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亂數中的秩序,機率學在日常中的角力:密碼破譯×抽籤順序×投擲骰子×布朗運動,從賭桌到實驗室,數學如何定義命運?
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亂數中的秩序,機率學在日常中的角力:密碼破譯×抽籤順序×投擲骰子×布朗運動,從賭桌到實驗室,數學如何定義命運?

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商品簡介
作者簡介
目次
書摘/試閱

商品簡介

偶發事件、摸彩賭博、魔術求π……
從賽馬到科學,數學如何解釋世界的「偶然」?
在不確定中找尋確定,學會用數學思維解碼生活中的不可預測!

▎探索機率的奧祕
本書作者透過一系列精彩絕倫的故事,引導讀者深入理解機率學這門數學分支的核心精神。每個章節都是一個獨立的敘事,展示了機率如何在我們的日常生活中扮演著不可或缺的角色,從而在似乎隨機的事件中發掘出必然的規律。從威廉.向克斯對π值的計算到布豐的投針試驗,這些故事不僅具有趣味,更啟發思考,使機率學的概念變得生動而具體。

▎機率與日常生活:從理論到實踐
作者書中不僅談論理論,更與日常生活緊密相連。例如,在〈一場關於投擲骰子的爭論〉中,透過一個簡單的遊戲,展示了機率如何解釋日常生活中的不確定性和偶然事件。而在〈求π的「魔法」〉一章,則透過數學實驗向讀者展示了數學與實踐的完美結合。這些章節透過具體例子,使讀者理解到機率不僅是抽象數學的一部分,更是理解世界的一個重要工具。

▎機率的深層意義:從遊戲到決策
機率論最初是為了分析帶有機遇性的遊戲而發展起來的,但其應用已經遠遠超出了最初的範圍。正如拉斯.戈丁所指出,機率是「探求真實性」的一種方式,是我們理解和應對不確定性的工具。無論是在〈布朗運動和醉鬼走路〉還是〈從〈歧路亡羊〉談起〉,每一個案例都不僅是數學上的演算,更是關於風險評估和決策的深刻思考。

▎機率學的現實與哲學
機率不僅僅是數學模型,它貫穿於生活的方方面面,影響著我們的決策和生活方式。透過這本書,讀者不僅能夠學習到機率論的科學和藝術,更會對這門學科背後的哲學和人文意義有所領悟。從田忌賽馬到俾斯麥海戰的策略,再到日常生活中的決策,機率學都以其獨特的方式啟發和指引我們。

【本書特色】:
本書以生動的語言和引人入勝的故事介紹機率學,讓抽象的數學概念變得親近且易於理解。作者巧妙地將機率理論與日常生活事件結合,透過各種實際例子,如遊戲分析、歷史事件和科學實驗,展示機率如何在不確定性中尋找規律,幫助讀者深刻理解並運用這門學科。這不僅是一本教科書,更是一部啟發思考的作品。

作者簡介

張遠南,數學教育家、著名科普作家。曾任北京師範大學兼職教授。作者既有深厚的數學功力,又有開闊的知識視野。他從人類歷史、科學史、大自然和日常生活中,「信手拈來」一個個和數學相關的故事。這些生動有趣的故事,揭示出種種數學奧祕,向讀者展示廣袤而神奇的數學世界,使原本枯燥難懂的數學知識,變得搖曳生姿、妙趣橫生。



自然界的現象大致可分兩類,一類是確定性現象,另一類是隨機現象。

從表面看,對隨機現象的每一次觀察,結果總是偶然的、不可預知的。但多次觀察一個隨機現象,便能從中發現規律。正如常見的擲硬幣遊戲那樣,多次投擲一枚硬幣,出現人頭的可能性大約占一半。這是一種在偶然中存在的必然。

機率論的歷史,可以追溯到相當久遠的年代。第一篇研究機率的論文,發表於1657年,距今已有3個多世紀。300多年來,在幾代人的努力下,機率論已發展成為一門理論完善、內容豐富、應用廣泛的學科。

本書沒有打算、也不可能對機率論的理論做完整和連貫的敘述,那是教科書的任務。本書的目的,只是想激發讀者的興趣,並由此引起他們自覺學習這門學科的欲望。因為作者認定,興趣是最好的老師,一個人對科學的熱愛和獻身,往往是從興趣開始的。然而人類智慧的傳遞,是一項高超的藝術。從教到學,從學到會,從會到用,從用到創造,這是一連串極為主動、積極的過程。

作者在長期實踐中,深感普通教學的局限和不足,希望能透過非教學的方法,嘗試人類智慧的傳遞和接力。

由於作者所知有限,書中的缺點、錯誤在所難免,敬請讀者不吝指出。

但願本書能做引玉之磚,拋臨人間!

