一鸣惊人后从物理转向数学,他用40年写成这部概率论神作

作者: 廖海仁

来源: SAIXIANSHENG

发布日期: 2024-07-14 17:30:08

一位物理学家在概率论领域的40年探索与思考,写成被无数人奉为神作的《概率论沉思录》。书中探讨了概率论在科学研究中的应用,特别是贝叶斯方法与传统统计方法的对比,以及概率论作为科学推理基础的重要性。

导读:他是圣路易斯华盛顿大学和斯坦福大学教授,他的博士论文导师是著名物理学家、1963年诺贝尔物理学奖得主尤金·维格纳,他在物理学上做出了突出贡献,他发表的演讲“一鸣惊人”,改写了教科书的观点。但是,他毅然选择了概率论,并且在该领域中进行了长达40年的持续探索与思考。最终写成《概率论沉思录》,一部被无数人奉为神作的教材。

一位物理学家的概率观20世纪70年代,一位物理学家参加了主要由计算机与航空航天行业的统计学家参与的可靠性与质量控制研讨会。在会上,他做了题为“置信区间与贝叶斯区间”的主题演讲。他举了几个简单、常见的显著性检验问题,并对使用正统的置信区间方法和贝叶斯方法的解答进行对比,得出的结论是:对于每一个问题,正统的置信区间方法给出的答案显然违背普通人的直觉,而贝叶斯方法得出的结论则合情合理。这让台下炸开了锅。

著名的物理学家杰恩斯(Edwin Thompson Jaynes, 1922-1998),写就了一部概率论在科学研究中应用的经典著作。图源:维基百科他既没有获得过诺贝尔物理学奖,甚至也不是美国科学院院士。如果不做考证,我们大多数人可能也不知道他的博士论文导师是著名物理学家尤金·维格纳(1963年诺贝尔物理学奖得主)。

他生前的主要身份只是华盛顿大学圣路易斯分校和斯坦福大学教授,所以他在20世纪70时代上台演讲时也不可能因为带着名人或头衔光环而受到任何优待。

他在物理学上的主要贡献是1957年提出热动力学的最大熵原理,以及1963年提出量子光学的杰恩斯–卡明斯(JaynesCummings)模型。

但是正如作者所言,他对于理论物理学问题的兴趣只是短暂的细枝末节,最长久的兴趣还是在概率论上,并且在该领域中进行了长达40年的持续探索与思考。这种持续探索与思考的结晶就是这本遗著《概率论沉思录》(英文原名是Probability Theory:The Logic of Science,直译为《概率论:科学的逻辑》),其主要思想是将概率论视为传统亚里士多德逻辑的扩展。

众所周知,传统数学是以演绎逻辑为基础的,而概率论却可以作为科学推断(归纳逻辑+演绎逻辑)的理论基础。这样,作为扩展逻辑的概率论就是可以融合归纳推理与演绎推理的统一理论。有人可能会问:且慢,概率论不是一门数学学科吗?它与科学有何相关?的确,概率论的公理化是20世纪数学方面最重要的进展之一。

现代概率论的诞生以柯尔莫哥洛夫1933年的奠基性著作《概率论基础》(Foundations of the Theory ofProbability)的发表为标志。

值得注意的是,概率论公理化之前经过了三个多世纪的发展,如本书作者所说,主要是以数学物理学家(丹尼尔·伯努利、拉普拉斯、高斯、勒让德、泊松等)为主体进行的。

物理学家(哈罗德·杰弗里斯是个例外)基本上没有参与20世纪初概率论及现代统计学的蓬勃发展进程:皮尔逊、费希尔有生物学背景,奈曼主要是数学家。在作者看来,这主要是由于当时的物理学家都忙于相对论与量子力学的研究,等到他们感到在这两个领域已经没有太多重要的事情可做,将目光转向统计学时,却发觉统计学已经被正统统计学家所主宰,但是内部仍然派别林立,对很多问题没有统一的认识。

贝叶斯统计阵营内也有几个不同的流派(其主要差别见后文),杰恩斯可以说是客观贝叶斯派的代表人物。在客观贝叶斯主义者看来,“先验”主要与信息相关,不同人掌握的信息可能不同,这很正常。这些不同的“先验信息”是客观存在的,没有任何主观的成分。而且先验信息无处不在,这对于物理学家来说几乎是显而易见的。

杰恩斯不认为使用集合论和测度论来重构概率论有多大的实际意义。他对于基于测度论的概率论的批评主要是由于现代测度论引入了实无穷的概念和理论,不谨慎的使用会带来很多悖论。引入测度论的确增加了概率论的“数学严格性”,但是这不能增进我们对于概率本身的理解,也通常无助于实际问题的解决。

本书对保险的原理有很好的解释,对于如何认识特异功能也有讨论。如果理解其中的思想,相信读者对该不该买保险、该不该炒股、如何看待超自然现象等都会有自己更好的判断。从概率的视角看世界也会产生不同的认知。比如,从概率论的角度来说,我们只能以概率的方式认识世界,这种认识不可避免地带有不确定性。所谓科学理论,只是解释世界的一种模型而已。公认的科学理论只是目前科学共同体认为正确概率最高的模型。

能评估一本专业图书价值的未必是这本书的知名度或者销量,主要还得看它的专业影响力,特别是对领域内思考最深入的专家是否有影响。我在写下这段文字时查到《概率论沉思录》英文版在Google Scholar上的引用量是8953,对照起来,德菲内蒂的两卷本《概率论》的引用量是4538,而威廉·费勒的《概率论及其应用》的引用量是61972。

鉴于费勒的书第1卷初版出版于1950年,最终的第三版也早已在1970年出版,杰恩斯的这本《概率论沉思录》到目前为止的引用量还是非常高的。

本书用十余个趣味十足、脑洞大开的例子,将贝叶斯统计的原理和用途娓娓道来。你将从直觉出发,自然而然地习得数学思维。读完本书,你会发现自己开始从概率角度思考每一个问题,并能坦然面对不确定性,做出更好的决策。

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