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大数定理是概率论中最重要的定理,同时也是最容易被误解的定理。
在抛硬币试验中,我们发现,正面出现的频率随着抛掷次数的增加越来越接近0.5并且越来越稳定,这是大数定理作用于其中的结果,那么,这是否也说明,随着抛掷次数的增加,正面出现的次数和反面出现的次数也越来越接近呢?
在回答之前,我们需要分辨两个数学参量——相对频率和绝对频率。我们用X表示正面出现的次数,Y表示反面出现的次数,N表示抛掷次数。正面出现的相对频率是指X/(X+Y),正面出现的绝对频率是X本身,正面与反面出现次数的绝对频数差是X-Y。我们已知,当N越来越大时,X/(X+Y)会趋近于0.5时,此时X-Y是否也趋于0呢?我们通过实验来验证。
图1-1是抛掷硬币1 000次得到的两条曲线图,左图为相对频率X/(X+Y)与抛掷次数N的关系曲线,右图为绝对频数差X-Y与抛掷次数N的关系曲线。右图中,随着N的增大,X-Y并没有越来越趋近于0,仍然变化不定。通过这个反例,我们可以否定“正面出现次数与反面出现次数越来越接近”的说法。更加反直觉的结论是,X与Y相等的概率会随着N的增加越来越小!
图1-1 抛掷硬币1 000次的相对频数和绝对频数差
在很多赌博游戏中,玩家会对大数定理保有另一个误解:如果反复进行的试验偏向某些结果,那么后边的试验结果很可能会偏向其他结果。举个例子,如果抛硬币10次,正面出现了7次,反面出现了3次,下一次抛掷出现反面的概率会更大吗?我们已经学过独立事件,所以我们要相信,概率依然是50%。可是,这似乎和大数定理矛盾,我们要弥补正面与反面的差值才能让正面出现的次数趋于0.5,难道不是吗?
还真不是!事实上,要让概率趋近于0.5,我们根本不需要弥补此前的不均衡。举一个极端的例子,假如接下来,每抛10次,都会出现5次正面、5次反面,那么,抛掷20次时,正面出现的相对频率会从0.7下降到0.6,再抛10次会下降到0.57,再抛10次会下降到0.55,以此类推,越来越趋近于0.5。也就是说,只要硬币一直随机出现正反两面,大数定理依然成立,根本不需要刻意弥补此前的空缺!从另一个角度来看,随着抛掷次数的逐渐增加,前10次的抛掷结果对相对频数的贡献越来越小。因此,我们并不需要弥补这个小小的缺口。
总之,大数定理只是在描述随机现象的规律,它只会告诉你长期的、平均的情况,它无法预测未来。