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投幣打賭與大數法則 (第 2 頁)

姚景星;林聰勤

 

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.原載於數學傳播第一卷第一期
.作者當時任教於台大數學系;台北市市立中正高中

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二、利用大數法則推測硬幣出現的機率

某些機率的概念就實際應用來講,它是有某種程度上的人為。一個硬幣本來並無所謂出現正面的機率或反面的機率這種問題,但當我們把它拿來做為賭博工具的時候,為了要預測結局的得失,我們就提出機率這個概念來認識、分析投擲硬幣的這件事,(就像物理上,我們利用速度、加速度等概念來探討各種質點的運動),這種探討的過程,通常是一種逼近的過程,但所獲得的一些知識往往足以作為估計及策劃上的依據。

一個硬幣出現正面的機率 p 是一個在 0 與 1 之間的某一未知實數。在這�堨峔茈晾銂熙o個硬幣,我們無法平白得知 p 是多少?現在我們藉用機率上的一些理論來說明如何可以合理地推測 p 值。為了討論上的方便起見,我們導入隨機變數 X。設出現正面時 X=1,其機率表為 p=P(X=1),反面時 X=0,其機率 q=P(X=0)=1-p,則 X 的期望值為

\begin{displaymath}
E(X)=0\cdot P(X=0)+1\cdot P(X=1)=p ,
\end{displaymath}

因

\begin{displaymath}
E(X^2)=0^2\cdot P(X=0)+1^2\cdot P(X=1)=p ,
\end{displaymath}

故 X 的方差 註1 為

Var(X)=E(X2)-[E(X)]2=p-p2=p(1-p) ,

現在把這個硬幣獨立投擲 n 次,設隨機變數 Xi 表示投第 i 次出現的結果,出現正面時 Xi=1,反面時 Xi=0,顯然的P(Xi=0)=p,P(Xi=0)=1-p, i=1,2,…,n。而 E(Xi)=P, Var(Xi)=p(1-p), i=1,2,…,n。

上述的隨機變數 X1,X2,…,Xn 可如下證明它們是獨立隨機變數:由乘法定理,得

\begin{eqnarray*}
&&P(X_1=x_1,X_2=x_2,\cdots,X_n=x_n)\\
&=&P(X_1=x_1)\cdot P(X_...
...&&\cdots P(X_n=x_n)\vert X_1=x_1,X_2=x_2,\cdots,X_{n-1}=x_{n-1})
\end{eqnarray*}


在這�堙Axi=0 或 1, i=1,2,…,n。

因對各 $m \in \mathbf{N}$,$2\leq m\leq n$,條件機率 $P(X_m=x_m)\vert X_1=x_1,X_2=x_2,\cdots,X_{m-1}=x_{m-1})$ 第2次,……,第 m-1 次的投出結果各出現 X1=x1,X2=x2,…, Xm-1=xm-1 的條件下,第 m 次出現 Xm=xm 的機率,但每次都是獨立投出,故第 m 次出現的結果和前面各次出現的結果無關,即

\begin{displaymath}
P(X_m=x_m\vert X_1=x_1,X_2=x_2,\cdots,X_{m-1}=x_{m-1})=P(X_m=x_m)
\end{displaymath}

於是

\begin{eqnarray*}
&&P(X_1=x_1,X_2=x_2,\cdots,X_m=x_m)\\
&=&P(X_1=x_1)\cdot P(X_2=x_2)\cdots P(X_n=x_n)
\end{eqnarray*}


此由定義得知 X1,X2,…,Xn 為獨立隨機變數。

再設另一隨機變數 $\overline{X}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i$,因 Xi 表示 0 或 1,故 $\sum_{i=1}^nX_i$ 為 n 次中出現正面的次數和 k,所以,隨機變數 $\overline{X}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i$ 表示 n 次中,正面的出現率 $\frac{k}{n}$,因 X1,X2,…,Xn 獨立,故由公式可得

\begin{displaymath}
E(\overline{X})=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nE(X_i)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^np=\frac{1}{n}(np)=p
\end{displaymath}


\begin{eqnarray*}
Var(\overline{X})&=&\frac{1}{n^2}\sum_{i=1}^nVar(X_i)\\
&=&\f...
...\sum_{i=1}^nP(p-1)=\frac{1}{n^2}[np(1-p)]\\
&=&\frac{p(1-p)}{n}
\end{eqnarray*}


