Кіріспе
Ықтималдық теориясының парадоксы
Джозеф Бертранның басқа парадокстары
Бертран парадоксы – ықтималдық теориясының классикалық интерпретациясындағы мәселе. Жозеф Бертран оны 1889 жылы жарық көрген «Ықтималдықтарды есептеу» атты еңбегінде мысал ретінде келтірді. Бұл мысал, мүмкіндіктер домені шексіз болғанда, принцип бей-жайлықты сыни тұрғысынан қарамай қолданған жағдайда, ықтималдықтар үшін нақты және анықталған нәтижелер бермеуі мүмкін екенін көрсетуге арналған.
other paradoxes by Joseph Bertrand
The Bertrand paradox is a problem within the classical interpretation of probability theory. Joseph Bertrand introduced it in his work Calcul des probabilités (1889) as an example to show that the principle of indifference may not produce definite, well defined results for probabilities if it is applied uncritically when the domain of possibilities is infinite.
Классикалық шешім
Мәселенің классикалық шешімі (мысалы, Бертранның өзінің еңбектерінде көрсетілгендей) аккордтың "кездейсоқ" түрде таңдалу тәсіліне байланысты.
"Ең көп беймәлімдік" принципі қолданылған Джейнс шешімі
1973 жылы "Жақсы қойылған мәселе" атты мақаласында Эдвин Джейнс "максималды білімсіздік" принципіне негізделген Бертран парадоксына шешім ұсынды. Джейнс Бертран мәселесі шеңбердің орнын немесе мөлшерін нақтыламағанын көрсетті және демек, кез келген нақты және объективті шешім мөлшер мен орналасуға қатысты "бейтарап" болуы керек деп мәлімдеді. Басқаша айтқанда: шешім масштаб және трансляция бойынша инвариантты болуы тиіс. Мысал келтірейік: диаметрі 2 болатын шеңберге кездейсоқ хордалар салынады дейік, мысалы, алыстан сабанды лақтырып, оларды кеңейту/шектеу арқылы хордаларға айналдыру арқылы. Енді үлкен шеңберге кішірек диаметрлі (мысалы, 1.1) шеңбер салынады. Содан кейін кіші шеңбердегі хордалардың таралуы үлкен шеңбердегі хордалардың шектелген таралуымен сәйкес келуі керек (қайтадан генерациялық сабандарды кеңейту/шектеуді пайдалану). Осылайша, кіші шеңбер үлкен шеңбер ішінде жылжыса, шектелген таралу өзгермеуі керек. 3-әдіс үшін өзгеріс болатынын оңай көруге болады: кішкентай қызыл шеңбердегі хорда таралуы үлкен шеңбердегі таралудан сапалық тұрғыдан өзгеше көрінеді. 1-әдіс үшін де солай, бірақ графикалық түрде көру қиын. 2-әдіс – масштаб және трансляция бойынша инвариантты болатын жалғыз әдіс; 3-әдіс тек масштаб бойынша инвариантты, ал 1-әдіс екеуі де емес. Алайда, Джейнс берілген әдістерді қабылдау немесе қабылдамау үшін тек инварианттарды қолданбады: бұл оның ақылға қонымды талаптарына сай келетін, әлі сипатталмаған басқа әдіс болуы мүмкін еді. Джейнс ықтималдық таралуын тікелей анықтау үшін инварианттарды сипаттайтын интегралдық теңдеулерді пайдаланды. Бұл мәселенің интегралдық теңдеулері шын мәнінде бірегей шешімге ие, және ол жоғарыда "2-әдіс" деп аталған, кездейсоқ радиус әдісімен сәйкес келеді. 2015 жылғы мақалада Алон Дрори Джейнс принципі Бертранның қалған екі шешімін де беруге қабілетті екенін мәлімдеді. Дрори жоғарыда аталған инварианттылық қасиеттерінің математикалық іске асырылуы бірегей емес, бірақ ол қолданылатын кездейсоқ таңдау процедурасына байланысты екенін көрсетеді (Джейнс кездейсоқ хорданы таңдау үшін сабанды лақтыру әдісін қолданғандай). Ол Бертранның үш шешімінің әрқайсысын айналу, масштабтау және трансляция инварианттылығын пайдалану арқылы алуға болатынын көрсетіп, Джейнс принципі бейтараптық принципі сияқты интерпретацияға жататындығын қорытындылады. Мысалы, шеңберге тік бұрышпен жебе тастап, таңдалған нүктесінен өтетін хорданы салуды қарастырайық. Одан кейін