Правила для расчета вероятностей.
Теперь я объясню как можно проще правила для расчета вероятностей. Основное правило заключается в следующем:
Вычислите количество событий, которые могут произойти независимо друг от друга и которые, насколько известно, одинаково вероятны. Сделайте это число знаменателем дроби, а в качестве числителя возьмите количество таких событий, которые подразумевают или составляют свершение события, вероятность которого требуется найти.
Таким образом, если буквы слова Roma случайно брошены в ряд, какова вероятность того, что они образуют значимое латинское слово? Возможные расположения четырех букв равны 4 × 3 × 2 × 1, или 24 в количестве (стр. 178), и если изучить все расположения, семь из них окажутся имеющими смысл, а именно: Roma, ramo, oram, mora, maro, armo и amor. Следовательно, вероятность значимого результата составляет 7/24.
Мы должны различать сравнительные и абсолютные вероятности. При случайном вытягивании карты из колоды нет причин ожидать какую-либо одну карту больше, чем любую другую. Теперь, в колоде четыре короля и четыре дамы, так что существует столько же способов вытянуть одного, сколько и другого, и вероятности равны. Но существует тринадцать бубен, так что вероятность короля относится к вероятности бубны как четыре к тринадцати. Таким образом, вероятности каждой пропорциональны их соответствующим количествам способов свершения. Далее, я могу вытянуть короля четырьмя способами и не вытянуть его сорока восемью, так что вероятности находятся в этой пропорции, или, как обычно говорят, шансы против вытягивания короля составляют сорок восемь к четырем. Шансы составляют семь к семнадцати «за» или семнадцать к семи «против» того, что буквы R, o, m, a случайно образуют значимое слово. Шансы составляют пять к трем «против» того, что две решки появятся при трех бросках монеты. И наоборот, когда даны шансы события и требуется вероятность, возьмите шансы «за» событие в качестве числителя, а сумму шансов — в качестве знаменателя.
Очевидно, что событие является достоверным, когда все комбинации причин, которые могут иметь место, порождают это событие. Если мы представим вероятность такого события согласно нашему правилу, она дает отношение некоторого числа к самому себе, или единицу. Событие достоверно не произойдет, когда никакая возможная комбинация причин не дает события, и отношение по тому же правилу становится отношением 0 к некоторому числу. Отсюда следует, что в теории вероятности достоверность выражается 1, а невозможность — 0; но не следует придавать этим символам мистического значения, так как они лишь выражают тот факт, что все или никакие возможные комбинации дают событие.
Под составным событием мы подразумеваем событие, которое может быть разложено на два или более простых события. Таким образом, выстрел из ружья может быть разложен на нажатие на спусковой крючок, падение курка, взрыв капсюля и т. д. В этом примере простые события не являются независимыми, потому что если спусковой крючок нажат, другие события при надлежащих условиях обязательно последуют, и их вероятности, следовательно, такие же, как у первого события. События являются независимыми, когда свершение одного не делает другое ни более, ни менее вероятным, чем прежде. Таким образом, смерть человека не становится ни более, ни менее вероятной от того, что планета Марс случайно видна. Когда компонентные события независимы, можно дать простое правило для расчета вероятности составного события, а именно: перемножьте дроби, выражающие вероятности независимых компонентных событий.
Вероятность выпадения решки дважды при броске монеты равна 1/2 × 1/2, или 1/4; вероятность выпадения ее три раза подряд равна 1/2 × 1/2 × 1/2, или 1/8; результат, согласующийся с тем, что получен, по-видимому, иным способом (стр. 202). Фактически, когда мы перемножаем знаменатели, мы получаем общее количество способов свершения составного события, а когда мы перемножаем числители, мы получаем количество способов, благоприятных для требуемого события.
Вероятности могут быть добавлены друг к другу или вычтены друг из друга при важном условии, что рассматриваемые события исключают друг друга, так что не более одного из них может произойти. Можно было бы утверждать, что, поскольку вероятность выпадения орла при первом испытании равна 1/2, а при втором испытании также 1/2, вероятность выпадения его в первых двух бросках равна 1/2 + 1/2, или достоверности. Этот результат не только явно абсурден, но повторение процесса привело бы нас к вероятности 1 1/2 или любого большего числа, результатам, которые не могли бы иметь никакого смысла вообще. Вероятность, которую мы хотим рассчитать, — это вероятность одного орла в двух бросках, но в наше сложение мы включили случай, в котором появляются два орла. Истинный результат — 1/2 + 1/2 × 1/2, или 3/4, или вероятность орла при первом броске, добавленная к исключительной вероятности того, что если он не выпадет при первом, он выпадет при втором. Величайшие трудности теории возникают из смешения исключительных и неисключительных альтернатив. Я могу напомнить читателю, что возможность неисключительных альтернатив была пунктом, ранее обсуждавшимся (стр. 68), и к причинам, данным тогда для рассмотрения чередования как логически неисключительного, можно добавить существование этих трудностей в теории вероятности. Ошибочный результат, объясненный выше, на самом деле возник из-за того, что не было замечено, что выражение «орел при первом броске или орел при втором броске» может включать случай орла при обоих бросках.
