浙江省宁波市镇海区外语实验学校高中数学史资料集 概率中的故事与故事中的概率素材
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概率中的故事与故事中的概率
苗学军(宁波市镇海区外语实验学校 315200)
研读数学史我们可以发现,在概率的起源和发展过程中有许多生动有趣的故事,相信大
家会在故事中得到启发。
一、赌金风波。
公元1651年夏天,当时盛誉欧洲号称“神童”的数学家巴斯卡(B.Pascal,1623~1662),
在旅途中偶然遇到了赌徒梅累,梅累是一个贵族公子哥儿,他对巴斯卡大谈“赌经”,以消
磨旅途时光。梅累还向巴斯卡请教一个亲身所遇的“分赌金”问题。
问题是这样的:一次梅累和赌友掷骰子,各押赌注32个金币,梅累若先掷出三次“6点”,
或赌友先掷出三次“4点”,就算赢了对方。赌博进行了一段时间,梅累已掷出了两次“6点”,
赌友也掷出了一次“4点”。这时,梅累奉命要立即去晋见国王,赌博只好中断。那么两人应
该怎么分这64个金币的赌金呢?
赌友说,梅累要再掷一次“6点”才算赢,而他自己若能掷出两次“4点”也就赢了。这
样,自己所得应该是梅累的一半,即得64个金币的三分之一,而梅累得三分之二。梅累争辩
说,即使下一次赌友掷出了“4点”,两人也是秋色平分,各自收回32个金币,何况那一次
自已还有一半的可能得16个金币呢?所以他主张自己应得全部赌金的四分之三,赌友只能得
四分之一。
公说公有理,婆说婆有理。梅累的问题居然把巴斯卡给难住了。他为此苦苦想了三年,
终于在1654年悟出了一点道理。于是他把自己的想法写信告诉他的好友,当时号称数坛“怪
杰”的费尔马(Fermat,1601~1665),两人对此展开热烈的讨论。后来荷兰数学家惠更斯
(C.Huygens,1629~1695)也加入了他们的探讨行列。最后,他们一致认为,梅累的分法是
对的!惠更斯还把他们讨论的结果,载入1657年出版的一本叫《论赌博中的计算》的书中。
这本书至今被公认为概率论的第一部著述。
梅累的分法为什么是对的?巴斯卡和费尔马他们又是怎么想的?这一连串的疑团要等今
后大家学到更多概率论知识的时候,才能一一解开。
赌金风波终于以概率论的诞生命宣告平息。
二、布丰的投针试验
公元1777年的一天,法国科学家D·布丰(D·buffon1707~1788)的家里宾客满堂,
原来他们是应主人的邀请前来观看一次奇特试验的。
试验开始,但见年已古稀的布丰先生兴致勃勃地拿出一张纸来,纸上预先画好了一条条
等距离的平行线。接着他又抓出一大把原先准备好的小针,这些小针的长度都是平行线间距
离的一半。然后布丰先生宣布: “请诸位把这些小针一根一根往纸上扔吧!不过,请大家务
必把扔下的针是否与纸上的平行线相交告诉我。”
客人们不知布丰先生要干什么,只好客随主意,一个个加入了试验的行列。一把小针扔
完了,把它捡起来又扔。而布丰先生本人则不停地在一旁数着、记着,如此这般地忙碌了将
近一个钟头。最后,布丰先生高声宣布:“先生们,我这里记录了诸位刚才的投针结果,共
投针2212次,其中与平行线相交的有704次。总数2212与相交数704的比值为3.142。”说
到这里,布丰先生故意停了停,并对大家报以神秘的一笑,接着有意提高声调说:“先生们,
这就是圆周率π的近似值!”
众宾哗然,一时议论纷纷,个个感到莫名其妙;“圆周率π?这可是与圆半点也不沾边
的呀!”
布丰先生似乎猜透了大家的心思,得意洋洋地解释道:“诸位,这里用的是概率的原理,
如果大家有耐心的话,再增加投针的次数,还能得到π的更精确的近似值。不过,要想弄清
其间的道理,只好请大家去看敝人的新作了。”随着布丰先生扬了扬自己手上的一本《或然
算术试验》的书。
π在这种纷纭杂乱的场合出现,实在是出乎人们的意料,然而它却是千真万确的事实。
由于投针试验的问题,是布丰先生最先提出的,所以数学史上就称它为布丰问题。布丰得出
的一般结果是:如果纸上两平行线间相距为d,小针长为l,投针的次数为n,所投的针当中
与平行线相交的次数是m,那么当n相当大时有:dm2nl,便是著名的布丰公式。
概率虽然起源于欧洲,但在我国古代的许多成语故事中,我们仍会发现概率的萌芽和应
用的影子。
三、田忌赛马
战国时期,齐王与大将田忌商议赛马,双方约定:各自出上、中、下三种等级的马各一
匹。每轮举行三场对抗赛。输者每输一场要付给胜者黄金一千两。由于田忌的马比齐王同等
级的马都要略逊一筹,而在头一轮的比赛中,双方都是用同等级的马进行对抗,所以齐王很
快赢了全部三场,得到了三千两黄金。
鉴于第一次赛马的惨败,所以当齐王满面春风地再次邀请田忌赛马时,田忌感到很为难。
一方面君王的旨意不好违背,另一方面自己对这种必败的比赛失去了信心。田忌的军师孙膑
是颇有才能的军事家,他得知后,便替田忌出了一个主意:用自己的下等马和国王的上等马
比赛,而用自己的上等马和国王的中等马比赛,中等马和国王的下等马比赛。比赛开始,第
一场国王的马以极大的优势取得了胜利。国王没有料到田忌的马竟然如此不堪一击,为此俯
仰大笑,得意不已。但美景不长,在二、三场中田忌的马都取得了胜利。这一轮国王不但没
赢,反而输了一千金。可笑的是,齐王输了钱还弄不清自己是怎样输的呢!
