频率与概率:数出来的和算出来的
抛 10 次得 7 次正面,不说明这枚硬币的概率是 0.7。频率是你手上这一批的记录,概率是那个你想知道的数——两者会靠近,但从来不是同一个东西。
6 分钟思维方法: 换表示
同一个对象换一种写法,难题可能自动变简单
这一片为什么存在
抛 10 次得 7 次正面,你写下 0.7;再抛 10 次得 4 次,你写下 0.4。同一枚硬币,两个数——如果这两个都叫「概率」,那概率是个会变的东西吗?麻烦不在算术,在于 0.7 和 0.4 根本不是你想知道的那个数,它们是两批记录。这一片要把这两样东西拆开,并给它们各自的写法。
内容
先分清这两个数分别住在哪儿。概率住在硬币和你的抛法里,是这套装置的一个属性,你还没开始抛,它就已经定下来了。频率住在你的记录本上,是抛完之后数出来的。装置不变,记录本可以换一本又一本——同一枚硬币,第一批 0.7,第二批 0.4,变的是记录本,不是装置。
麻烦出在写法上。你把「10 次里 7 次正面」压缩成 0.7,这一步扔掉了一个关键信息:10。写成 0.7 之后,它和概率长得一模一样,都是 0 到 1 之间的一个小数,于是你开始拿它当概率用。
换个写法就不一样了。把这批记录写成数对 (7, 10):7 是次数,10 是总数。现在它明摆着是一份记录,数了多少次、出现几次,清清楚楚。而概率没有分母,它就是一个数,没有「基于多少次」这回事。
这个写法还顺手解决另一件事。抛 10 次全是正面,反面的频率是 (0, 10),写成小数就是 0。可 (0, 10) 会提醒你:分母才 10,没见过不等于不会出现。要是只写 0,你很容易顺口说成「反面的概率是 0」。
那两者到底什么关系?抛的次数越多,频率越有可能靠近概率——注意,是频率在动,概率一直没动过。「抛得越多越准」说的是记录本越来越像装置,不是装置在变。
记「抛出正面」这个事件为 A。概率 P(A) 是一个固定的数,由硬币本身决定,不带任何下标——它跟你抛了多少次没关系。
频率带下标。抛 n 次,记其中 A 发生的次数为 k_n,频率就是 f_n(A) = k_n / n。这里 n 是你抛的总次数,k_n 是数出来的次数,两个都来自记录本。
所以 f_n(A) 身上有三样 P(A) 没有的东西:一个 n,一个 k_n,还有一次随机。重做一遍实验,k_n 会变,f_n(A) 跟着变,而 P(A) 纹丝不动。
大数定律说的是:n 越大,f_n(A) 落在 P(A) 附近的可能性越高。它连接两者,但没有把两者等同——式子里 P(A) 始终站着不动,动的一直是 f_n(A)。
跟着做一遍
拿一枚硬币,抛 20 次,边抛边把每次结果记成一串「正反正正……」。全程先不许化成小数。
- 抛之前,先在纸的最上方写下你认为「正面」的概率是多少,写完不许改。
- 抛 20 次,逐次记录,中途不要统计。
- 数前 10 次里的正面数 k₁,写成数对 (k₁, 10)。
- 数后 10 次里的正面数 k₂,写成 (k₂, 10)。
- 把 20 次重新数一遍,写成 (k₁+k₂, 20)。它不是前两个数对的平均,是又数了一次。
- 现在才允许化小数:k₁/10、k₂/10、(k₁+k₂)/20,三个数并排写下来。
- 把 20 次两两分成 10 组,统计「正正」「正反」「反正」「反反」各出现几次,写成四个分母为 10 的数对。
- 抬头看纸最上方那个数——从第 1 步到现在,你改动过它吗?
结果
三个小数几乎一定互不相同,而纸顶端那个数一次也没动过:变来变去的是记录本,没动的那个才是你要估计的对象。第 7 步更狠一点,四种组合的概率都是 0.25,可你的十组记录几乎不可能是 2.5 比 2.5 比 2.5 比 2.5,多半还有一种是 (0, 10)。它的概率仍然是 0.25——这句话之所以说得出来,是因为你写的是 (0, 10) 而不是 0。