Логический алфавит в вопросах вероятности.
Когда даны вероятности определенных простых событий и требуется вывести вероятности составных событий, Логический алфавит может оказать помощь, при условии, что нет специальных логических условий, так что все комбинации возможны. Таким образом, если есть три события, A, B, C, вероятности которых равны α, β, γ, то отрицания этих событий, выражающие отсутствие событий, будут иметь вероятности 1 - α, 1 - β, 1 - γ. Нам нужно только подставить эти значения вместо букв комбинаций и перемножить, и мы получим вероятность каждой комбинации. Таким образом, вероятность ABC равна αβγ; A bc — α(1 - β)(1 - γ).
Теперь мы можем четко различать вероятности исключительных и неисключительных событий. Таким образом, если A и B — события, которые могут произойти вместе, как дождь и прилив, или землетрясение и шторм, вероятность свершения A или B не является суммой их отдельных вероятностей. Ибо по Законам мышления мы развиваем A ꖌ B в AB ꖌ A b ꖌ a B, и, подставляя α и β, вероятности A и B соответственно, мы получаем α · β + α · (1 - β) + (1 - α) · β, или α + β - α · β. Но если события несовместимы или неспособны произойти вместе, как ясное небо и дождь, или новолуние и полнолуние, то события — это не A или B, а A не-B, или B не-A, или в символах A b ꖌ a B. Теперь, если мы возьмем μ = вероятность A b и ν = вероятность a B, то мы можем просто складывать, и вероятность A b ꖌ a B равна μ + ν.
Пусть читатель внимательно заметит, что если комбинация AB не может существовать, вероятность A b не является произведением вероятностей A и b. Когда определенные комбинации логически невозможны, уже нельзя подставлять вероятность каждого термина вместо термина, потому что умножение вероятностей предполагает независимость событий. Большая часть «Законов мышления» Буля посвящена попытке преодолеть эту трудность и создать Общий метод в вероятностях, с помощью которого из определенных логических условий и определенных данных вероятностей можно было бы вывести вероятность любых других комбинаций событий при этих условиях. Буль преследовал свою задачу с удивительной изобретательностью и силой, но, потратив много времени на изучение его работы, я вынужден прийти к заключению, что его метод фундаментально ошибочен. Как указал г-н Уилбрахам, Буль получил свои результаты путем произвольного предположения, которое является лишь наиболее вероятным, а не единственно возможным предположением. Полученный ответ, следовательно, не является реальной вероятностью, которая обычно неопределенна, а лишь, так сказать, наиболее вероятной вероятностью. Некоторые задачи, решенные Булем, свободны от логических условий и поэтому могут допускать обоснованные ответы. Они, как я показал, могут быть решены с помощью комбинаций Логического алфавита, но остальные задачи не допускают определенного ответа, по крайней мере, по методу Буля.
Сопоставление теории с опытом.
Законы вероятности опираются на фундаментальные принципы рассуждения и не могут быть фактически опровергнуты никаким возможным опытом. Может случиться так, что человек будет постоянно подбрасывать монету орлом вверх и казаться неспособным получить решку случайно. Теория при этом не будет опровергнута, поскольку она допускает возможность самых крайних стечений обстоятельств. Наш фактический опыт может противоречить всему, что является вероятным; весь ход событий может казаться находящимся в полном противоречии с тем, чего мы должны были бы ожидать, и все же случайное сочетание событий может быть реальным объяснением. Вполне возможно, что некоторые закономерные совпадения, которые мы приписываем неизменным законам природы, обусловлены случайным сочетанием явлений в тех случаях, на которые направлено наше внимание. Все, что мы можем извлечь из конечного опыта, согласно теории вероятностей, способно ввести нас в заблуждение, и только бесконечный опыт мог бы гарантировать нам какие-либо индуктивные истины.