張遠南

目次


一、神奇的功勛
二、從死亡線上生還的人
三、偶然中的必然
四、威廉•向克斯的憾事
五、勒格讓先生的破譯術
六、布豐的投針試驗
七、一場關於投擲骰子的爭論
八、求π的「魔法」
九、「臭皮匠」與「諸葛亮」
十、機會均等與妙算機率
十一、分取賭金的風波
十二、5個生日相同的姐妹兄弟
十三、一個關於抽籤順序的謎
十四、伯特蘭的機率悖論
十五、以蒙地卡羅命名的方法
十六、關於《赤的疑惑》的質疑
十七、小機率—摸彩
十八、布朗運動和醉鬼走路
十九、從〈歧路亡羊〉談起
二十、選擇題與評分的科學扣分
二十一、不模糊的模糊數學
二十二、從田忌賽馬到俾斯麥海海戰
二十三、「矮高」和「高矮」誰高的啟示
二十四、可以視為前言的結束語

書摘/試閱

一、神奇的功勛

北宋慶曆、皇祐年間,廣源州蠻族首領儂智高在南部不斷擴張勢力,建立「南天國」政權。1052年4月,儂智高起兵反宋,5月攻陷邕州(即今南寧),自立「仁惠皇帝」,又自邕州沿江而下,所向皆捷,朝野震動。

1053年,大將狄青奉旨征討儂智高。因為當時南方有崇拜鬼神的風俗,所以大軍剛到桂林以南,他便設壇祭拜天神,說:「這次用兵,勝敗還沒有把握。」於是,他拿了一百枚銅幣向天神許願:「如果這次出征能夠打敗敵人,那麼把這些銅幣扔在地上,錢面(不鑄文字的那一面)定然會全部朝上。」

左右官員誠惶誠恐,力勸主帥放棄這個念頭,因為經驗告訴他們,這種嘗試是注定會失敗的。他們擔心最終錢面無法全部朝上,反而會動搖部隊的士氣。

可是狄青對此一概不理,固執如牛。在千萬人的注視下,他突然舉手一揮,把銅幣全部扔到地上。結果這一百個銅幣的錢面,竟然鬼使神差般地全部朝上。這時,全軍歡呼,聲音響徹山村和原野。

狄青本人也興奮異常,他命令左右士兵,拿來一百枚釘子,依照銅幣落地的位置,用釘子牢牢地將銅幣釘在地上,並向天神祈禱道:「等到勝利歸來,定將酬謝神靈,收回銅幣。」

由於士兵個個認定有神靈護佑,在戰鬥中奮勇爭先,於是,狄青迅速平定了邕州。

回師時,狄青請下屬按原先所約,把銅幣取回。他的下屬們一看,原來那些銅幣兩面都鑄成了一樣的錢面。

狄青由於建立奇功而升了官。儂智高敗逃大理,不知所終。歷史的一頁,就這麼輕輕地翻了過去。從那時起,時間的長河又把人類的文明史,向前推進了近千年。狄青的奇功,以其獨有的光彩,為人世間留下了永恆的啟迪。要領略這層道理,還得從下面的常識說起。

大千世界,人們所遇到的現象不外乎兩類。一類是確定性現象,另一類是隨機遇而發生的不確定現象。這類不確定現象叫隨機現象。

如在標準大氣壓下,水加熱到100℃時沸騰,是確定會發生的現象。石蛋孵出小雞,是確定不可能發生的現象。而人類家庭的生男生女,適當條件下的種子發芽……等,則是隨機現象。

我們生活的世界,充滿著不確定性。人們雖然能夠精確地預測尚未發生的必然事件,卻難以預測尚未發生的隨機事件。

人類就生活在這種隨機事件的海洋裡。

現在回到故事的主角身上。

身為大將軍的狄青何嘗不知道,擲一枚銅幣,出現正、反面是隨機的。擲兩枚銅幣會出現4種可能:

(正,正)、(正,反)、(反,正)、(反,反)。

擲3枚銅幣會出現8種可能:

(正,正,正)、(正,正,反)、(正,反,正)、(正,反,反)、(反,正,正)、(反,正,反)、(反,反,正)、(反,反,反)。

每多擲一枚銅幣,各種正、反面的配合種數便增加一倍。因此,擲一百枚銅幣出現某種特定情況(如錢面全部朝上)的希望是極為渺茫的。這應當是人所共知的經驗。狄青的下屬正是因為也深知這一點,才力勸主帥放棄這種嘗試的。

廣大的士兵出於對鬼神的崇拜、經驗的啟示,以及對主帥的敬畏與神祕感,則疑信參半,拭目以待。

聰明的狄青,注意到人們在觀察隨機現象時,往往過於相信自身的經驗,而忽視了前提條件。因此,他用偷梁換柱的方法,巧妙地更換了「銅幣有正反兩面」的前提,把銅幣兩面鑄成一樣。這時,對狄青來說,一百枚錢面全部朝上,就是個必然事件,但在別人看來,卻是幾乎不可能出現的。然而,這件事居然奇蹟般地發生了!那時那刻,在眾人的心目中,興奮戰勝了懷疑。他們覺得,神靈的護佑是這種超乎尋常巧合的唯一解釋。於是,這竟然激發起千軍萬馬的勇氣,使狄青贏得了戰爭的勝利。

