数学中的直觉陷阱:生日问题如何挑战我们的直觉?

更新时间:2023-12-27 20:31:07作者:橙橘网

数学中的直觉陷阱:生日问题如何挑战我们的直觉?



想象一下,你再次踏入那个光线柔和、窗外树影婆娑的教室。而今天,数学老师在黑板上写下了今天的题目:“在我们班上,至少有两个人在同一天过生日的几率有多大?”

学生们交头接耳,有的感叹:“这太复杂了”,也有的认为:“肯定没可能。”然而,一旦我们用数学的魔法棒对准这个看似普通的问题,就会揭开其丰富的内涵。这正是数学中著名的“生日问题”。

生日问题说到底,是一个关于概率的趣味问题。在标准 365 天的年份中(且假设每天出生的概率均等),随机挑两个人,他们在同一天过生日的概率似乎非常之低。

那么,怎样计算出这个概率呢?这里我们可以使用概率论中的互补事件、乘法法则。并且因为计算两个人不在同一天过生日的概率更为直接。得到答案后,再用 1 减去这一概率,即得到他们在同一天过生日的概率。

互补事件:用数学的语言来说,如果某个事件的不发生概率是 ,那么发生 的概率就是 。
乘法法则:一种计算多个事件同时发生概率的方法,如果两个事件 和 是独立的,那么事件 和事件 同时发生的概率等于各自发生概率的乘积。

下面是详细的计算过程:

第一个人的生日可以是一年中的任何一天,因此他/她在某天过生日的概率是 1(即 100%)。

第二个人则必须在与第一个人不同、余下的 364 天里选择一个生日,以确保两人不在同一天过生日。既然第一个人的生日已经占据了一天,那么第二个人有 365-1=364 天可以选择。因此,第二个人不在第一个人生日那天过生日的概率是 364/365。

现在,我们可以计算出两人不在同一天生日的概率,即:



为了得到两人在同一天生日的概率,我们仅需计算上述概率的互补概率:



将 P(不同天生日) 的值代入,我们得到:



进行计算:



因此,随机挑选两个人,他们在同一天过生日的概率大约是 0.274%,出现这种情况的几率确实微乎其微!

然而,生日问题的奇妙之处在于,随着房间中人数的增加,两个人共一天生日的概率增长得惊人地快,见下图左侧红点即为23 个人在同一天过生日的概率。



用类似的方法类似计算 5、15 和 23 个人的情况。



也就是说,当房间内有 23 个人时候,两人同一天生日的概率就已经超过了 50%!在这里,我们的直觉和实际计算结果之间的差距开始变得出乎意料。这个现象就是所谓的“生日悖论”。



对应其他人数的概率表格,第一列为人数,第二列为概率

所以说,生日悖论所蕴含的不仅是数学上的精妙,还有我们对“概率”直觉的一种挑战。直觉上,可能认为需要一个相当大的群体才能发现两个人同一天生日,但数学却告诉我们,即使是一个规模不算大的群体,这一事件发生的概率也出乎意料的高。这个现象如同魔术一般,让我们对概率的认知有另一种震撼。

所以,下次当你遇到一个直觉不符的问题时,不妨拿起笔和纸,用数学的途径去探索验证答案,可能就会发现一个全新的视角。