【自娛筆記】生日悖論問題

2021-03-01 自娛筆記
生日悖論問題

翻數學書偶然看到的。



問題介紹

假設你所在的班級共有30人,那麼你們班「至少有兩個人生日相同」的概率是多少?

因為每個人的生日有可能是365天中的任意一天,這樣一來,只有人數超過365時,我們才能百分之百地肯定至少有兩個人的生日相同。因此,感覺上,前述問題的概率應該不會很大。不過,令人驚訝的是,「至少有兩個人生日相同」的概率約為70%!

事實上,當人數達到23時,至少有兩個人生日相同的概率就超過50%了!而當人數達到41人時,概率就超過90%了! 這一結論與人們的直覺相差比較遠,因此常被稱為 生日悖論

以上,來自數學書。

問題分析

一開始我對這個問題沒什麼頭緒(拜託,排列組合就看了三分鐘),大概的感覺是,由於並不是要求某個 確定的日期 ,其概率可能會產生某種疊加。

很模糊的想法。

我就想著直接拿計算機,通過隨機的方式模擬一下(蒙特卡洛方法來著?),整理規律之後再分析。不會太難。不過想了想,最後還是沒有做。

我還是決定按照普通的方式,由簡入深。23個人的情況太複雜,我要對這個問題進行 適當的後退 ,把它變成一個方便研究的問題。

後退

首先,365天太多了,我們就把它看成是360天吧。其實後退成12個月也是沒什麼問題,不過我覺得退到360就好了。

其次,23個人太多,我們要從人比較少開始想起。就從0個人開始吧

0個人。沒啥說的,「至少有兩個人生日相同」(下面簡稱 重複)的概率,妥妥的0

1個人,也沒法重複,概率是0

2個人。第一個人隨便佔據一天,第二個人要 恰好跟第一個人佔據同一天 也就是選中360天中的特定1天,機率就是

2

3個人。第二個人和第一個人相同的概率就是2個人時的概率

還是圖片有點意思。想這種東西對著一張草稿紙筆畫就好。

3

之後的第四個,就是在第三個也不中的情況下中前面三個的。圖解就是——

4

表達式是:

寫到這裡我有點惱火了。規律非常明顯,但是這個表達式我死活不知道要怎麼化簡成一個更好看的式子。

直到——

轉化

我發現探究 不重複 的機率比探究 重複 的機率要方便的多。

1的時候,絕對不重複,不重複的機率是1,2的時候,不重複的機率是

3的時候,不重複 就是 在2跟1不相同的基礎上,3既不跟1相同也不跟2相同 ,也就是

圖片解釋

4個都不重複就是

五個

這個要找規律就要方便的多了。隨著人數的增加,這個 不重複 的概率就會減小,快速的減小。對應的,重複 的概率就會增加。

其實,上面這些式子可以用階乘 的方式得到通用計算式,不過我學的還不太好,就不整了

問題計算

交給電腦。

看到上面那些式子的時候,有些朋友可能會一眼看出:這不就是遞歸嘛。n個人「不中」的概率,就是「n-1」人「不中」的概率再乘上一個數

所以說,代碼是十分簡潔的。

# 語言 python
# 計算所有人生日都不一樣的概率
def calc(n):
    if not n==0:
        return calc(n-1)*((365-n)/365)
    else:
        return 1

//C 好久沒寫了,可能是錯的。
float calc(int n){
    if (n>0){
        return calc(n-1)*((365-n)/365.0);}
    else{
        return 1.0;}
}

我們分別計算0~100個人組成的人群中 重複 的概率,繪製成一個折線圖。完整代碼——

# 圖表的庫
from pyecharts import Line

# 計算所有人生日都不一樣的概率
def calc(n):
    if not n==0:
        return calc(n-1)*((365-n)/365)
    else:
        return 1

num = [i for i in range(1,101,1)]#這裡是人數
res = [calc(i) for i in num]#儲存

# 展示圖表的
L = Line("生日悖論")
L.add("全都不一樣",num,res,
    xaxis_name="人群人數",
    yaxis_name="概率",
    is_symbol_show=0,
    is_smooth=True,
    is_datazoom_show=True,
    datazoom_range=[0,70],
    is_toolbox_show=False
    )
L.render()

結果非常的amazing啊,....

折線

可以看到,在23那個位置,全都不一樣的概率已經降至50%一下, 說明這時至少兩人生日相同的可能性已經超過了50%! 而到41的時候,概率已經降至10%一下, 也就是至少兩人生日相同的概率超過90%了。

和問題介紹中的情況一樣。

另外,對這張圖感興趣的朋友,我會把下載連結放在閱讀原文中。下載後解壓,這是一個html文檔,在瀏覽器裡打開。我還為你準備了一個滑動條,方便你隨意觀察。

- END -

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