其实,齐王出马的对策有六种;(上、中、下)、(上、下、中)、(中、上、下)、
(中、下、上)、(下、上、中)、(下、中、上)。括号中写的是出马的等级和顺序。田
忌的对策也同样有六种。这样搭配起来就有36种对赛的格局。其中齐王赢三千金的格局有6
种,赢一千金的格局有24种,只有6种才反输一千金。因此,从总的来看,田忌输的概率为
六分之五。赢的概率只有六分之一。
既然田忌赢的可能性是这样小,那么孙膑是根据什么来取胜的呢?原来关键在于孙膑摸
准了齐王的对策。他估计到齐王由于上一次的大获全胜,这一次是不会轻易更改这种对策的。
因此,他“对症下药”,利用仅有的六分之一的获胜概率取得了胜利。
四、歧路亡羊
《歧路亡羊》是《列子》中一篇寓意深刻的故事。原文如下:
杨子之邻人亡羊,既率其党,又请杨子之竖追之。杨子曰:“嘻!亡一羊,何追者之众?”
邻人曰:“多歧路。”既返,问:“获羊乎?”曰:“亡之矣”曰:“奚亡之?”曰;“歧
路之中又有歧焉,吾不知所之,所以反也。”
下面我们就来研究一下杨子的邻人,找到丢失的羊的可能性有多大。假定所有的分叉口
都各有两条新的歧路。这样,每次分歧的总歧路数分别为21,22,23,24,…,到第n次分歧
时,共有n2条歧路。因为丢失的羊走到每条歧路去的可能性都是相等的,所以当羊走过n个
三叉路口后,一个人在某条歧路上找到羊的概率只有n21。
例如,当n=5时,即使杨子的邻人动员了6个人去找羊,找到羊的可能性也只有
还不及五分之一。可见,邻人空手而返,是很自然的事了!
五、狄青占卜。
公元1053年,宋朝元帅狄青率重兵征讨南方叛乱。在决战的前夕,狄青主演了历史上蔚
为壮观的一幕:
月黑风高的一个夜晚,狄青精心准备了一百枚“宋元天宝”铜币,当众向将士念念有词、
殷殷许愿:“把这些钱币扔在地上,如果钱面(有字的一面)全部朝上的,那么这次出兵就
一定可以打败敌人,愿神助我一臂之力!”面对左右官员之诚惶诚恐,万千士兵之瞠目咋舌,
狄青全然无视。那一刻的狄青,尽显成竹在胸、乾坤在握之“大将风度”,表现出一种胜负
了然在一身之英雄气概!在千军万马的注目之下,狄青奋力向空中抛去了其绞尽脑汁换来的
一百枚铜币。于是,一个几可与阿基米德“撬动地球”相媲美的奇迹发生了:一百枚钱币,
在鬼使神差中,参差排列,钱面枚枚朝上。众将士相顾失色,但惊愕之后,当然是全军响彻
山野之欢呼雀跃声,将士个个认定老天睁眼,神灵保佑,战争之胜利尤囊中之物无疑,士气
顿时高涨万分。于是狄青立即出兵,一鼓作气,势如破竹,平定了叛乱。
一个让千万人都不能相信的事实,居然让狄青撞上了!是神灵真的显了灵,还是狄青向
人们撒了一个弥天大谎?在狄青得胜回师,取回那一百枚钱币时,其同僚们先是面面相觑,
继而又都会心的相视一笑。狄青那区区一百枚也非精雕细琢的钱币,原来都是正反面一样的
“假币”!真相大白于天下,狄青之“瞒天过海”或“不可告人”的智慧,也因此载入了史
册。有一点可以肯定,狄青作出如此举动,说明他十二分的清醒,正反面不一样的一百枚钱
币全部出现钱面向上的情形,上帝是不会给他的!
但他又是多么的希望那样一件“小概率事件”(今人称之)的发生?当然,当时的狄青,
还不清楚今人眼中21的100次方是何样的概念?但他还是意识到了那种渺茫的机会几乎是零!
这很重要。狄青作出史无前例之一抛,除了力挽狂澜之战略上的胆魄之外,其超人之智慧,
更在于战术上利用了士兵对鬼神之崇拜心理和对主帅之神秘感觉。让一个几乎不可出现又翘
盼出现的事件“突然发生”,那将会给士兵以何样之战争必胜的巨大信念?狄青利用了一种
古人无法理喻的道理,而视“小概率事件”发生为一种神秘的力量。
狄青事实上与一件于科学史上至功至伟的事情失之交臂,那就是“概率论”中的著名概
念:随机试验。