國立高雄大學統計學研究所
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主題:21 巨數法則
發表者:黃文璋 Email:huangwj@nuk.edu.tw 日期:2014/10/16 下午 05:12:20

有些花式溜冰比賽,評審多達12位。何以需要這麼多位?評審給分難免主觀,人數多些,較能降低個別偏差的影響。MLB有位新球員,表現有時出奇地好,有時出奇地壞。球隊昨天把他當救世主,今天又視他為敗戰罪人。但你知道不能只以少數幾場的成績,便對他驟下結論,要看長期。氣象局經常在做預測今天會不會下雨?早上出門前,想決定要不要帶傘。天氣預報說,降雨機率為7成,那就帶吧!結果整天晴空萬里,連一滴雨也沒有。那個7成是什麼意思?你不禁納悶。不能計較一天的不準,要看長期下來,說降雨機率為7成的日子,是否約有70%果真下雨,統計學這樣告訴你。做民調,想估計某候選人之支持率。若希望能精準些,那樣本便得取得夠多才行,修了統計學,你有這種了解。其實所謂看長期,也是樣本數要夠大的意思。大樣本,為了準確,人們常在意樣本數是否夠大。而一旦有了大樣本,資訊便似乎能更明朗。

著名散文家徐志摩(1897-1931),在數大便是美一文中寫著:

數大便是美,碧綠的山坡前幾千隻綿羊,挨成一片的雪絨,是美;一天的繁星,千萬隻閃亮的眼神,從無極的藍光中下窺大地,是美;泰山頂上的雲海,巨萬的雲峰在晨光裏靜定著,是美;…,數大便是美。數大了似乎按照著一種自然律,自然的會有一種特別的排列,一種特別的節奏,一種特殊的式樣,激動我們審美的本能,激發我們審美的情緒。

徐志摩善於觀察,舉了好幾個自然界的景象,以佐證數大便是美。其實很久以前,人們便注意到,不少隨機現象,看似雜亂無章毫無規則,但只要觀察夠多次,便顯現會遵循某些規律。雖然並非數大便是美所能貼切描述,但的確如徐志摩所指出的,數大了似乎按照著一種自然律。我們倒沒浪漫地聯想到“數大便是美”,而是將之引導至“隨機法則”。隨機法則,只在數大下產生,當樣本數較少,並無任何法則可言。而眾法則中,最重要的,應是大數法則(law of large numbers),及中央極限定理。由於有此二法則,使人們對隨機現象,不再一籌莫展,而仍能有所掌握。在介紹此二法則前,我們先談巨數法則。

有些人會將巨數法則與大數法則混淆,尤其此法則之英文名稱為law of truly large numbers。真大數法則?難道大數法則還不夠真?其實在一般機率論的教科書中,並不會提到巨數法則,它主要出現在較通俗的刊物中,因此它取名為何本不必太在意。只是偶有人堂而皇之地也稱它為大數法則(英文也就叫law of large numbers),便真是鵲巢鳩占了。巨數法則簡單講,就是當樣本數夠大,任何聳人聽聞的事,都可能發生。什麼事會聳人聽聞?就是發生機率很低,讓人以為絕不可能發生的事件。

有人持續投擲一公正銅板,連得20次正面。怎麼可能?你難以置信。此機率為1/220,當然很小。究竟多小?概算一下。210=1,024220=(210)2=(1,024)2,約1,000的平方,即約百萬分之1,就簡單地以百萬分之1計好了。台灣有2,300萬人,2,300萬乘上百萬分之1等於23。即若不分男女老幼,每人都發個公正銅板投擲20次,則平均有23(實際約22)人,會連得20次正面。至於美國,至20141016日,人口估計超過3.19(見美國人口普查局的網站),若把每人也都找來做此實驗,則連得20次正面者,將此起彼落,平均有319(實際約304)人。當小機率碰上大樣本,其發生就不稀奇且樣本數愈大,發生愈不足為奇。這是巨數法則所想要表達的。

網路上曾刊登一則一家4口生日都同一天的新聞,發生在某一國家。這麼稀罕的事,沒見過吧!忽略閏年,假設一年有365天,且每天之出生率都一樣。則任取4人,生日都同一天之機率為1/3653(注意不是1/3654)=1/48,627,12548百多萬分之1的機率,的確很小,比世界上絕大部分樂透彩中頭獎的機率都小。所以,不必打聽,我們認識的人裡面,他們家不會有的。但全世界至20141016日,人口超過71.98(亦見美國人口普查局的網站),上一代、這一代、下一代,有多少億個4口之家,若存在某一4口之家生日都相同,一點都不必感到驚訝。另外,若範圍擴大,搜尋在某家中有4生日相同(其發生機率,比原本限制是父母及2小孩生日皆相同大很多),這種事件就更層出不窮了。