В то же время вероятность того, что произойдут какие-либо крайние стечения обстоятельств, настолько чрезмерно мала, что было бы абсурдно всерьез ожидать их возникновения. Почти невозможно, например, чтобы какой-либо игрок в вист сыграл две партии, в которых распределение карт было бы в точности одинаковым, исключительно по чистой случайности (стр. 191). Такое явление, как человек, постоянно проигрывающий в игре, основанной на чистой случайности, совершенно неизвестно. Подобные совпадения, как я уже сказал, не невозможны, но они настолько маловероятны, что жизнь любого человека или даже вся продолжительность истории не дают сколько-нибудь заметной вероятности их возникновения. Всякий раз, когда мы проводим обширную серию испытаний случайных результатов, как при бросании кости или монеты, велика вероятность того, что результаты будут почти совпадать с предсказаниями, полученными на основе теории. Точного совпадения ожидать не следует, ибо это, как показывает теория, крайне маловероятно. Было предпринято несколько попыток проверить таким образом соответствие теории и опыта. Бюффон поручил провести первое испытание маленькому ребенку, который много раз подряд подбрасывал монету, и получил 1992 решки на 2048 орлов. Ученик Де Моргана повторил это испытание для собственного удовлетворения и получил 2044 решки на 2048 орлов. В обоих случаях совпадение с теорией настолько близко, насколько можно было ожидать, и подробности можно найти в «Формальной логике» Де Моргана, стр. 185.
Кетле также проверил теорию более полным образом, поместив 20 черных и 20 белых шаров в урну и вынимая шар раз за разом случайным образом, причем каждый шар возвращался обратно перед тем, как делалось новое извлечение. Он обнаружил, как и следовало ожидать, что чем больше было сделано извлечений, тем ближе количество белых и черных шаров было к равенству. По окончании эксперимента он зарегистрировал 2066 белых и 2030 черных шаров, при этом отношение составило 1,02.
Я провел серию экспериментов третьим способом, который показался мне еще более интересным и допускающим более широкую проверку. Взяв горсть из десяти монет, обычно шиллингов, я подбрасывал их раз за разом и регистрировал количество выпавших орлов каждый раз. Теперь вероятность получения 10, 9, 8, 7 и т. д. орлов пропорциональна числу сочетаний из 10, 9, 8, 7 и т. д. элементов из 10. Следовательно, результаты должны приближаться к числам в одиннадцатой строке Арифметического треугольника. Я сделал в общей сложности 2048 бросков, двумя сериями по 1024 броска каждая, и полученные числа приведены в следующей таблице:—
Character of Throw.
Theoretical
Numbers.
First
Series.
Second
Series.
Average.
Divergence.
10
Heads
0
Tail
1
3
1
2 + 1
9
"
1
"
10
12
23
171/2
+ 71/2
8
"
2
"
45
57
73
65
+ 20
7
"
3
"
120
129
123
126
+ 6
6
"
4
"
210
181
190
185 1/2
– 25
5
"
5
"
252
257
232
244 1/2
– 71/2
4
"
6
"
210
201
197
199
– 11
3
"
7
"
120
111
119
115
– 5
2
"
8
"
45
52
50
51
+ 6
1
"
9
"
10
21
15
18
+ 8
0
"
10
"
1
0
1
1/2 – 1/2
Totals ... ...
1024
1024
1024
1024
– 1
Общее число одиночных бросков монет составило 10 × 2048, или 20 480 всего, половина из которых, или 10 240, теоретически должны были дать орла. Общее количество полученных орлов фактически составило 10 353, или 5222 в первой серии и 5131 во второй. Совпадение с теорией довольно близкое, но, учитывая большое количество бросков, есть некоторые основания подозревать тенденцию в пользу орлов.
Особый интерес этого испытания заключается в демонстрации в практической форме результатов теоремы Бернулли и закона ошибок или отклонения от среднего, которые будут рассмотрены позже более подробно. Оно иллюстрирует связь между сочетаниями и перестановками, которая представлена в Арифметическом треугольнике и которая лежит в основе многих важных теорем науки.
Вероятностные дедуктивные аргументы.
С помощью теории вероятностей мы можем расширить сферу дедуктивного аргумента. До сих пор мы рассматривали суждения как достоверные и на гипотезе достоверности выводили выводы, столь же достоверные. Но информация, на основе которой мы рассуждаем в обычной жизни, редко или никогда не бывает достоверной, и почти все рассуждения на самом деле являются вопросом вероятности. Поэтому мы должны полностью осознавать способ и степень, в которой дедуктивное рассуждение затрагивается теорией вероятности, и многих могут удивить результаты, которые необходимо признать. Некоторые полемизирующие авторы, как заметил Де Морган, по-видимому, считают, что вывод из нескольких равновероятных посылок сам по себе так же вероятен, как любая из них, но истинный результат очень отличается. Если аргумент включает в себя много суждений, и каждое из них является неопределенным, вывод будет иметь очень малую силу.
