你是否以前在上学的时候想过这样一个问题:我们年级里(或者班级里)是否有两个生日一样的同学?如果一个年级有400人,那么就必然至少会有两个同学生日相同(因为一年只有365天或366天)。实际上,我们通过数学计算可以得知其实并
不需要那么多同学,仅仅只需50人的班级中,就有非常高的概率会出现这种情况,很反直觉吧!今天小编来和大家探讨一下概率论中非常著名的
生日问题。
对于生日问题我们可以这样描述:
假设每个同学的出生日期都是相互独立的,并且每个同学都等可能地出生在一年中的任何一天(2月29日除外),那么要有多少人才能保证其中至少两个同学的生日在同一天的概率
我们不考虑闰年,假设一年只有365天,因此只要一个年级有366个同学就一定会出现
“至少两个人的生日在同一天”,因此答案必然是2到365的某个数。
想想另一种极端情况,如果一个年级有184个同学,那么至少两个人的生日在同一天的概率一定不小于50%,为什么呢?想想如果前183个同学的生日互不相同(比方说这183个同学的生日正好就是一年的第1~183天),那么对于第184个同学来说,他与前面183个同学中的某人同一天生日的概率就至少为50%!
这并不难理解:因为一年中过半的日期已经被占用了,最后一个同学要么和前183个同学中的某人同一天生日,要么生日是在剩下的182天中。
这样我们就又缩小了范围:这个问题的解
一定满足
并且,直觉告诉我们,肯定是人越多(越大),
“至少两人生日在同一天”的概率越大。
我们可以尝试用穷举法来求解这个问题,比如说一种简单的情况:当
时,这两个人所有可能的生日排布方法一共有
种
这很容易理解:因为对第一个人来说,他的生日有365种可能,第二个人也有365种可能。
在这133225种组合中,两个人生日在同一天的组合只有365种,这也不难理解:如果两个人生日在同一天,那么只要选定了第一个人的生日,第二个人的生日就只有唯一一种可能。
因此当只有两个人的时候,概率的计算非常简单:
再来看的情况,那么易得所有可能的生日排布方法有种
计算分母很容易,但在计算分子时要特别当心。因为我们要算的是
“至少两人生日在同一天”,因此这里我们需要分类讨论:
有且只有两个人生日在同一天
三个人生日在同一天
对于第一种情况,我们可以这样计算:假设前两个人生日在同一天,第三个人生日与他们不同,则共有种(第一个人的生日可以是一年365天中的任何一天,第二个人的生日必须与第一个人相同,而第三个人的生日只能从剩下的364天中选取)
类似地,易知这种情况会出现3次:
第一个人
第一个人
第二个人
第二个人
第三个人
第三个人
相同
相同
不同
相同
不同
相同
不同
相同
相同
因此这种情况包含的组合数为种
别忘记还有一个很特殊的情况:三个人生日相同,这种情况包含的组合数为365种。
这样我们可以计算三个人时的概率:
从两人的到三人的,概率确实增大了,符合我们的直觉。但是遗憾的是,这个概率离还十分遥远,而且我们会发现当变得越来越大时,整个计算过程就是一场噩梦,因为情况会越来越复杂,整个过程需要更全面地分类讨论,这不是我们所希望看到的。
因此,穷举法在这个问题中不是一个理想、高效的方法,我们需要更好的思路。
在概率论中,计算对立事件的概率——不发生的概率——有时往往比直接计算事件的概率容易很多。如果我们知道事件不发生的概率是,则发生的概率就是,对于对立事件来说,两者必有其一发生。
想想这对解决生日问题有什么帮助呢?很显然,如果我们记事件至少两人生日在同一天
则其对立事件为所有人的生日都互不相同
而计算“所有人的生日都互不相同”这件事的概率是容易的,举个例子,当
时,其概率为
当
时,其概率为
沿着这个思路,对于一般情况来说,当人数为
时,其概率为使用连乘符号,我们可以把这个结果改写成
也许你对这个符号不太熟悉,它是由求和符号推广而来的,我们知道
相应地,有
对上面的表达式再进行一些简单的处理,得到
上述这个代数式计算的是“至少两人生日在同一天”的对立事件“所有人的生日都互不相同”的概率,因此我们需要使得
大数的阶乘计算起来并不容易,我们可以借助数学软件
帮助我们计算,设计一个简单的解决生日问题的
程序:我们可以得到如下图像:
从图中我们可以看出,当
时,概率约为
,当
时,概率已经攀升到了
,当
时,概率变为了惊人的
!也就是说,在一个50人的班级中,将有非常大的可能会有两个同学生日在同一天!下次你便可以和你的小伙伴打赌了:嘿,朋友,你信不信咱们班一定有两位同学是同一天生日?