『量化人的概率知识 02』从赌场游戏到数学家们的战争

在上一篇中，我们使用了初等概率的方法来解题。这种方法，需要我们『数』出来样本空间总数和各个事件包含的基本事件数。两者的商即为概率。

如果基本事件不可数，我们还可以使用几何概型，将计数转化为『长度、面积或体积』的比值计算。

但是，这些方法既需要较高的技巧，也往往要求事件有限、基本事件在几何区域服从均匀分布等等条件。这就像很多小学奥数题，题目本身不难解，但是限制我们只能使用初等数学的知识来解答之后，对『技巧』的要求就变高了：你得将在高维世界下，很简单的东西，依靠敏锐的数学直觉和复杂的技巧，映射成为低维世界下可理解、可求解的对象。而且，这个过程中我们对解题过程的描述，更多地使用了含混的自然语言而非精确的数学语言，这也会使得我们的答案的正确性显得可疑。

在上一篇中，我们已经感受到了这种窘迫。解题思路看上去很简单，但实际上为了找到正确答案，我已经换了好几个版本的解题思路。几乎每一个版本，都杂糅着很多定义不清晰的自然语言描述，特别是在为什么要去重复这件事情上，总感觉像是说清了，又感觉没有太说清，很有点凭直觉得到通项，再用前几项去解释公式的『凑答案』的味道。直到最后，我找到$n$个点同属一个半圆，就等价于$n$个点能张出的最大张角小于$\pi$这样一个等价描述，在去掉重复统计的事件这件事情上，我才算是找到了精确的数学语言。

但我们为什么不去掌握更精确的数学语言以及更趁手的数学工具，从而简化我们思考的复杂性呢？

什么是概率

人类最早认识到概率问题，来源于赌博。比如，1654 年，法国贵族赌徒梅雷骑士向数学家帕斯卡提出了一个经典问题：两人赌博时约定先赢满 5 局者获胜，若中途中断，如何根据当前胜负情况（如一人赢 4 局、另一人赢 2 局）公平分配赌金？

这个问题的核心是计算 “剩余对局中双方获胜的概率”，帕斯卡与费马通过书信交流，首次系统地用组合数学计算了这种 “预期概率”，为概率论奠定了早期基础。

从赌博到古典概率

在赌博中，很多场景具有『有限个等可能结果』的特点，并且赌徒需要计算『有利结果』与『总结果』之间的比例。这种比例思想，就被数学家们提炼成为古典概率的定义。

其核心观点是，随机事件由若干『等可能性』的、相互独立（互斥）的基本事件组成，通过对组成『事件』的『基本事件』进行计数，就可以得到『事件』的概率。

比如，掷一枚均匀硬币，可能出现的结果为正面朝上（记为H）和反面朝上（记为T）共 2 个基本事件，这2个基本事件是等可能出现的，即各自发生的概率都是$1/2$；并且，在一次实验中，一旦出现一个基本事件，就不再会出现其他基本事件。所以，上述2个结果就是2种『基本事件』。

在上述前提下，问：

题目要求的事件由基本事件构成，所有可能的基本事件组合是：

其中有且仅有两次正面朝上的事件共三次，分别为序号2，3，5。由此我们总结出来古典概率的公式：

$$P(A)=\frac{事件A包含的基本事件数}{所有可能的基本事件总数}$$

在问题规模比较大时，上述列举法会遇到计算困难问题，这时我们可能套用一些经典公式。比如上述问题就可以套用二项分布的通用公式：

但是，我们发现，上述解题过程中，基本事件、事件这些概念不太好区分。比如，在掷骰子的例子中，如果要问只掷一次，那么出现数字1的概率是多少？这时候基本事件就与事件完全等同了。

此外，对基本事件的计数，有时候也容易与频率概念相混淆，比如，在掷骰子的例子中，随手丢三次骰子，有两次出现了1，那么计算1出现的概率时，为什么不是 2（即出现1的次数）除以3（即扔了 3 次）？原因是，基本事件组成事件，是一个思想实验，与实际投掷次数无关。

