严格的公理化框架。[6] 用今天常见的表述,可以把基本要求概括为:

  1. 为规定好的事件赋予非负概率。
  2. 全部可能结果构成的样本空间Ω,概率为1。
  3. 对互不相容的一列事件,有限或可数个事件合在一起的概率,等于各自概率之和。

第三条也把最开始的骰子问题接了回来。可以直接相加的,是互不相容的情形;“第一次掷出6”和“第二次掷出6”能够同时发生,所以不能靠4/6计算四次里至少一次6。

概率论没有替下一颗骰子预选答案。它做的是把可能结果、各自份额和计算条件说清楚:一次落点仍然偶然,许多落点组成的结构,却开始有了可以辨认的形状。