Достоверность вывода можно рассматривать как сложное событие, зависящее от того, окажутся ли посылки истинными; таким образом, чтобы получить вероятность вывода, мы должны перемножить дроби, выражающие вероятности посылок. Если вероятность того, что А есть Б, равна 1/2, и вероятность того, что Б есть В, также равна 1/2, то вывод о том, что А есть В, на основании этих посылок, равен 1/2 × 1/2, или 1/4. Аналогично, если для обоснования вывода требуется любое количество посылок и их вероятности равны p, q, r и т. д., вероятность вывода на основании этих посылок равна p × q × r × ... Это произведение имеет лишь небольшое значение, если только каждая из величин p, q и т. д. не близка к единице.
Но особенно следует отметить, что вероятность, вычисленная таким образом, не является полной вероятностью вывода, а лишь той, которую он получает из рассматриваемых посылок. Замечания Уэйтли по этому предмету могут ввести читателя в заблуждение, заставив его предположить, что вычисление завершается перемножением вероятностей посылок. Но Де Морган полностью объяснил, что мы должны принимать во внимание предшествующую вероятность вывода; А может быть В по другим причинам, помимо того, что оно есть Б, и, как он замечает: «Трудно, если не невозможно, построить цепь аргументации, результат которой рассуждающий может основывать только на этих аргументах». Неудача одного аргумента не опровергает, за исключением особых обстоятельств, истинность вывода, который он призван поддержать, иначе существует мало истин, которые могли бы пережить необдуманные аргументы, приводимые в их пользу. Как веревка не обязательно рвется из-за того, что одна или две ее пряди выходят из строя, так и вывод может зависеть от бесконечного числа соображений, помимо тех, что находятся непосредственно в поле зрения. Даже когда у нас нет другой информации, мы не должны считать утверждение лишенным всякой вероятности. Истинным выражением полного сомнения является отношение равенства между шансами «за» и «против», и это отношение выражается вероятностью 1/2.
Теперь, если А и В — совершенно неизвестные вещи, у нас нет оснований полагать, что А есть В, скорее, чем А не есть В. Предшествующая вероятность тогда равна 1/2. Если у нас также есть вероятности того, что А есть Б, равная 1/2, и что Б есть В, равная 1/2, мы не имеем права предполагать, что вероятность того, что А есть В, уменьшается аргументом в его пользу. Если вывод истинен на своих собственных основаниях, неудача аргумента не затрагивает его; таким образом, его общая вероятность — это его предшествующая вероятность, сложенная с вероятностью того, что в случае неудачи первого аргумента новый рассматриваемый аргумент подтвердит его. Существует вероятность 1/2, что нам не потребуется специальный аргумент; вероятность 1/2, что потребуется, и вероятность 1/4, что аргумент в этом случае подтвердит его. Таким образом, полный результат равен 1/2 + 1/2 × 1/4, или 5/8. В общем виде, если a — вероятность, основанная на конкретном аргументе, а c — предшествующая вероятность события, общий результат равен 1 - (1 - a)(1 - c), или a + c - ac.
Мы можем выразить это еще более общим образом: пусть a, b, c и т. д. — вероятности вывода, основанного на различных аргументах. Только когда все аргументы терпят неудачу, наш вывод оказывается окончательно неверным; вероятности неудачи каждого из них равны соответственно 1 - a, 1 - b, 1 - c и т. д.; вероятность того, что они все потерпят неудачу, равна (1 - a)(1 - b)(1 - c) ...; следовательно, вероятность того, что вывод не окажется неверным, равна 1 - (1 - a)(1 - b)(1 - c) ... и т. д. Отсюда следует, что каждый аргумент в пользу вывода, каким бы слабым и незначительным он ни был, добавляет ему вероятности. Когда неизвестно, затонуло просроченное судно или нет, каждое слабое указание на потерю судна добавит некоторую вероятность к убеждению в его потере, и опровержение какого-либо конкретного доказательства не опровергнет само событие.
Мы должны применять эти принципы доказательства с большой осторожностью и заметить, что в значительной части случаев приведение слабого аргумента действительно способствует опровержению его вывода. Утверждение само по себе может обладать большой внутренней невероятностью, будучи противопоставленным другим доказательствам или предполагаемому закону природы, и можно предположить, что каждый рассуждающий действует прямо и выдвигает всю силу доказательств, которыми он обладает в его пользу. Если он приводит только один аргумент, и его вероятность a мала, то в формуле 1 - (1 - a)(1 - c) и a, и c малы, и все выражение имеет лишь небольшое значение. Весь эффект аргумента, таким образом, сводится к вопросу о том, остаются ли другие аргументы, чтобы мы могли ввести другие факторы (1 - b), (1 - d) и т. д. в вышеприведенное выражение. В суде, в публикации, имеющей определенную цель, и во многих других случаях, несомненно, правильно предполагать, что выдвинуты все доказательства, которые считаются имеющими какую-либо ценность в отношении утверждаемого вывода.