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谁能简明扼要的讲一下睡美人悖论呀?

2022-02-17科学

睡美人问题 大概可以如下描述:科学家抛一枚硬币,睡美人在周日开始沉睡。如果硬币正面朝上,那么科学家会在周一唤醒睡美人,周二不唤醒;如果硬币反面朝上,那么科学家会在周一和周二都唤醒睡美人。每一次唤醒后,科学家会询问睡美人:「你认为你在的这场实验中,科学家抛的硬币正面朝上的概率是多少?」睡美人回答之后,会再度沉睡并忘记自己曾被唤醒和被询问过。因此她不会记得自己是第几次被询问了,也不会知道现在的时间。现在问,如果你是睡美人,在被唤醒时,你会回答硬币正面朝上的概率是多少?

下面首先介绍1/2和1/3的主流回答。

1/2派的解释 是:由于硬币正面朝上和反面朝上的概率都是1/2,而睡美人唤醒时其实并不知道任何关于硬币的新信息。即便在睡美人周日入睡前,她也知道自己必定会被唤醒。因此硬币正面朝上的概率仍是1/2.

1/3派的解释 是:如果正面朝上,睡美人会被唤醒1次;如果反面朝上,睡美人会被唤醒2次。现在睡美人被唤醒了,既然她不能判断当前的时间,那么她会把这三次唤醒都当作等可能的。所以正面朝上的概率=1/(1+2)=1/3

(有人主张采用变体问题:「如果硬币正面朝上则不唤醒睡美人;如果硬币反面朝上则唤醒」,但这一变体问题和原始问题是有差别的,因为在变体问题中,睡美人被唤醒时知道自己必定处于硬币反面的情况中;而在原始问题中,睡美人被唤醒后仍无法确定自己所在的是哪种情况)

(另一种变体问题:「如果硬币正面朝上则唤醒1次睡美人;如果硬币反面朝上则唤醒99次」,似乎结论很显然是1/100,但这并没有反驳到1/2派,因为1/2派的关注点是实验开始时抛的那枚硬币。睡美人既然不知道自己是第几次唤醒,那么就算她醒了99次,在她看来,也和她第1次苏醒没有差别,所以她没有获得关于硬币哪面朝上的新信息。)

有人主张采用 模拟实验 、频率逼近概率的方法来计算正面朝上的概率,但是

1/2派 认为应该以抛硬币作为基准,每次试验就抛一次硬币,那么显然地,多次模拟实验后,硬币正面朝上的概率仍为1/2;

1/3派 会坚持以询问睡美人作为基准,每次试验就询问一次,那么由于硬币反面朝上时询问的次数是正面的2倍,所以硬币正面朝上的概率应是1/3

因此 和稀泥的解释 认为:1/2派和1/3的差别在于样本空间的不同。如果询问的是科学家实验中、一开始抛的那枚硬币正面朝上的概率,那就概率就应该是1/2;如果询问的是睡美人唤醒实验中、决定唤醒次数的那枚硬币的正面朝上的概率,那概率就应该是1/3

如果接受和稀泥的解释,那么就必须承认硬币的正面朝上概率由所处实验的不同而导致不同。换句话说,因作为条件的观察者的不同而导致差别(科学家实验是对于科学家来说,睡美人询问实验是对于睡美人来说)。

更具体地,1/2派的睡美人被询问的是:P(周日那枚硬币正面朝上)=1/2

而1/3派的睡美人被询问的是:P(周日那枚硬币正面朝上|睡美人被询问)=P(周日那枚硬币正面朝上,睡美人被询问)/P(睡美人被询问)=P(周日那枚硬币正面朝上,睡美人被询问)=1/3

( @Archernar 提醒 ,若P(A)=1,则A与任意事件独立,而P(睡美人被询问)=1,所以P(周日那枚硬币正面朝上,睡美人被询问)=P(周日那枚硬币正面朝上)P(睡美人被询问)=P(周日那枚硬币正面朝上)=1/2。

所以1/3派的等式修改为:

P(周日那枚硬币正面朝上|睡美人处于被询问的周一或周二) =\frac{P(周日那枚硬币正面朝上,睡美人处于被询问的周一或周二)}{P(睡美人处于被询问的周一或周二)} =\frac{P(周日那枚硬币正面朝上,睡美人处于被询问的周一)}{P(周日那枚硬币正面朝上,睡美人处于被询问的周一)+P(周日那枚硬币反面朝上,睡美人处于被询问的周一)+P(周日那枚硬币反面朝上,睡美人处于被询问的周二)} =1/3 )

顽固的1/2派和1/3都无法理解对方的观点,为了更好地解释,下面是睡美人问题的 等价问题

商店抛硬币决定放入盒子里的球数,若正面朝上放一个红球;若反面朝上放两个绿球。现在某名患有红绿色盲和严重失忆症的抽奖者从盒子里取一个球,每次他只能摸到一个球(不知道盒子里剩余几个球),他不知道球的颜色(红绿色盲),且每次取完他都忘记了自己曾经取过球(失忆症)。抽奖者每次抽球需要花一分钟,他会一次接一次地抽光盒子里的所有球。在抽奖者开始抽球的2分钟内,记者会随机地采访他。现在,在某次抽奖者取完球后(他不知道是第几次),记者问该名抽奖者,商家一开始抛的那枚硬币正面朝上的概率是多少?

这个问题要比原始问题更好代入。

1/2派 的解释:抽奖者在抽球时没有获得任何新信息,甚至他在抽球前就可以肯定自己会抽到球,所以他理所应当地认为商家一开始抛的那枚硬币正面朝上的概率是1/2.

1/3派 的解释:抽奖者会持续不断地抽球,而记者只会选择一次去询问抽奖者。反面朝上时,抽奖者需要花2分钟抽球;正面朝上时,抽奖者只花1分钟抽球。因此,反面朝上时,记者会采访抽奖者的概率是正面朝上时的2倍。现在抽奖者被采访,说明商家一开始抛的那枚硬币正面朝上的概率是1/3.

和稀泥的解释 :「商家一开始抛的那枚硬币正面朝上」的概率是1/2,但是,「抽奖者被采访」且「商家一开始抛的那枚硬币正面朝上」的概率是1/3。因此,记者的询问是模棱两可的,抽奖者还需要反问记者,她的问题里有没有包含「抽奖者被采访」作为条件?一般情况下,记者想询问的是商家的抽奖设定是否公平,所以应该问的是硬币的客观概率;而在抽奖者看来,在他处于抽两次球的情况时,记者更有可能询问他,所以他也更有可能处于硬币反面朝上的情况。