这说明，古典概率理论就连在自己擅长的领域–离散概率时，都容易出现混淆不清、似是而非的问题，需要我们进一步拓展、公理化相关概念。

此外，古典概率还解决不了这样的问题：

古典概率要求基本事件是有限可数的，而上述问题中，基本事件是无穷的，因为在[0, 1]之点，存在着无穷多个点。

当基本事件无限但具有几何意义时，我们就可以用几何概率的思路来求解问题。

从有限到无限：几何概率的提出

几何概率的基本模型是：

1. 所有可能的试验结果（样本空间）对应一个可度量的几何区域 $\Omega$ （如线段、平面区域、空间立体等）；
2. 每个基本事件的发生对应区域 $\Omega$ 内的一个点，且点在区域内均匀分布（即 “等可能” 表现为点在区域内任何位置的概率相等）。

此时我们可以用以下公式来表述概率：

基于上述定义，我们就可以求出问题2的答案为 $(0.5-0.2)/(1-0)=0.3$。

在这个定义中，长度、面积、体积都是“测度”的具体表现。在现代数学中，这个概念被严格化为“勒贝格测度”（Lebesgue Measure，1901年提出），它将我们对长度、面积和体积的直观理解推广到更复杂的集合上，为几何概率提供了坚实的理论基础，也为后面概率的公理化奠定了基础。

在勒贝格测度中，简单的区间 $[a,b]$ 对应的勒贝格测度就是 $b-a$，和我们平时说的长度完全一样。对于单点，它的勒贝格测度是0，因为一个点没有 “长度”。

几何概率的核心前提是『均匀分布』，即样本空间内的点均匀分布，概率与区域度量成正比，并且还需要有办法度量区域。因此，还有不少概率问题是几何概率无法解决的，比如：

灯泡的寿命服从指数分布，如何计算寿命大于 1000 小时的概率? 此时就很难通过 『时间区间长度比』直接计算了。

但是，几何概率的出现，已经为现代概率论提供了基础，因为我们很容易把几何测度与积分联系起来。于是，1933年，数学家Andrey Kolmogorov（柯尔莫哥洛夫）就在总结古典概率、几何概率等早期模型的基础上，于 1933 年提出了概率的公理化定义，将概率从具体场景抽象为数学上的严格理论。

柯尔莫哥洛夫公理

设随机试验的样本空间为$\Omega$，对每个事件A（即$A\subseteq \Omega$），赋予一个实数$P(A)$，若$P(A)$满足以下三条公理，则称$P(A)$为事件A的概率：

• 公理 1（非负性）：对任意事件A，$P(A)\ge 0$；
• 公理 2（规范性）：样本空间$\Omega$作为必然事件，其概率为 1，即$P(\Omega )=1$；
• 公理 3（可加性）：若事件$A_1,A_2,\dots$两两互斥（即任意两个事件没有共同样本点），则$P(A_1\cup A_2\cup \dots )=P(A_1)+P(A_2)+\dots$。

这个定义虽然很抽象，与我们初学概率时形成的直观印象有很大差别，甚至概率$P(A)$本身未必直接代表事件A发生的可能性大小。

但正是这种抽象的定义，使得连续随机变量与离散随机变量（离散事件）能够在同一框架下统一描述。两者的区别只体现在概率的计算方式上：离散情形下通过对各事件概率求和，连续情形下则需用积分来计算。实际上，积分可以看作是一种“连续求和”或“求面积”的过程，因此两类问题在本质上是统一的。

然而，随着实际问题的复杂化，单靠直观或简单计数方法已难以胜任。为此，我们需要更强大的数学工具，才能系统地刻画和计算概率。因此，通过公理化，概率的定义不再依赖具体场景或直觉假设，而是建立在清晰的数学基础之上，既能处理有限、离散问题，也能推广到无限、连续情形。在柯尔莫哥洛夫公理的基础上，我们就步入了现代，从牛顿时代起建立的数学工具——积分和导数，终于可以派上用场了。