這個故事帶給人的啟示是:觀察一種現象,不能忽視它的前提。

二、從死亡線上生還的人

在〈一、神奇的功勛〉中我們看到,在一種前提下的隨機事件,在另一種前提下可能成為必然事件。同樣地,在一種前提下的必然事件,在另一種前提下也可能不出現。以下兩則「從死亡線上生還」的故事,生動地說明了這一點。

第一個從死亡線上生還的故事。

傳說古代有一位陰險狡詐、殘暴凶狠的國王。有一次他抓到一個反對者,決意要將他處死。雖說國王心中早已打定主意,然而嘴上卻假惺惺地說:「讓上帝的旨意決定這個可憐人的命運吧!我允許他在臨刑前說一句話。如果他說的是真話,那麼他將受刀斬;如果他說的是假話,那麼他將被絞死;只有他的話使我緘默不言,那才是上帝的旨意,讓我赦免他。」

在這番冠冕堂皇話語的背後,國王的如意算盤是,儘管話是你說的,但判定真話、假話的權力在我,該絞該斬還不是憑我的一句話!

的確,如果判斷的前提只是國王孤立的一句話,那這位反對者是必死無疑的。然而愚蠢的國王沒有料到,要是判斷真話或假話的前提是指自己所說的話的意思,那麼情況將完全變了樣。聰明的反對者正是利用這點,讓自己獲釋。

親愛的讀者,你猜得到國王的反對者說了一句什麼樣的話嗎?可能你已經猜到了,也可能你還在思考。好!讓我告訴你,他所說的話是:「我將被絞死。」

對這句話,國王可以怎麼判斷呢?如果他斷言這句話是「真話」,那麼此時按規定,犯人應當處斬,然而犯人說的是自己「將被絞死」,因而顯然不能算是「真話」。又若國王判定此話為「假話」,那麼按說假話的規定,犯人將受絞刑,但犯人恰恰就是說自己「將被絞死」,這豈不表示他的話是真的嗎?可見也不能斷定為假話。

由於國王無法自圓其說,為了顧全自己的面子,只好緘默不言,讓犯人得到自由。

第二個從死亡線上生還的故事。

相傳古代有個王國,由於崇尚迷信,世代沿襲著一條奇特的法規:凡是死囚,在臨刑前都要抽一次「生死籤」。即在兩張小紙條上分別寫著「生」和「死」的字樣,由執法官監督,要死囚當眾抽籤。如果抽到「死」字的籤,就立即行刑;如果抽到「活」字的籤,則被認為這是神的旨意,應予以當場赦免。

有一次國王決定處死一名大臣,這名大臣因不滿國王的殘暴統治而替老百姓說了幾句公道話,為此國王震怒不已。他決心不讓這名勇於「犯上」的大臣得到半點獲赦的機會。於是,他與幾名心腹密謀暗議,終於想出了一條狠毒的計策:暗囑執法官,把「生死籤」的兩張籤紙都寫成「死」字。這樣,不管囚臣抽的是哪張籤,終難倖免於死。

世上沒有不透風的牆,國王的詭計最終被外人所察覺。許多知悉內情的官員,雖然十分同情這位正直的同僚,但懾於國王的淫威,也只是敢怒而不敢言。就這樣終於到了臨刑的前一天,一位好心的看守人員含蓄地對囚臣說:「你看看有什麼後事需要交代,我將盡力為你奔勞。」看守人員吞吞吐吐的神情,引起囚臣的懷疑,百問之下,他終於獲知陰謀的內幕。看守人員本以為囚臣會為此神情沮喪,有心好言相慰幾句,但見他陷入沉思,片刻後臉上煥發出興奮的光芒,這讓看守人員感到驚訝不已。

在國王看來,這個「離經叛道」的臣子「死」是必然事件,因為他們考量的前提條件是「兩死抽一」。然而聰明的囚臣,正是巧妙利用了這一點,而使自己獲赦的。

囚臣是怎麼死裡逃生的呢?

原來,當執法官宣布抽籤的方法後,但見囚臣以非常快的速度抽出一張籤,並迅速塞進嘴裡。待到執法官反應過來,咬爛的紙團早已被他吞下。執法官趕忙追問:「你抽到『死』字籤還是『生』字籤?」囚臣故作嘆息說:「我聽從天意安排,如果上天認為我有罪,那麼這個咎由自取的苦果我已吞下,只要檢視剩下的籤是什麼字,就清楚了。」這時,在場的群眾異口同聲地贊成這個做法。

剩下的籤當然寫著「死」字,這意味著囚臣已經抽到「生」字籤。國王和執法官有苦難言,由於怕觸犯眾怒,只好當眾赦免囚臣。

本來,這位囚臣抽到「生」字籤還是「死」字籤是一個隨機事件,抽到每一種的可能性各占一半。但由於國王「機關算盡」,想把這種「有一半可能死」的隨機事件,變成「必定死」的必然事件,最終搬起石頭砸了自己的腳,反使囚臣因此得以死裡逃生。

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