用概率樹分析羊車問題


羊車問題

羊車問題(又稱蒙提·霍爾問題,The Monty Hall problem)是一道著名的概率問題,它源於一個電視節目游戲:

羊車問題

如果你是一個游戲的參賽者,在你面前有3扇關閉的門,其中一扇后面是一輛汽車,另外兩扇門后面是山羊。主持人知道門后的情況,而你不知道。你的目標就是要猜出哪扇門后是汽車,如果猜對,汽車就歸你了。首先,你可以隨便選中一扇門,我們稱之為A門,其他兩扇為B門和C門;然后,主持人會打開B或C中的一扇是山羊的門,幫你排除掉一扇門;最后,主持人會問你是否改變最初的選擇?你可以堅持選擇A門,也可以選擇另一扇未打開的門。

關於這道題,出現了許多種不同的分析,彼此爭論不休,比如下面這些典型的分析:

分析1: 第一次選擇A、B、C門正確的概率為1/3;主持人排除一扇門並不會改變A, B, C的概率,所以,不管是否改變概率都是1/3。

分析2: 第一次選擇A門正確的概率為1/3,主持人排除一扇門以后,剩下兩扇門的概率都相應地變成了1/2。所以,不管是否改變概率都是1/2。

分析3: 第一次選擇A門正確的概率為1/3,主持人排除一扇門之后,如果不重新選擇,A門正確的概率還是1/3,而重新選擇另一扇門可以使概率上升為1/2。

分析4: 第一次選擇A門正確的概率為1/3,主持人排除一扇門之后,如果不重新選擇,A門正確的概率還是1/3,而重新選擇另一扇門可以使概率上升到2/3。

這么多種分析,到底那種正確呢?其實,通過概率樹就可以直觀地看出來:

不換選策略

在不換選策略下,第一次選對的概率為1/3,選錯的概率為2/3。如果第一次選對,那么繼續選對的概率為1。如果第一次選錯,那么繼續選錯的概率也為1。所以,最終選對的概率為1/3。

換選策略

在換選策略下,第一次選對的概率為1/3,選錯的概率為2/3.如果第一次選對,那么改變后選對的概率為0.如果第一次選錯,那么改變后選擇對的概率為1.所以,最終選對的概率為2/3.

有了概率樹這個工具以后,對於問題的分析就直觀多了。我們還可以進一步思考:假如問題變為n扇門,主持人排除m扇門,那么改變選擇和不改變選擇兩種策略選對的概率分別是多少?

貝葉斯推斷問題

概率樹不僅可以用於解決羊車問題,對於經典的貝葉斯推斷也非常有用,下面是一個典型的例子:

在夏季,某公園男性穿涼鞋的概率為1/2,女性穿涼鞋的概率為2/3,並且該公園中男女比例通常為2:1,若你在公園中隨機遇到一個穿涼鞋的人,請問它的性別為男性或女性的概率分別為多少?

學過概率論的朋友都知道這就是最經典的貝葉斯推斷問題。根據貝葉斯公式:

P(A | B) = P (A && B) / P(B) = P(A) * P(B | A) / P(B)

可以推出

P(男  | 穿涼鞋)

= P(男 AND 穿涼鞋) / P(穿涼鞋)

= P(男) * P(穿涼鞋 | 男) / P(穿涼鞋)

= (2/3 * 1/2) / P(穿涼鞋)

= (1/3) / P(穿涼鞋)


P(女 | 穿涼鞋)

= P(女 AND 穿涼鞋) / P(穿涼鞋)

= P(女) * P(穿涼鞋 | 女) / P(穿涼鞋)

= (1/3 * 2/3) / P(穿涼鞋)

= (2/9) / P(穿涼鞋)


1 = P(男 | 穿涼鞋) + P(女 | 穿涼鞋) = (1/3 + 2/9) / P(穿涼鞋)

=>

P(穿涼鞋) = 5/9

P(男 | 穿涼鞋) = 1/3 * 9/5 = 3/5

P(女 | 穿涼鞋) = 2/9 * 9/5 = 2/5

上面的解法需要熟悉貝葉斯公式,這並不是每個人都能隨時記住的,下面我們通過一個概率樹來分析,這就十分直觀了。

貝葉斯

根據概率樹,我們可以直觀的看到各個分支的概率情況

P(男|穿涼鞋) / P(女|穿涼鞋)=(2/3 * 1/2) / (1/3 * 2/3) = 3/2


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