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令人费解的蒙提·霍尔悖论

2020年7月10日  来源:为什么:关于因果关系的新科学 作者:[美]朱迪亚·珀尔;[美]达纳·麦肯齐 提供人:kangtao76......

20世纪80年代末,一位名叫玛丽莲·沃斯·莎凡特的作家开始在《大观》(Parade )杂志上撰写固定专栏,该杂志是《星期日报》的增补本,在美国许多城市发行。她的专栏“问玛丽莲”连载至今,其主要内容是为读者提出的各种难题、脑筋急转弯和科学问题提供她的解答。这本杂志将她称为“世界上最聪明的女人”,这无疑激发了众多读者的斗志,纷纷尝试提出能难倒她的问题。

在她回答的所有问题中,一个引发了激烈争论的问题是出现在1990年9月的专栏中的这个问题:“假设你参加了一个竞猜游戏类电视节目,在这个游戏中,有三扇门供你选择,其中一扇门后面是一辆车(奖品),另外两扇门后面是山羊。你挑了一扇门,比如说1号门,而主持人知道门后面是什么。现在,他打开了另一扇门,比如说3号门,你看到这扇门的后面是一只山羊。此时,如果他问你:‘你想重新选择,改选2号门吗?’那么,选择换门是否对你赢走奖品更有利?”

对于美国读者来说,这个问题显然改编自一个当时十分流行的电视游戏节目,叫作“让我们做个交易”,节目主持人蒙提·霍尔常和参赛者玩这类心理游戏。沃斯·莎凡特在她的解答中认为参赛者应该选择换门。若不换,则参赛者只有1/3的概率获胜;若换,则其获胜的概率将翻倍,变为2/3。

我想,这位“世界上最聪明的女人”大概也没有预料到接下来发生的事情。在接下来的几个月里,她收到了1万多封读者来信,他们中的大多数人都不同意她的解答,其中许多读者自称拥有数学或统计学的博士学位。这些人的评论包括:“你搞砸了,彻底搞砸了!”(来自斯科特·史密斯,博士)“我建议你找本标准的概率论教科书参考一下,然后再试着回答这类问题。”(来自查尔斯·里德,博士)“你搞砸了!”(来自罗伯特·萨克斯,博士)“你完全错了!”(来自雷·波波,博士)总的来说,批评者认为,无论参赛者是否选择换门,由于游戏中只剩下两扇门,而参赛者完全是在随机选择,所以不管参赛者选哪扇门,门后面是车的概率一定都是1/2。

谁对?谁错?为什么这个问题引发了如此激烈的讨论?这三个问题的每一个都值得我们进行更细致的考察。

让我们先来看一看沃斯·莎凡特是如何解决这个难题的。她的解决方案实际上极其简单,比我在许多教科书中看到的方法更令人叹服。她列出了一张关于门和山羊的三种可能安排的清单(见表6.1),以及“换门”策略和“不换门”策略下的相应结果。三种情况都假设作为参赛者的你先选择了1号门。因为表中列出的所有三种关于山羊和汽车位置的可能组合(在最初)是等可能的,所以如果你选择换门,则你获胜的概率是2/3,而如果你仍然选择1号门,则你获胜的概率只有1/3。请注意,沃斯·莎凡特的表格并没有明确说明主持人打开的是哪扇门,该信息隐含在表的第4列和第5列中。例如,在第2种组合中,我们知道主持人打开的必然是3号门,因为只有在此种情况下,参赛者选择换2号门才会获胜。同样,在第1种组合中,主持人打开的门可以是2号门或3号门,而第4列信息则明确地告诉我们,只要你选择换门,则无论如何换门,你都会输。

表6.1 “让我们做个交易”的概率表

即使是今天,许多人在第一次看到这个谜题时仍然会对这一结果感到难以置信。为什么?我们的直觉到底哪里出了错?1万个读者可能有1万个不同的理由,但我认为,其中最有说服力的理由是:“沃斯·莎凡特的解决方案似乎迫使我们相信了心灵感应的存在。如果无论我在最初选择了哪扇门,我都应该在之后换门,那就意味着制片人在某种程度上读懂了我的心思。否则他们是怎样安排汽车的位置,将其准确地放到了我最初更不可能选择的那扇门的后面呢?

解决这一悖论的关键是,我们不仅需要考虑数据(主持人打开某个特定门的事实),而且要注意数据生成的过程,也就是游戏规则。数据生成的过程告诉了我们一些关于数据的事实,这些事实是我们本可以观测到但没有观测到的。难怪统计学家对这个谜题的答案尤为不解,因为他们已经习惯了“数据约简”(据费舍尔1922年所言)和忽略数据的生成过程。

首先,让我们试着略微改变游戏规则,看看会对结论产生什么影响。试着想象存在另一个游戏节目,叫作“让我们假装交易”,游戏中蒙提·霍尔同样会打开你没有选择的两扇门之一,但他的选择是完全随机的。换句话说,他可能会打开那扇背后有车的门——真不走运!

像以前一样,我们假设在游戏的一开始你选择了1号门,而主持人打开的是3号门,门的后面是山羊,之后主持人给了你一个选择换门的机会。那么,你应该换门吗?通过分析我们将会发现,虽然游戏情节看似相同,但根据新的规则,这一次选择换门并不会增加你的胜率。

为了证明这一点,我们可以绘制一个与前面类似的概率表,考虑到有两个随机、独立事件——车的位置(3种可能性)和蒙提·霍尔选择打开的门(2种可能性),这个表需要有6行,并且每行所代表的事件是等可能的,因为这些事件是相互独立的(见表6.2)。

表6.2 “让我们假装交易”的概率表

现在,如果蒙提·霍尔打开了3号门,看到了一只山羊,那么会发生什么呢?首先,这句话告诉了我们一条重要的信息:我们现在位于表格数据部分的第2行或第4行。现在,只关注第2行和第4行,我们可以看到,换门的策略不会再给我们带来任何额外的好处,无论是否换门,我们都只有1/2的获胜概率。因此,在“让我们假装交易”的游戏中,所有那些对玛丽莲·沃斯·莎凡特的批评都是正确的!但需要注意的是,两个游戏的数据是一样的。我们从这两个例子中得到的教训很简单:获得信息的方式和信息本身一样重要。

悖论

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