國立高雄大學統計學研究所
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主題:46 淑女品茶
發表者:黃文璋 Email:huangwj@nuk.edu.tw 日期:2015/1/15 下午 10:14:05

有人喝咖啡時什麼都不加,喜歡原始感受的黑咖啡,有人則又加牛奶又加糖。咖啡、牛奶、糖,該依什麼順序放進杯子呢?大部分的人,可能覺得這是什麼問題,會有差別嗎?

近代的下午茶(afternoon tea),發展自英國的維多利亞時代(Victorian era約由18371901即維多利亞女王(Queen Victoria1819-1901)的統治時期)。一開始是英國貴族用來打發下午的時光。貴族多半閒閒沒事幹,聚在一起吃喝聊聊,下午茶結束,晚餐也就快到了。近代則利用那片刻,工作暫停,略微休息,然後繼續衝刺。英國下午茶,不必然有豐盛的食物,但茶通常是有的。現代統計學的鼻祖費雪,曾提到下述故事。在1920年代後期,某日的下午茶時間,有位女士對一群科學家宣稱奶茶的調製順序,對風味有很大的影響。把茶加進牛奶裡,與把牛奶加進茶裡,兩者喝起來口味大不相同。在座不乏各領域的泰斗,都對這種說法感到可笑。真是班門弄斧,忘了a+b=b+a嗎?兩種混合方式的化學成分,能有什麼差異?但費雪卻很當一回事看待,他設計了一個實驗步驟,包括要準備多少杯茶,及該依照什麼順序給這位女士喝,以對這女士的說法做一檢定。這就是有名的淑女品茶(lady tasting tea)實驗為費雪在引進實驗設計”概念的著作裡,所舉的例子。

媒體不時報導,有人能以耳朵識字,有人能以手指識字世上奇人異事還真不少,常不知真假。底下我們便來看,該如何檢定某人能否判斷奶茶是先放奶或先放茶

首先,該準備幾杯奶茶來測試?若只有10杯,似乎太少了。因若每杯有1/2的機率猜中,則全中的機率為1/210=1/1,024,如此大約每1,000人,便有1人能辦到,不算太稀罕。不妨就準備20杯,增加難度,以免太容易證實”某人有特異功能。但也不見得須要求20杯都講對,人總會犯錯,有時我們連好朋友的名字都會喊錯,卻不會承認是忘記他的名字,人們對犯錯是可以有些容忍的。

20杯奶茶,每杯先放奶或先放茶,得採隨機的方式。這可以亂數表,或投擲銅板來決定。要知人的天性大抵是沒有隨機性的,若憑腦海中想到先放什麼就放什麼,雖自以為隨機,所產生的順序,很可能無法通過隨機性的檢定。另外亦不能以為20杯中,就須10杯先放牛奶,且10杯先放茶。若採隨機放,從0杯先放牛奶,至20杯先放牛奶,都有可能。而且全中的機率為1/220=1/1,0242=1/1,048,5761百萬分之1。但若受測知道,20中恰有10杯先放牛奶,則所有可能性有C(20,10)種。如此全中的機率為1/C(20,10)=1/184,756,機率提高到前者的5倍多。如同樂透彩頭獎號碼的產生,隨機產生的密碼,永遠是最難被破解的。

其次來看,要做檢定,便得有虛無假設H0,及對立假設Ha,此處各是什麼?這是在問能判斷與不能判斷,那一個該放在H0嗎?若答案為肯定,則因之前並不覺得誰有辦法判斷,且有興趣的是能判斷,故該取

H0:不能判斷,Ha:能判斷

才對。放在H0之假設會被保護,不輕易被推翻,而一旦被推翻,便能信心十足的宣佈某人具備判斷奶茶是先放奶或先放茶的能力。如果H0Ha反過來,則很容易接受H0能判斷,但這樣公佈的結果,恐將沒什麼人採信。H0Ha看似決定了,只是如何將一項能力數量化?若不量化,就根本不知如何檢定。

p表每杯說對的機率,X20杯說對的杯數,則XB(20,p)分佈。對幾組不同的H0Ha,我們分別來討論。

(1) H0p=0.5Hap>0.5。即將不能判斷,解釋成隨機猜,因此p=0.5;而能判斷則解成比隨機猜準確,因此p>0.5。顯然拒絕域該取成{Xk}的型式。我們列出一些p=0.5時,P(Xk)如下:

P(X13)»0.132P(X14)»0.0577P(X15)»0.0207

P(X16)»0.0059P(X17)»0.0013P(X18)»0.0002

P(X19)»0.00002P(X20)»0.0000009

故若α=0.1,則拒絕域={X14};若α=0.05,則拒絕域={X15};若α=0.01,則拒絕域={X16}。只是在H0Ha下,即使20杯全說對,仍只能給出判斷力比隨機猜好”的推論,至於好到什麼地步,卻無從說明,這樣似乎不夠明確。

(2) H0p£0.6Hap>0.6。會這樣取H0Ha,是想若正確率未能超過6,便不算太神奇,說不上能判斷。拒絕域仍該取成{Xk}的型式。我們列出一些p=0.6時,P(Xk)如下:

P(X15)»0.126P(X16)»0.0510P(X17)»0.0160

P(X18)»0.0036P(X19)»0.0005P(X20)»0.00003

故若α=0.1,則拒絕域={X16},若α=0.05,則拒絕域={X17};若α=0.01,則拒絕域={X18}。當拒絕H0時,表接受判斷正確率超過6,比(1)中能給的結論明確些。

(3) H0p£0.7Hap>0.7。這樣取的原因類如(2)。拒絕域仍該取成{Xk}的型式。我們列出一些p=0.7時,P(Xk)如下:

P(X17)»0.1071P(X18)»0.0355

P(X19)»0.0076P(X17)»0.0008

故若α=0.1,或0.05,皆有拒絕域={X18};若α=0.01,則拒絕域={X19}。能指出判斷正確率有7成以上,當然更明確了。

(4) H0p£0.8Hap>0.8。這樣取的原因就不必再說明了。我們列出一些p=0.8時,P(Xk)如下:

P(X18)»0.2061P(X19)»0.0692P(X20)»0.0115

故若α=0.1,則拒絕域={X19};若α=0.05,則拒絕域={X=20}在拒絕H0時,表接受判斷正確率大於8成,這又更清楚了。

至於H0p£0.9Hap>0.9的檢定呢?當p=0.9

P(X19)»0.3918P(X20)»0.1216

可看出除非α取的較大,否則無法拒絕H0。但對這類檢定,α並不宜取太大,否則很容易宣佈找到喝奶茶成精者。那難道就沒有辦法接受判斷正確率大於9成嗎?也是可以,增加測試杯數即可。

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