擲筊是民間一種求神問卜的儀式,將兩片用木頭做成的半月形狀筊杯,投擲至地面後,若二筊杯呈現一正一反,便稱得到聖筊,代表向神明祈求或請示的事,獲得應允或認為可行。每逢過年期間,台灣各地廟宇,常舉辦擲筊比賽的活動冠軍通常有汽車或高額獎金,因此往往吸引很多人參加。若從新聞標題得知,獲得冠軍者,連得13個聖筊,驚訝之前先仔細閱讀全文,看看到底有多少人參加?若一看之下,原來有1萬零2百多位參賽,那就不足為奇了。有關擲筊的機率,並不難計算,亦可參考黃文璋(2013)一文。

美國國家籃球協會(National Basketball Association,縮寫NBA),共有30支球隊。2012年洛杉磯湖人(Los Angeles Lakers)隊的名將布萊恩(Kobe Bryant1978-),在主場對紐奧良黃蜂(New Orleans Hornet)創下前15次出手皆落空的記錄。由於繳出生涯最差的先發表現,記者競相採訪,想一探究竟。曾在一場比賽獨得81分的布萊恩,倒是很淡定,不以為這有什麼大不了。布萊恩是對的,他不見得學過太多機率,但在充滿隨機性的球場上縱橫多年後,看來對巨數法則相當有概念。黃文璋(2012)一文,對此事件中涉及的機率,做了一些討論。該文指出,若僅針對某一特定好手的某一場比賽,此事件發生之機率,確實微乎其微。但在NBA30支球隊中,假設每隊皆有一位能與布萊恩相匹比的好手,則經年累月下來,要看到某位好手連續多球不進,根本不算什麼。至於千奇百樣的特別或有趣的事件(不一定是負面,可以是正面,如連續搶下幾個籃板球,且也不一定得發生在布萊恩身上),幾乎可說是必然,有如家常便飯。可以這麼講,報導NBA球賽的記者,只要願意仔細檢視各項數據,加上豐富的聯想力,則每天總可找到一些值得大書特書,讓人以為不可能發生的事件

這麼說好了,假設某一事件A發生的機率p很小,不發生的機率1-p很大,重複觀測n,且假設各次間相互獨立。因此n觀測,事件A皆未發生的機率為(1-p)n。不論p有多麼(但固定不變動),隨著n之增大(1-p)n將愈來愈接近0(可取p=0.001,再令n=10,000100,000,…,用計算機操作看看)。另一方面,事件A至少發生一次的機率1-(1-p)n,將隨著n之增大,逐漸接近1。這便解釋了巨數法則。曾有人說,若找一批猴子,各發一台打字機,這批有教養的猴子,整天安分地坐在那兒敲打,則總有一天,將赫然發現,某隻猴子敲出一串美國歷任總統的名字。這種不可能的事,其發生自然也是因巨數法則。

有些人未了解巨數法則,因此有時誤以為看到什麼靈異事件,或以為冥冥中自有安排而感到惶恐。其實歸根究,不過是小機率碰到大樣本而已,一切純屬巧合,不必訝異。有興趣的讀者,不妨參考黃文璋(1999)一文。

給個結論:如果有人告訴你,他有朋友一家4口生日都相同,你的反應可以是嗤之以鼻,完全不信。但如果有人告訴你,在報上看到荷蘭有一家4口生日都相同,則你可以覺得,那沒什麼大不了。曾有人以樂透彩中頭獎之機率為524萬多分之1(426的樂透彩),而台電公告的核電反應爐每年發生重大災變之機率為10萬分之1,常有人中頭獎,因此怎能保證發生機率比524萬多分之1大多的前述災變不會發生?台灣現有3核電廠,共僅6個反應爐,而樂透彩每期有很多人買,且每年發行很多期。將天壤之別的兩件事放在一起類比,而提出質疑者,或缺乏邏輯,或存心魚目混珠均不足取。

參考文獻

1. 黃文璋(1999). 純屬巧合. 數學傳播季刊, 23(4): 6-21.

2. 黃文璋(2012). 布萊恩連15投不進. 黃家小館(http://huang.nuk.edu.tw/cindex.htm).

3. 黃文璋(2013). 擲筊裡的機率. 科學人, 135(20135月號): 26.

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