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誰能簡明扼要的講一下睡美人悖論呀?

2022-02-17科學

睡美人問題 大概可以如下描述:科學家拋一枚硬幣,睡美人在周日開始沈睡。如果硬幣正面朝上,那麽科學家會在周一喚醒睡美人,周二不喚醒;如果硬幣反面朝上,那麽科學家會在周一和周二都喚醒睡美人。每一次喚醒後,科學家會詢問睡美人:「你認為你在的這場實驗中,科學家拋的硬幣正面朝上的概率是多少?」睡美人回答之後,會再度沈睡並忘記自己曾被喚醒和被詢問過。因此她不會記得自己是第幾次被詢問了,也不會知道現在的時間。現在問,如果你是睡美人,在被喚醒時,你會回答硬幣正面朝上的概率是多少?

下面首先介紹1/2和1/3的主流回答。

1/2派的解釋 是:由於硬幣正面朝上和反面朝上的概率都是1/2,而睡美人喚醒時其實並不知道任何關於硬幣的新資訊。即便在睡美人周日入睡前,她也知道自己必定會被喚醒。因此硬幣正面朝上的概率仍是1/2.

1/3派的解釋 是:如果正面朝上,睡美人會被喚醒1次;如果反面朝上,睡美人會被喚醒2次。現在睡美人被喚醒了,既然她不能判斷當前的時間,那麽她會把這三次喚醒都當作等可能的。所以正面朝上的概率=1/(1+2)=1/3

(有人主張采用變體問題:「如果硬幣正面朝上則不喚醒睡美人;如果硬幣反面朝上則喚醒」,但這一變體問題和原始問題是有差別的,因為在變體問題中,睡美人被喚醒時知道自己必定處於硬幣反面的情況中;而在原始問題中,睡美人被喚醒後仍無法確定自己所在的是哪種情況)

(另一種變體問題:「如果硬幣正面朝上則喚醒1次睡美人;如果硬幣反面朝上則喚醒99次」,似乎結論很顯然是1/100,但這並沒有反駁到1/2派,因為1/2派的關註點是實驗開始時拋的那枚硬幣。睡美人既然不知道自己是第幾次喚醒,那麽就算她醒了99次,在她看來,也和她第1次蘇醒沒有差別,所以她沒有獲得關於硬幣哪面朝上的新資訊。)

有人主張采用 模擬實驗 、頻率逼近概率的方法來計算正面朝上的概率,但是

1/2派 認為應該以拋硬幣作為基準,每次試驗就拋一次硬幣,那麽顯然地,多次模擬實驗後,硬幣正面朝上的概率仍為1/2;

1/3派 會堅持以詢問睡美人作為基準,每次試驗就詢問一次,那麽由於硬幣反面朝上時詢問的次數是正面的2倍,所以硬幣正面朝上的概率應是1/3

因此 和稀泥的解釋 認為:1/2派和1/3的差別在於樣本空間的不同。如果詢問的是科學家實驗中、一開始拋的那枚硬幣正面朝上的概率,那就概率就應該是1/2;如果詢問的是睡美人喚醒實驗中、決定喚醒次數的那枚硬幣的正面朝上的概率,那概率就應該是1/3

如果接受和稀泥的解釋,那麽就必須承認硬幣的正面朝上概率由所處實驗的不同而導致不同。換句話說,因作為條件的觀察者的不同而導致差別(科學家實驗是對於科學家來說,睡美人詢問實驗是對於睡美人來說)。

更具體地,1/2派的睡美人被詢問的是:P(周日那枚硬幣正面朝上)=1/2

而1/3派的睡美人被詢問的是:P(周日那枚硬幣正面朝上|睡美人被詢問)=P(周日那枚硬幣正面朝上,睡美人被詢問)/P(睡美人被詢問)=P(周日那枚硬幣正面朝上,睡美人被詢問)=1/3

( @Archernar 提醒 ,若P(A)=1,則A與任意事件獨立,而P(睡美人被詢問)=1,所以P(周日那枚硬幣正面朝上,睡美人被詢問)=P(周日那枚硬幣正面朝上)P(睡美人被詢問)=P(周日那枚硬幣正面朝上)=1/2。

所以1/3派的等式修改為:

P(周日那枚硬幣正面朝上|睡美人處於被詢問的周一或周二) =\frac{P(周日那枚硬幣正面朝上,睡美人處於被詢問的周一或周二)}{P(睡美人處於被詢問的周一或周二)} =\frac{P(周日那枚硬幣正面朝上,睡美人處於被詢問的周一)}{P(周日那枚硬幣正面朝上,睡美人處於被詢問的周一)+P(周日那枚硬幣反面朝上,睡美人處於被詢問的周一)+P(周日那枚硬幣反面朝上,睡美人處於被詢問的周二)} =1/3 )

頑固的1/2派和1/3都無法理解對方的觀點,為了更好地解釋,下面是睡美人問題的 等價問題

商店拋硬幣決定放入盒子裏的球數,若正面朝上放一個紅球;若反面朝上放兩個綠球。現在某名患有紅綠色盲和嚴重失憶癥的抽獎者從盒子裏取一個球,每次他只能摸到一個球(不知道盒子裏剩余幾個球),他不知道球的顏色(紅綠色盲),且每次取完他都忘記了自己曾經取過球(失憶癥)。抽獎者每次抽球需要花一分鐘,他會一次接一次地抽光盒子裏的所有球。在抽獎者開始抽球的2分鐘內,記者會隨機地采訪他。現在,在某次抽獎者取完球後(他不知道是第幾次),記者問該名抽獎者,商家一開始拋的那枚硬幣正面朝上的概率是多少?

這個問題要比原始問題更好代入。

1/2派 的解釋:抽獎者在抽球時沒有獲得任何新資訊,甚至他在抽球前就可以肯定自己會抽到球,所以他理所應當地認為商家一開始拋的那枚硬幣正面朝上的概率是1/2.

1/3派 的解釋:抽獎者會持續不斷地抽球,而記者只會選擇一次去詢問抽獎者。反面朝上時,抽獎者需要花2分鐘抽球;正面朝上時,抽獎者只花1分鐘抽球。因此,反面朝上時,記者會采訪抽獎者的概率是正面朝上時的2倍。現在抽獎者被采訪,說明商家一開始拋的那枚硬幣正面朝上的概率是1/3.

和稀泥的解釋 :「商家一開始拋的那枚硬幣正面朝上」的概率是1/2,但是,「抽獎者被采訪」且「商家一開始拋的那枚硬幣正面朝上」的概率是1/3。因此,記者的詢問是模棱兩可的,抽獎者還需要反問記者,她的問題裏有沒有包含「抽獎者被采訪」作為條件?一般情況下,記者想詢問的是商家的抽獎設定是否公平,所以應該問的是硬幣的客觀概率;而在抽獎者看來,在他處於抽兩次球的情況時,記者更有可能詢問他,所以他也更有可能處於硬幣反面朝上的情況。