現在由柴比雪夫不等式可得: 對任意 $\varepsilon>0$,

\begin{displaymath}
0\leq P(\vert\overline{X}-E(\overline{X})\vert>\varepsilon)\leq \frac{Var(\overline{X})}{\varepsilon^2},
\end{displaymath}

也就是

\begin{displaymath}
0\leq P(\vert\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i-p\vert>\varepsilon)\leq\frac{p(1-p)}{n\varepsilon^2}
\end{displaymath}

因當 $n\rightarrow\infty$ 時, $\frac{p(1-p)}{n\varepsilon^2} \rightarrow 0$,故

\begin{displaymath}
\lim_{n\rightarrow\infty}P(\vert\overline{X}-E(\overline{X})\vert>\varepsilon)=0 \; ,
\end{displaymath}

這表示當 $n\rightarrow\infty$ 時, $\overline{X} = \frac{1}{n}\sum_{n=1}^n X_i$ 取值在區間 $[p+\varepsilon,p-\varepsilon]$ 中的機率趨近於 1。也就是說,如果投硬幣 n 次中出現正面的次數為 k,則當 n 很大很大時,絕大部分的情形都是

\begin{displaymath}
p-\varepsilon\leq\frac{k}{n}(=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i)\leq p+\varepsilon \; ,
\end{displaymath}

故 n 很大很大時, $\frac{k}{n}\doteq p$,這就是所謂的大數法則。它的意義可解釋如下:

對於任意小的定數 $\varepsilon>0$,我們可選定足夠的 N,使得 $P(p-\varepsilon \leq \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N X_i \leq p+\varepsilon)$ 的值接近於 1。

假設每獨立投擲 N 次就當作一回合。現在先獨立投擲 N 次做為第一回合,設每次的結果依次表為 X1(1),X2(1),…,XN(1)(注意:當第 i 次出現正面時 Xi(1) = 1,反面時 Xi(1) = 0,以下同樣意義),則可得第一回合正面的出現率 $\overline{X^{(1)}} = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^N X_i^{(1)}$。再重新獨立投擲 N 當作第 2 回合,可得另一組結果,設為 X1(2),X2(2),…,XN(2),則第二回合的正面出現率 $\overline{X^{(2)}} = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N X_i^{(2)}$,( $\overline{X^{(1)}}$ 不一定等於 $\overline{X^{(2)}}$),這樣重複同樣的試驗 m 回合可得:

\begin{displaymath}
\overline{X^{(1)}}=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^NX_i^{(1)},\overlin...
...2)},\cdots,\overline{X^{(m)}}=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^NX_i^{(m)}
\end{displaymath}

在圖一所示的 $n-\overline{x}$ 座標圖上,



圖一

我們將 m 個點

\begin{displaymath}
Q_1(N,\overline{x^{(1)}}),Q_2(N,\overline{x^{(2)}}),\cdots,Q_m(N,\overline{x^{(m)}})
\end{displaymath}

描在 n=N 的直線上時,由上述的大數法則得知這些點絕大多數都會落在 L1 和 L2 兩直線之間(如圖 l)。這就是說,在 m 回合中,幾乎每一回合的正面出現率 $\overline{x}(=\frac{k}{N})$ 都介於 $p-\varepsilon$,和 $p+\varepsilon$ 之間。為了更明白起見,我們舉個實值的例子來說明。設

\begin{displaymath}
P(p-\varepsilon\leq\frac{1}{N}\sum_{i=1}^NX_i\leq p+\varepsilon) = \frac{95}{100} \; ,
\end{displaymath}

則大約可說平均 100 個 $Q(N,\overline{x})$ 點中,只有 5 個會落在 L1 和 L2 所夾的帶域之外。因此我們實驗時,只要 N 足夠大,則把投 N 次後所得的正面出現率 $\overline{x} = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N x_i$ 當作 p 值是很可靠的,這就是大數法則的應用。

   

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編輯:黃信元 最後修改日期:4/26/2002