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对一道数学问题的质疑
2006-12-22  作者(来源):李培新

一、问题的提出:有这样一道题:“投掷(或旋转)一枚1元硬币,出现1元字面朝上的概率是 1/2,那么投掷这枚硬币两次,是否会出现一次1元字面朝上? ”这是笔者今年遇到的一道题,当然这道题的正确答案是:“不一定”.笔者看到这题时,感觉很可疑,它的可疑之处就在这个“概率是1/2”是错误的,我看到这道题时,我就指出这个“1/2”的错误性,这一点可能令命题者所意想不到的,人们也许常常会习惯性思维。为什么“1/2”是错误的呢?

二、问题的描述:首先,从投掷硬币出现的结果来看:随手扔一个硬币,落下后的可能性应该有三种(不只是两种正面和反面):正面(1元字面)、反面(国徽或牡丹花面)、直立。据精确资料来源分析,其中直立的概率是10-10。这个概率意味着:假若全世界的人(设为50亿)都一起来扔硬币,每人扔两次,那么,其中只会有一个人将可能有一次机会扔出直立的硬币,由此可见其概率之小。绝对不是只出现正面和反面之分,直立的这种可能性也是存在的;从这个角度看,投掷1元硬币出现正面的概率是1/2显然是错误的,立着的硬币这种可能被忽略掉。正确的结果是:出现正面的频率接近于1/2,但也决不是1/2,已经被18世纪以来,一些统计学家(如蒲丰、皮尔逊等)所证实。

其次,硬币的构造来看,投掷硬币,如果正面出现的概率是1/2,反面是1/2,那么必须保证硬币两面质地均匀、重量均衡。有些专家学者经过精确测量分析,然而,鲜为人知的是:大多数硬币两面是不均匀的,及两面重量不一致,例如1元硬币,重量6.051元字的那面轻,图案那面重,两面重量误差大约4%,下落的过程中,除去其他空气动力学方面的因素,正面向上的概率应小于1/2,绝对不是1/2。然而,另人不解的是,很少有人注意到这个细节,人们常习惯于或者是约定束成的认为正面出现的概率就是1/2,例如足球比赛,人们常常用投掷硬币来确定谁先开球的问题,殊不知,这里隐约蕴涵着微小的不公平,选择正面的一方先开球的可能性相对低一些。所以硬币先天的“不足”造成投掷的出现正面1/2的不公平。如果我们再回过头来前面这道题,既然正面出现的1/2的前提错误,更不可能出现后面的结果。

第三,实际上,不断地抛一枚硬币,当它落到地上时,出现正、反面次数相同(既正面出现的概率是1/2)的概率是多少?很多人都会以为随着抛硬币次数的增加,正、反面出现次数相同的概率也在递增,但这个想法错了。恰恰相反,其概率随着抛硬币次数的增加在递减。抛2次时出现正反两面各1次的概率是50%,抛6次时出现正反两面各3次的概率是31.25%,抛10次时出现正反两面各5次的概率是24.61%,抛100次时出现正反两面各50次的概率只有大约8%(当然,随着抛的次数增加,正、反面出现的次数非常接近,就是难以做到完全相同,而且,实验次数越多,正、反面次数相同的概率越小)。这已经被18世纪以来,一些统计学家(如蒲丰、皮尔逊等)所实验的统计数据证实。这说明,面对一个貌似简单的概率问题时,我们如果随意估算,轻易下结论,可能与实际情况恰好南辕北辙。

第四,如果我们认定“投掷1元硬币,出现1元字面朝上的概率是1/2 这句话是正确的,那么我们必须只能采取定义的办法解决。定义:这们枚1元硬币是均匀的,投掷时正面朝上或反面朝上,投掷这枚硬币1元字面朝上的概率是。而我们前面的这道题,恰恰忽略了这一点,所以这道题,命题者是没有意识到。这道题,即使让我们的学生做这道题,也只能采取前面定义的方法;但作为我们数学老师,应该知道这个“1/2”的可疑性。

三、留给我们的思考:一个貌似常识的问题,往往很少有人质疑它的正确性;但科学最终会以不可辩驳的事实会论证一切。在我们的小学四年级语文课本上,多年出现了这样一段话:一位宇航员神采飞扬地说,我在宇宙飞船上,从天外观察我们的星球,用肉眼辨认出两个工程:一个是荷兰的围海大堤,另一个就是中国的万里长城!’”,后来经过专家考证计算和中国宇航员杨利伟在宇宙飞船上证实,专家指出,平均宽度仅10左右、狭窄而不规则的长城,在36公里的高度,就会从人们的视线中消失。而航天器的飞行高度是300400公里,在300公里高度,地面物体只有长宽都达到500才能在人眼中表现为一个点,从而被人看见。10宽的长城,显然不够标准。即使在最良好的天气条件,也是根本不可能看到万里长城,就是这个错误的论断,影响了几代中国的小学生。19697,美国阿波罗11号宇宙飞船实现了人类首次登月壮举。自称第一个踏上月球表面的阿姆斯特朗向全世界宣布:“这是我个人的一小步。却是人类的一大步全球数以亿计的人通过电视屏幕看到了这一激动人心的场面。 但是在美国,“美国人是否登上月球这一似乎已成定论的问题一直存在着争论, 所谓美国宇航员在月球上拍摄的照片和摄像记录,都是在好莱坞摄影棚中制造出来的赝品,使很多人怀疑登月的真实性,而且,依然健在的、70多岁的阿姆斯特朗拒绝对外界作出任何答复。这一争论还将持续下去,迟早有一天会有一个令人满意的结果。再一个著名的例子就是“冥王星”的例子,多年以来,人们一直认为:神秘的太阳系有九大行星,位居太阳系九大行星末席70多年的冥王星,自发现之日起地位就备受争议。经过天文学界多年的争论以及在捷克首都布拉格召开的国际天文学联合会大会上数天的争吵,2006824,冥王星终于被驱逐出了行星家族。太阳系行星只有8”——经过国际天文学联合会大会上2500名天文学家的集体表决,争议许久的行星定义昨天终于尘埃落定。质疑,需要的是勇气和严谨务实的科学精神。


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