在概率论和统计学中,数学期望(mean)(或均值,亦简称期望)是试验中每次可能结果的概率乘以其结果的总和,是最基本的数学特征之一。
什么是数学期望呢?
数学期望描述的是一个随机变量取值的集中位置,也就是随机变量的概率加权平均值。只有在大量试验基础上才能体现出来的一个规律性。
关于它的来源,还有一个小故事。
1651年的一天,法国贵族,同时也是着名赌徒------梅雷(de.Mere,1610~1684)和国王的侍卫赌掷骰子,他们约定每人各拿出32枚金币,谁先赢满3局,谁就获得全部赌金,而且输赢概率对半,赢家可以获得64金币的奖励。赌了半天,梅雷赢了2局,侍卫赢了1局,这时他们接到国王的召见,赌局被迫终止,那么,问题来了,这个钱应该怎么分?
图一
侍卫说:“假如继续赌下去,我只要两次好机会就能取胜,当然你也有可能再赢一局取胜,所以应该把钱分成3份,赢了2局的就拿2份,赢了1局的就拿1份。”梅雷却认为:“我只要再赢一局,就可以赢得全部金币,而你要再赢两局,才能赢得64枚金币,所以我应该得到全部的金币四分之三。”也有好事者提出,最早说的是赢满3局,而谁也没达到,所以就一人分一半,可是这也没有得到他们的认可,两人始终没有达成共识,赌注自然也无法分配。
万般无奈下,梅雷向好友帕斯卡(没错,就是你们都认识的那位!!!)写信提出了这个问题,苦苦思考了三年的帕斯卡于1654年7月29日,给另一位法国数学家费马写信,商量如何解决这类问题。
在7月29日的信中,帕斯卡认为,当甲得2分,乙得1分时赌博终止,那么甲应该说:“在任何情况下,我有权获得32枚金币。对于剩下的,或许是你赢或许是我赢,机会均等,所以应平分剩下的32枚金币。因此最后我应得48(32+16)枚金币。”假设两赌徒中甲赢了两局,乙一局未赢,那么接下来可能出现的情况是:若甲再赢一局,得3分,将获全部赌金;若乙赢一局,出现2:1的局面,这是上面讨论过的。因此,不管甲在下一局是输是赢,有3/4的赌金应属于甲,至于剩下的1/4赌金,甲乙两赌徒获得赌金的机会相等,应平分。故甲应得赌金的7/8,乙应得赌金的1/8。假设甲赢一局,乙一局未赢,则可能出现如下情况:若甲再赢一局,形成2:0局面,这也是上面讨论过的情况;若乙胜了这一局,形成1:1的局面。因此在任何情况下,甲有获取赌金的1/2,乙有权获得赌金的1/8.至于剩下的3/8赌金,他们得到的机会相等,应该平分。
经过长达三个月,7封书信(其中帕致费的有3封)的往来,两人取得了一致的意见:梅雷的分法是对的,他应得64个金币的四分之三,赌友应得64金币的四分之一。
为什么呢?假定他们俩再赌一局,或者A赢,或者B赢。若是A赢满了3局,钱应该全归他,这也就是说他已经有了一半的把握;而A如果输了,即A、B各赢2局,这个钱应该对半分。现在,A赢、输的可能性都是1/2,这时如再进行一局,就一定能分出输赢,这一局A赢的概率还是1/2,所以,他拿的钱应该是 (1/2)×1+(1/2) × (1/2)=3/4,当然,B就应该得1/4。
在1654年10月27日,帕斯卡又给费马去信说:“你的信所阐述的内容是令人满意的,你所采用是方法是正确的,深感敬佩。这种分配方法完全是你创建的。我所想出的方案与你的方法是完全不同的,但都达到了同样的目的……”帕斯卡的信宣告了讨论至此结束。
但是概率论---才刚刚开始!
图二
法国500法郎上的帕斯卡
通过这次讨论,他们引进了赌博的值(value)的概念,即值等于赌注乘以获胜概率。稍后不久,荷兰着名的物理学家、数学家------惠更斯(Christiaan Huygens,1629~1695)在巴黎了解到了这件事情,也参与到了研究之中。惠更斯认为赌博的值是随机变量(或分布)的均值,蕴含了对继续赌下去的一种理想化的期望所得,于是改“值”为“期望” (expectation),并于1657年把它写成一篇名叫《论赌博中的计算》的论文中,由此形成了概率论当中一个重要的概念------数学期望。
帕、费2人在1654年的这些信件奠定了概率论的基础,因此数学史上把1654年7月29日,就是帕斯卡第一次写信给费马探讨梅雷问题的日子,作为概率论的诞生之日。
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