← Математичні задачі

Парадокс Бертрана Випадкова хорда. Три правильні відповіді.

У колі навмання проводять хорду. Який шанс, що вона довша за сторону вписаного рівностороннього трикутника? Три акуратні розв'язки дають 1/3, 1/2 і 1/4. Усі три правильні, бо «випадкова хорда» нічого не означає, доки не сказано, як саме її обирати.

3способи обрати хорду
1/3 · 1/2 · 1/4три різні відповіді
Умова задачі

Коло, трикутник і одна хорда

Цю задачу поставив французький математик Жозеф Бертран у книжці «Calcul des probabilités» 1889 року. Він хотів показати, що слово «навмання» саме по собі не задає ймовірність.

  1. 1

    Коло

    Маємо коло радіуса R. У нього вписано рівносторонній трикутник. Його сторона дорівнює √3 · R ≈ 1,73 R.

  2. 2

    Хорда

    Хордою називають відрізок, що сполучає дві точки кола. Найдовша хорда є діаметром, завдовжки 2R. Короткі хорди проходять біля краю кола.

  3. 3

    Довга хорда

    Назвемо хорду довгою, якщо вона довша за сторону трикутника. Це те саме, що її середина лежить ближче до центру, ніж R/2.

  4. 4

    Питання

    Хорду проводять навмання. Яка ймовірність, що вона довга?

Інтуїція підказує

«Відповідь одна, її треба лише правильно порахувати»

Насправді три правильні розрахунки дають три різні числа. Помилки в жодному з них немає. Кожен розрахунок відповідає своєму способу обрати хорду.

Три способи обрати хорду

  • Спосіб 1. Дві випадкові точки на колі стають кінцями хорди.
  • Спосіб 2. Випадковий радіус і випадкова точка на ньому. Хорда проходить через точку перпендикулярно до радіуса.
  • Спосіб 3. Випадкова точка всередині круга стає серединою хорди.

Кожен спосіб здається природним. Яку відповідь дає кожен, ви побачите в раундах 2 і 3.

Раунд 1 · Вгадайте

Який шанс, що хорда довга?

Зафіксуйте свою відповідь, перш ніж читати далі. Потім порівняйте її з трьома способами обрати хорду.

50%
0%25%50%75%100%

Тут з'явиться порівняння вашої відповіді з трьома розв'язками.

Раунд 2 · Проведіть хорди

Три способи провести хорду навмання

Оберіть спосіб і проводьте хорди. Довгі хорди позначено пурпуровим. Одна хорда показує, як її побудовано. Сотня хорд показує, що в кожного способу своя частка довгих.

Хорд0
Довгих0
Частка довгих–

Частка довгих хорд за способами

Смуга показує вашу частку. Риска показує точну відповідь для цього способу: 1/3, 1/2 або 1/4. Що більше хорд, то ближче смуга до риски.

Хорди різних способів зберігаються окремо. Перемикайтеся між способами й порівнюйте малюнки: у способі 2 центр заповнено щільніше, у способі 1 щільніше біля краю.

Раунд 3 · Симуляція

100 000 хорд кожним способом

Хорда довга тоді й лише тоді, коли її середина лежить у меншому колі радіуса R/2. Тому все вирішує, де опиняються середини хорд. Нижче показано середини за кожним способом і розподіл їхньої відстані від центру.

Спосіб 1 · випадкові кінці

Довгих у симуляції
–

Спосіб 2 · випадковий радіус

Довгих у симуляції
–

Спосіб 3 · випадкова середина

Довгих у симуляції
–
середина довгої хорди середина короткої хорди площа під кривою до R/2 = частка довгих

Нижні графіки: лінія показує точну щільність відстані середини від центру, точки показують симуляцію. По горизонталі відстань від 0 до R, по вертикалі щільність.

Симуляція проти точної відповіді

Раунд 4 · Пояснення

Три розрахунки, і всі правильні

Кожна відповідь має коротке геометричне пояснення. Розрахунки однаково правильні. Вони описують три різні експерименти.

