Рассказы о математике с примерами на языках Python и C
Шрифт:
Парадокс Монти Холла
Этот известный парадокс хорошо описан в Википедии.
Представьте, что вы стали участником игры, в которой вам нужно выбрать одну из трёх дверей. За одной из дверей находится автомобиль, за двумя другими дверями — козы. Вы выбираете одну из дверей, например, номер 1, после этого ведущий, который знает, где находится автомобиль, открывает одну из оставшихся дверей, за которой находится коза. После этого он спрашивает вас, не желаете ли вы изменить свой выбор. Увеличатся ли ваши шансы выиграть автомобиль, если вы примете предложение ведущего и измените свой выбор?
Интуитивно кажется, что если автомобиль спрятан за одной из дверей, то вероятность его найти равна 1/3, и смена двери ничего не даст. Однако это неверно.
Принцип прост: если игрок изначально правильно указал дверь с автомобилем (а вероятность этого действительно 1/3 ), то замена двери приведет его к проигрышу.
Однако
Парадокс дней рождений
Допустим, в организации работает 24 человека. Какова вероятность что хотя бы двое отмечают день рождения в один и тот же день? Интуитивно кажется, что эта вероятность весьма мала и будет равна 24/365, но и в этом случае интуиция ошибается. В реальности, мы должны рассматривать количество пар, которые могут образовать данные люди. Это число довольно-таки велико, например, если обозначить 5 человек как ABCDE, то количество возможных пар будет 10 (AB, AC, AD, AE, BC, BD, BE, CD, CE, DE), а для группы из 24 человек возможно 276 пар.
Для точного расчета воспользуемся принципом произведения вероятностей. Вероятность того, что для 2х людей день рождения не совпадет, равна 364/365. Для 3х человек вероятность что все дни не совпадут, равна произведению 364/365 * 363/365, и так далее. Для n-человек формула приведена в Википедии:
(n! — обозначение факториала, n! = 1 * 2* .. * (n - 1) * n)
Нужная нам вероятность обратного события равна обратной величине:
Вывести все значения несложно с помощью программы на Python:
365! это очень большое число, поэтому здесь использованы целочисленные вычисления языка Python, уже затем значение было переведено в проценты.
В результате получаем следующую таблицу:
| 3 | 0.0082 | 4 | 0.0163 | 5 | 0.0271 |
| 6 | 0.0404 | 7 | 0.0562 | 8 | 0.0743 |
| 9 | 0.0946 | 10 | 0.1169 | 11 | 0.1411 |
| 12 | 0.1670 | 13 | 0.1944 | 14 | 0.2231 |
| 15 | 0.2529 | 16 | 0.2836 | 17 | 0.3150 |
| 18 | 0.3469 | 19 | 0.3791 | 20 | 0.4114 |
| 21 | 0.4436 | 22 | 0.4756 | 23 | 0.5072 |
| 24 | 0.5383 | 25 | 0.5686 | 26 | 0.5982 |
| 27 | 0.6268 | 28 | 0.6544 | 29 | 0.6809 |
| 30 | 0.7063 | 31 | 0.7304 | 32 | 0.7533 |
| 33 | 0.7749 | 34 | 0.7953 | 35 | 0.8143 |
| 36 | 0.8321 | 37 | 0.8487 | 38 | 0.8640 |
| 39 | 0.8782 | 40 | 0.8912 | 41 | 0.9031 |
| 42 | 0.9140 | 43 | 0.9239 | 44 | 0.9328 |
| 45 | 0.9409 | 46 | 0.9482 | 47 | 0.9547 |
| 48 | 0.9605 | 49 | 0.9657 | 50 | 0.9703 |
Как видно из таблицы, уже при количестве сотрудников 50 человек, хотя бы 1 день рождения почти гарантированно совпадет (вероятность 97%), а для 24 человек получаем вероятность равную 0.538, т. е. более 50%.
13. Поверхность Луны
Посмотрим на фотографию поверхности Луны. Эта фотография была сделана в телескоп с балкона:
Что мы видим? Очевидно, лунную поверхность, покрытую кратерами, оставшимися от предыдущих столкновений метеоритов с Луной.
Казалось бы, причем здесь математика? При том, что столкновение с метеоритом — случайное событие, его частота подчиняется теории вероятности. На Луне нет атмосферы, нет эрозии и ветра, поэтому лунная поверхность — идеальная «книга», в которой записаны события последних десятков тысяч лет. Изучая поверхность Луны, можно подсчитать какого размера объекты падали на ее поверхность.
Исследование поверхности Луны камерами высокого разрешения ведется и сейчас. Было подсчитано, что за последние 7 лет на Луне образовались не менее 220 новых кратеров. Это важно еще и потому, что данные подсчеты помогут оценить опасность для Земли.
Есть ли кратеры на Земле? Разумеется есть. Данная фотография сделана вовсе не на Луне или на Марсе, а в США:
Так называемый Аризонский кратер возник около 50 тыс. лет назад после падения метеорита диаметром 50 метром и весом 300 тысяч тонн. Диаметр кратера составляет более километра. В Сибири находится кратер Попигай размером 100 км, он был открыт в 1946 году.
Разумеется, такие большие кратеры довольно-таки редки. Последнее же падение крупного метеорита было по историческим меркам весьма недавно, всего лишь около 100 лет назад. В 1908 г. в тунгусской тайге упал метеорит, мощность взрыва оценивалась от 10 до 50 мегатонн. По отзывам, взрывная волна обогнула земной шар, а световые явления в атмосфере были столь сильны, что в Лондоне ночью можно было читать газету. Лишь по случайности падение метеорита пришлось на малонаселенные районы Сибири — если бы удар был чуть раньше или позже, такой мощности хватило бы, чтобы полностью уничтожить город размером с Санкт-Петербург. Совсем же недавно, в 2013 году, метеорит размером около 20 метров разрушился в атмосфере, а его многочисленные обломки упали в районе Челябинска. Пострадало примерно 1500 человек, в основном от выбитых ударной волной стекол. По оценкам NASA суммарная мощность составила до 400 килотонн.
Увы, то, что для определенного района Земли может быть катастрофой, для космоса совершенно заурядный момент. Это лишь вопрос времени, достаточно посмотреть на поверхность Луны. По одной из гипотез, 66 миллионов лет назад наша планета столкнулась с большим астероидом, в результате чего было уничтожено 75% видов живых существ, в том числе и динозавры. Поэтому задача наблюдения и прогнозирования астероидной опасности должна быть в обязательном списке дел для человечества, если мы не хотим повторить их судьбу.