Игра случая. Математика и мифология совпадения - Джозеф Мазур

«Искусство предположений» Бернулли дает нам слабый закон больших чисел. Если подбросить правильную монету N раз в надежде, что орел выпадет k раз, теорема говорит о вероятности того, насколько близко будет отношение k/N к 1/2, математической вероятности того, что орел выпадет за одну попытку. Некоторые игроки, выдавая желаемое за действительное, полагают, будто это означает, что для больших значений N исходы событий приблизятся к вероятностям этих исходов. Таким образом, если опять использовать бросание монеты в качестве примера, заблуждающийся игрок полагает, что, поскольку p = 1/2, общее число исходов орел сойдется к общему числу исходов решка в долгосрочной перспективе. Теорема говорит только о том, что существует возможность сходимости общего результата к достоверности в долгосрочной перспективе. Нет никаких гарантий того, что это произойдет в любом из отдельных случаев. В качестве примера давайте предположим, что у нас есть игра, состоящая из N повторяющихся событий, таких как бросание монеты N раз, и мы считаем число раз, когда выпадает орел. Математическая вероятность того, что правильная монета выпадает орлом, – 1/2. Что мы увидим, подбрасывая монету в реальной жизни? Будет ли коэффициент успешности испытаний близок к 1/2, скажем, настолько близок, что будет в пределах 1/10 000? На самом деле ответа мы дать не можем, но мы можем выразиться иначе и спросить: будет ли вероятность того, что разность k/N и 1/2 меньше, чем 1/10 000, когда-нибудь больше, чем, скажем, 0,999. Теорема Бернулли говорит, что да, такое случится, если N продолжит увеличиваться со временем. Но она не исключает полностью случаев, когда разность между k/N и 1/2 больше, чем 1/10 000, даже для больших значений N. На деле, даже если коэффициент успешности испытаний k/N приближается к 1/2, нет гарантии, что он продолжит это делать. Кроме того, оказывается, что немного усиленная версия теоремы Бернулли говорит нам: хотя коэффициент успешности испытаний k/N, очевидно, сходится к 1/2, реальные значения успешности демонстрируют склонность ко все более своенравному поведению. Рассмотрим следующее удивительное утверждение: вероятность расхождения реального числа успешных испытаний с ожидаемым числом k/2 успешных испытаний (т. е. выпадения орлов) становится все больше и больше по мере увеличения числа испытаний[9]. Хотя это утверждение и противоречит нашей интуиции, но оно верно{48}. Однако оно также говорит, что в долгосрочной перспективе разность между действительным средним, которое мы получаем эмпирически после испытаний (и совершенно нам не известное до момента завершения этих испытаний), и математически вычисленным средним может быть сколь угодно малой при условии, что число испытаний N достаточно велико. Это означает, что случайные эмпирические события (не имеющие совершенно никакой памяти о каждом из исходов) имеют среднее, близкое к математически вычисленному числу!

Бернулли был так доволен своей теоремой, что предполагал ее применение к наиболее важным событиям всего сущего. В своем «Искусстве предположений» он написал:

В теории теорема Бернулли должна была стать интеллектуальной бомбой, чудом математической оценки неопределенности. Она сулила предсказание будущего. Здесь мы впервые встречаем математический закон, который дал нам замечательный и простой способ понять, как ведет себя случайность в реальном мире; теорему, которую Бернулли с гордостью называл строгой, оригинальной и такой блистательной, что она придала значимость всем разделам его работы. Но Бернулли был разочарован некоторыми из своих экспериментов, которые относились к задачам, связанным с болезнями и погодой. Он честолюбиво задал для себя предельно высокий критерий достоверности даже по сегодняшним стандартам{50}.

Бернулли дал нам огромные возможности для оценки неопределенного поведения природы, а также азартных игр – метод расчета математического ожидания без какой-либо априорной информации. «В самом деле, если заменить урну, к примеру, на воздух или человеческое тело, содержащие в себе возбудителя [fomitem] различных изменений в погоде или болезней, как урна содержит жетоны, мы сможем ровно таким же образом определить посредством наблюдения, насколько проще может произойти то или иное событие в этих объектах»{51}.

Когда Эйнштейн остроумно заметил: «Бог не играет в кости с Вселенной», – он говорил о возникшей тогда квантовой механике, которая не могла достоверно предсказывать исходы рассматриваемых ею явлений{52}. Фортуна никогда не согласится с тем, что результат броска игральных костей на самом деле неслучаен, как лотерейная комиссия никогда не признает, что шарики для пинг-понга с выигрышными номерами выпадают неслучайно. Никто еще не предложил машину, дающую совершенно случайные числа. «Брошенные кости, – пишет физик Роберт Оэртер, – по сути своей не случайны; исход только кажется случайным из-за нашего невежества относительно маленьких деталей, скрытых переменных (например, угла пуска или трения), которые определяют исход броска»{53}. У большинства феноменов в нашей Вселенной (в особенности тех, которыми движут атомные силы) слишком много этих скрытых переменных, чтобы математика могла предсказывать исходы. Мы, как правило, не осведомлены о подробностях таких чудес. И все же у нас есть этот удивительный дар, который был тайной вплоть до XVII в., – дар, дающий ключ к пониманию случайности, а также средства к предсказанию будущего: знание о том, что большинство явлений неквантового механического мира подчиняются слабому закону больших чисел, пусть каждое явление в отдельности и не обладает памятью о собственном прошлом. Играет Бог в кости или нет – долгосрочные тенденции ожиданий предсказуемы и почти всегда достоверны{54}.