Спосіб 1 · дуга 120°

Відповідь 1/3

120°

Поверніть коло так, щоб перший кінець опинився вгорі. Хорда довга, якщо другий кінець потрапить на нижню дугу між двома іншими вершинами трикутника. Ця дуга займає 120° з 360°, тобто третину кола.

Спосіб 2 · половина радіуса

Відповідь 1/2

R/2

Хорда перпендикулярна до радіуса й перетинає його в обраній точці. Сторона трикутника перетинає радіус рівно посередині, на відстані R/2 від центру. Хорда довга, якщо точка ближча до центру, тобто лежить на внутрішній половині радіуса. Шанс 1/2.

Спосіб 3 · внутрішнє коло

Відповідь 1/4

R/2

Хорда довга, якщо її середина лежить у колі радіуса R/2. Це коло вписане в трикутник. Його радіус удвічі менший, тому площа вчетверо менша: π(R/2)² = πR²/4. Випадкова точка круга потрапляє туди з шансом 1/4.

Що таке «навмання»

Випадковість потребує процедури

Ймовірність завжди рахують для конкретного експерименту. «Випадкова хорда» називає результат, але не каже, як його отримано. Три способи є трьома різними експериментами, тому й відповіді різні.

Те саме видно в інших задачах. У задачі про двох дітей відповідь 1/3 або 1/2 залежить від того, як ви дізналися, що один з дітей хлопчик. У задачі Монті Голла перемикатися вигідно, бо ведучий знає, де авто, і завжди відкриває двері з козою. Якби він відкривав двері навмання й випадково показав козу, шанси стали б 1/2 і 1/2.

Для тих, хто любить формули

Усе зводиться до відстані d від центру до хорди

ℓ = 2√(R² − d²)  ·  ℓ > √3 · R  ⇔  d < R/2
Спосіб 1: центральний кут θ ∈ [0°, 180°] рівномірно, ℓ = 2R · sin(θ/2) > √3 · R ⇔ θ > 120°  →  P = 60/180 = 1/3
Спосіб 2: d ∈ [0, R] рівномірно  →  P = (R/2) / R = 1/2
Спосіб 3: середина рівномірна в крузі  →  P = π(R/2)² / (πR²) = 1/4
Щільність d (R = 1): f₁(d) = 2 / (π√(1 − d²)),  f₂(d) = 1,  f₃(d) = 2d

Три щільності з раунду 3 відрізняються, тому площа під ними на відрізку від 0 до R/2 теж різна. Спосіб 1 часто дає хорди біля краю, тобто короткі. Спосіб 3 рідко ставить середину біля центру, бо там мало площі.

Раунд 5 · Ускладнюємо

Соломинки, інші способи і квадрат

Чи є серед трьох відповідей «найприродніша»? Фізик Едвін Джейнс вважав, що так. А ще можна вигадати скільки завгодно нових способів, і та сама проблема виникає навіть з випадковою точкою в квадраті.

Кидаємо соломинки здалеку

Соломинок перетнули коло
Частка довгих хорд
Аргумент Джейнса, 1973

Чому багато хто обирає 1/2

Джейнс міркував так. В умові нічого не сказано про те, де стоїть коло і якого воно розміру. Отже, відповідь не має змінюватися, якщо коло повернути, зсунути або збільшити. Він назвав такий підхід принципом максимального незнання: якщо ми чогось не знаємо, розв'язок не має від цього залежати.

Цю перевірку проходить лише один розподіл прямих, і він дає ту саму відповідь, що й спосіб 2: 1/2. Способи 1 і 3 не витримують зсуву кола. Фізично такий розподіл виникає, коли довгі соломинки кидають на коло здалеку: соломинка «не знає», де лежить коло. Симуляція тут робить саме це. Змінюйте розмір кола: частка довгих хорд лишається близько 50%.

Центри соломинок рівномірно розкидані по квадрату, напрямки випадкові. Через скінченний розмір квадрата точна частка трохи більша за 1/2, але не більше ніж на 0,5 відсоткового пункту.

Це аргумент на користь 1/2. Він не доводить, що інші відповіді хибні. Якщо експеримент справді влаштовано як спосіб 1 чи 3, правильна відповідь 1/3 чи 1/4.