аударма, айналу және масштаб бойынша инвариантты болатын бірегей таралу жоғарыда "3-әдіс" деп аталған таралу болады. Сол сияқты, "1-әдіс" – хорданың бір ұшын таңдау үшін спиннерді пайдаланатын және содан кейін хорданың бағытын таңдау үшін оны қайта пайдаланатын жағдай үшін бірегей инвариантты таралу. Бұл жағдайда инварианттылық екі спиннің әрқайсысы үшін айналу инварианттылығынан тұрады. Бұл сондай-ақ шеңбердің шеңберінің бір нүктесінде тік орналастырылған және көлденеңге түсуге рұқсат етілген (шеңбердің ішіне жартылай түсуіне байланысты) жағдай үшін бірегей масштаб және айналу инвариантты таралу болып табылады.
The same occurs for method 1, though it is harder to see in a graphical representation. Method 2 is the only one that is both scale invariant and translation invariant; method 3 is just scale invariant, method 1 is neither. However, Jaynes did not just use invariances to accept or reject given methods: this would leave the possibility that there is another not yet described method that would meet his common sense criteria. Jaynes used the integral equations describing the invariances to directly determine the probability distribution. In this problem, the integral equations indeed have a unique solution, and it is precisely what was called "method 2" above, the random radius method. In a 2015 article, Alon Drory argued that Jaynes' principle can also yield Bertrand's other two solutions. Drory argues that the mathematical implementation of the above invariance properties is not unique, but depends on the underlying procedure of random selection that one uses (as mentioned above, Jaynes used a straw throwing method to choose random chords). He shows that each of Bertrand's three solutions can be derived using rotational, scaling, and translational invariance, concluding that Jaynes' principle is just as subject to interpretation as the principle of indifference itself. For example, we may consider throwing a dart at the circle, and drawing the chord having the chosen point as its center. Then the unique distribution which is translation, rotation, and scale invariant is the one called "method 3" above. Likewise, "method 1" is the unique invariant distribution for a scenario where a spinner is used to select one endpoint of the chord, and then used again to select the orientation of the chord. Here the invariance in question consists of rotational invariance for each of the two spins. It is also the unique scale and rotation invariant distribution for a scenario where a rod is placed vertically over a point on the circle's circumference, and allowed to drop to the horizontal position (conditional on it landing partly inside the circle).
Физикалық эксперименттер
"2-әдіс" – белгілі бір физикалық жүйелерде, мысалы, статистикалық механика мен газ физикасында кездесетін трансформация инварианттарын қанағаттандыратын жалғыз шешім, осыған байланысты Жейнстің ұсынған тәжірибесі – алыс қашықтықтан кішкентай шеңберге түйіршіктер лақтыру. Дегенмен, басқа әдістерге сәйкес жауап беретін басқа да тәжірибелерді құруға болады. Мысалы, "1-әдіс" шешіміне, яғни кездейсоқ соңғы нүктелер әдісіне жету үшін, шеңбердің ортасына айналдырғыш (спинер) бекітіліп, екі тәуелсіз айналымның нәтижесі хорданың соңғы нүктелерін анықтауы мүмкін. "3-әдіс" шешіміне жету үшін шеңберді қант жабындысымен (мелассамен) жауып, құстың алғаш қонған жерін хорданың орта нүктесі деп белгілеуге болады. Көптеген зерттеушілер әртүрлі шешімдер алу үшін тәжірибелер жасап, нәтижелерін тәжірибелік жолмен тексерген.