Вероятности и неприятности. Математика повседневной жизни - Сергей Борисович Самойленко
Мы с вами, конечно, не роботы и не демоны, а большинство не умеют жонглировать и тремя апельсинами. Но неужели люди подбрасывают монетки настолько неряшливо и непредсказуемо, что законы механики могут приводить к случайностям? Да и откуда вообще берется случайность в мире, описываемом строгими и предсказуемыми законами механики? Существует ли она в реальном мире? Многие мои знакомые, в том числе искушенные в науке, уверены, что настоящих случайностей не бывает, есть лишь нехватка информации, неточные расчеты, глубинное непонимание человеком механики физического мира. Однако «Бог не играет в кости с Вселенной». Эта фраза, неоднократно повторенная Альбертом Эйнштейном, стала девизом механистической картины мира, которая в XXI веке вынуждена уживаться с квантовой механикой, ее неустранимой, как нам сейчас кажется, стохастичностью (случайностью).
Но в чем же разница между истинно хаотическими или стохастическими системами, принципиально непредсказуемыми, и теми, где трудно угадать поведение, рассчитать которое все же возможно? Когда стоит переходить на язык вероятностей и о чем он позволяет говорить, что невозможно выразить иначе, не прибегая к этому языку?
Что мы имеем в виду, говоря о вероятности?
Начнем разбираться с простенькой монеткой и посмотрим, каким может быть источник неопределенности в эксперименте с подбрасыванием. Задача подробно рассматривалась в 1986 году Джозефом Келлером[7], и здесь мы приведем простое объяснение возникновению неопределенности в этом нехитром процессе, основанное на рассуждениях из его статьи. В самом первом приближении то, какой стороной упадет монета, зависит от времени ее полета t и угловой скорости ω. Если измерять последнюю в оборотах за единицу времени, то число оборотов, совершаемое монетой, выражается предельно просто: n = tω. Эта зависимость задает линии равного числа оборотов в координатах (t, ω), а они, в свою очередь, ограничивают области, соответствующие четному и нечетному числу оборотов: тому, сменится ли сторона монетки после подбрасывания или нет. Пример такой диаграммы показан на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Диаграмма, показывающая четность количества оборотов монеты в полете. Прямоугольником показана область, в которой чаще всего происходит процесс гадания на монетке при подбрасывании рукой
С помощью этой полосатой диаграммы можно выяснить, каким будет результат подбрасывания монетки, закрученной на известное число оборотов в секунду и пойманной через известное время после броска. Если попадаем в белую полоску, выпадет та же сторона, что была сверху при броске; если в серую — обратная. Линии равного числа оборотов представляют собой гиперболы; видно, что по мере увеличения числа оборотов чередование областей становится все более частым, а сами области оказываются тоньше. Человеческая рука несовершенна, и очень небольшой разброс начальных значений перекрывает сразу много областей, делая исход непредсказуемым. В диапазоне действия руки (прямоугольник на диаграмме) смещения на 5 % достаточно для того, чтобы перескочить с белой полоски на серую. Остается вопрос: как из этого построения следует «честность» настоящей монеты? Как из такой диаграммы получить вероятность выпадения орла или решки?
Чтобы перевести наши рассуждения на язык вероятностей, окунемся в математику, которую не проходят в школе. И хотя от нее ожидают чего-то сложного, сейчас она упростит дело и поможет лучше понять, о чем мы рассуждаем.
Во введении я говорил, что математики изучают не числа или геометрические фигуры, как может показаться после изучения школьного курса. Они работают со сложными структурами (абстрактными алгебрами, полукольцами, полями, моноидами, топологическими пространствами и прочей абстрактной всячиной), описывают их, вроде бы совершенно не привязываясь к практике, корректно определяют, изучают их свойства, доказывают теоремы. А потом они оттачивают мастерство в поиске подобных структур в самых разных явлениях природы и областях человеческих знаний, совершая удивительно полезные прорывы, в том числе в чисто прикладных областях. Сейчас мы рассмотрим, как строится базис теории вероятностей, основанный на достаточно абстрактном понятии меры.
Мы описали механику монетки и получили области, описывающие множества решений с определенными свойствами. Области — плоские фигуры. Как правильно перейти от них к вероятностям? Нужно измерять наши области, и мы естественным путем приходим к их площади. Площадь — мера плоской фигуры. Это точный математический термин, обозначающий функцию, которая множеству ставит в соответствие некую неотрицательную числовую величину.
В математике есть целый раздел, который называется теорией меры. Она родилась на рубеже XIX–XX веков (у ее истоков стояли французы Эмиль Борель и Анри Леон Лебег) и открыла математикам широкие возможности для анализа очень сложно устроенных объектов: канторовых и фрактальных множеств. Теория меры легла в основу функционального анализа и современной теории вероятностей. Определение вероятности как меры позволяет увидеть все ее основные свойства как для дискретных, так и для непрерывных множеств.
Хотя наша книга не учебник, на этом стоит остановиться, чтобы взглянуть на понятия теории вероятностей как бы с «высоты птичьего полета» и почувствовать вкус «большой» математики. Я прошу читателя не пугаться, если что-то в приводимых ниже определениях покажется непонятным. Если язык математики вам незнаком, воспринимайте это как отрывок текста «в оригинале» на незнакомом вам языке. Он может быть не полностью понятен, но в нем нет искажений «переводчика» и не нарушена целостность. При изучении истории, литературы или иностранных языков необходимо работать или хотя бы знакомиться с оригинальными текстами и полными цитатами. Язык математики тоже требует знакомства с «оригиналом», поскольку в текстах определений и теорем ничего ни прибавить, ни убавить без потерь не получится. Попытки сократить текст «для ясности» порой приводят к серьезным неточностям и вовсе к ошибкам. Итак, вот как звучит определение меры.
Пусть имеется множество X.
Набор его подмножеств F называется алгеброй, если для