Інші способи, інші відповіді

Кожен рядок є ще одним «природним» способом провести хорду навмання. Точну відповідь пораховано формулою, а симуляція 100 000 хорд її перевіряє. Натисніть «Перевірити», щоб повторити симуляцію.

Як обираємо хордуТочно

Свій спосіб: будь-яка відповідь від 0 до 1

Беремо випадковий радіус, а відстань від центру до хорди рахуємо як d = R · uk, де u рівномірне від 0 до 1. При k = 1 це спосіб 2, при k = 1/2 це спосіб 3. Хорда довга, якщо uk < 1/2, тобто з шансом (1/2)1/k.

Точно
Симуляція, 100 000 хорд

Випадкова точка в квадраті

Точок у малому квадраті
Точно
Та сама проблема

Що означає «випадкова точка»?

У квадраті позначено менший квадрат з тим самим центром і вдвічі меншою стороною. Який шанс, що випадкова точка потрапить у нього? Якщо обирати координати x і y рівномірно, шанс дорівнює частці площі: 1/4. Якщо ж обрати випадковий напрям від центру й пройти випадкову частку шляху до краю, точка потрапить у малий квадрат, коли ця частка менша за половину. Шанс 1/2.

Ті самі 1/4 і 1/2, що й у способах 3 і 2. Другий спосіб скупчує точки біля центру, як і середини хорд у способі 2.

Ще простіший приклад. Завод робить квадрати зі стороною від 1 до 2 см. Який шанс, що сторона менша за 1,5 см? Якщо випадкова сторона, то 1/2. Якщо випадкова площа від 1 до 4 см², то площа має бути меншою за 2,25 см², і шанс 1,25/3 ≈ 41,7%.

Бонус · Цікаві факти

Що розповісти друзям

1889

Книжка Бертрана

Жозеф Бертран описав задачу про хорду в підручнику «Calcul des probabilités», що вийшов 1889 року. Він навів три розв'язки, щоб показати: питання поставлене погано, бо не сказано, як обирати хорду.

2/3

Ще один парадокс Бертрана

У тій самій книжці є «парадокс скриньок». Є три скриньки: з двома золотими монетами, з двома срібними і з однією золотою та однією срібною. Ви навмання витягли золоту монету. Шанс, що друга монета в цій скриньці теж золота, дорівнює 2/3. Інтуїція зазвичай каже 1/2. Це близький родич задачі Монті Голла.

1973

«Добре поставлена задача»

Так називалася стаття фізика Едвіна Т. Джейнса 1973 року. Він доводив, що якщо вимагати незмінності відповіді при поворотах, зсувах і зміні масштабу, задача Бертрана має єдиний розв'язок 1/2. Не всі погоджуються, що такі вимоги обов'язкові.

1933

Аксіоми Колмогорова

1933 року Андрій Колмогоров виклав теорію ймовірностей на аксіомах. У ній ймовірність завжди задана на конкретному просторі результатів. Парадокс Бертрана часто наводять як приклад того, навіщо потрібне таке точне означення.

0…1

Будь-яка відповідь

Способів обрати хорду безліч, і відповіддю може бути будь-яке число від 0 до 1. Досить задати потрібний розподіл відстані від центру до хорди, як у раунді 5. Три способи Бертрана просто найвідоміші.

dp · dθ

Родич голки Бюффона

Кидання соломинок за Джейнсом описує той самий розподіл прямих, що й голка Бюффона. Для нього діє формула Крофтона: випадкова пряма перетинає опуклу фігуру з імовірністю, пропорційною її периметру. Цю галузь називають інтегральною геометрією.

Обговорення

Що ви думаєте?

Поділіться своїм поясненням, запереченням чи варіантом задачі. Для коментаря потрібен акаунт GitHub.

Розсилка

Нові задачі, пояснення й обговорення

Я поступово додаю нові задачі, інші способи їх пояснити й розбори дискусій. Залиште email, і я напишу, коли з'явиться щось нове. Без спаму, відписатися можна в один клік.

Форма підписки з'явиться тут найближчим часом.