Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Парадоксы в теории вероятностей и математической статистике
.pdf
13. ЕЩЕ НЕСКОЛЬКО ПАРАДОКСОВ 151
Следующая оценка A также является несмещенной, но имеет меньшую
дисперсию
n +1
A =
(4U + V ), где V =min(X
5n +4
1,X2
, ..., Xn).
Однако при проверке гипотезы θ = θ
(Лит.: Sethuraman J. «Conflicting criteria of «goodness» of statistics» Sankhya, 23,
187–190 (1961).)]
критерий, основанный на B,является
0
л) Парадокс минимаксной оценки
Понятие минимаксной оценки было введено в замечании (ii) к парадоксу I/12. Минимаксные оценки, как правило, согласуются со здравым
смыслом. Однако следующий пример X. Рубина показывает обратное. Ес-
ли функция потерь задается равенством L(p, c)=min(p − c)
2
2
p
;2,то
единственной минимаксной оценкой неизвестной вероятности p =0является оценка, тождественно равная 0. Поэтому для любой выборки неизвестный параметр следует оценивать нулем (значением, которое заранее
исключено из возможных значений параметра p).
2
Замечание. Для функции потерь L(p, c)=(p−c)
запишется в виде
∗
=
p
κ +
n +√n
n/2
,
минимаксная оценка
где n — объем выборки, κ — частота события с неизвестной вероятностью.
м) Парадокс Роббинса
Хорошо известно, что при наличии выборки из одного наблюдения X
«лучшей» оценкой параметра пуассоновского распределения является само X. (Это несмещенная оценка максимального правдоподобия с минимальной дисперсией.) Но как оценить параметры θ
, ..., θkдля k неза-
1,θ2
висимых пуассоновских распределений на основе соответствующих наблюдений X
, ..., Xk, если мы хотим, чтобы величина
1,X2
k
E
(θi− θi)
i=1
2
152 ГЛАВА II
была минимальной? Существует ли оценка лучшая, чемθt= Xi? X. Роббинс
первым указал на то, что, хотя k пуассоновских распределений независимы,
все же можно найти лучшие оценки, учитывающие не только «свои» наблюдения, но и другие. Если k велико и N(X) обозначает число наблюдений,
равных X , то, в силу результата Роббинса, оценкаθ
+1)N(X
) лучше, чемθi= Xi. Суть парадокса заключается в следующем:
i
=(Xi+1)N (Xi+
i
наблюдения, которые не связаны с оцениваемым параметром, могут влиять
на качество его оценки (сравните с парадоксом II/2 (ii)).
(Лит.: Robbins H. «An empirical Bayes’ approach to statistics», Proc. 3rd Berkeley.
Symp. on Math. Statist, and Prob., I, 157–164, 1956.)
н) Парадокс байесовской модели
Пусть плотность вероятности f
смесью двух положительных плотностей вероятности f
f
(x)=pf0(x)+(1−p) f1(x), где 0 p 1.
p
(x) случайной величины X является
p
(x) и f1(x):
0
Значение параметра p неизвестно, и при достаточно большом n мы надеемся
определить его с любой заданной точностью по независимым наблюдениям
X
задачи мы хотим воспользоваться теоремой Байеса: выберем число p
p
равна p
величины X (при наличии выборки X
p
, ..., Xn(распределения величин Xiи X совпадают). Для решения
1,X2
0
< 1, и предположим, что априорная плотность вероятности величины X
0
(x)+(1−p0) f1(x).Тогдаапостериорная плотность вероятности
0f0
, ..., Xn) запишется в виде
1,X2
(x)+(1−pn) f1(x),где
nf0
n
p
n
1 − p
p
0
=
1 − p
n
f0(Xi)
f1(Xi)
0
i=1
.
, 0 <
Используя элементы выборки, действительно можно найти значение параметра p с любой заданной точностью, если
lim
n→∞
p
n
1 − p
p
=
n
(с вероятностью 1).
1 − p
Однако это равенство не всегда выполнено. Например, если математиче-
f0(X)
ское ожидание величины log
равно 0, то, по теореме Чжуна– Фукса,
f1(X)
(сравните с III/7)
13. ЕЩЕ НЕСКОЛЬКО ПАРАДОКСОВ 153
sup
lim
n→∞
следовательно, lim
1 − p
будет, если вместо (p
p
n
1 − p
p
n
, 1 − p0)взятьаприорное распределение, имеющее
0
= ∞ и lim
n
вэтомслучаедаженесуществует.Парадоксане
n
n→∞
inf
p
n
1 − p
n
=0,
плотность вероятности, положительную на всем интервале 0 <p<1.
Такая модель лучше, потому что в ней истинная плотность f
учитывается
p
с положительной плотностью.
(Лит.: Berk R. H. «Limiting behavior of the posterior distributions when the model is
incorrect», Annals of Math. Statist., 37, 51–58 (1966).)
о) Парадокс доверительных интервалов
Пусть X
1,X2,X3
,... — нормально распределенные случайные величины с общим математическим ожиданием m и единичной дисперсией,
ичерезS
обозначим следующую сумму:
n
= X1+ X2+ ...+ Xn.
S
n
Вероятность того, что для любого фиксированного n
S
n
− 2√n
n
<m<
S
n
+2√n
n
приблизительно равна 95%, и в то же время вероятность того, что эти
неравенства выполнены для всех n, равна 0. Последняя вероятность остается
нулевой, если даже заменить 2 на как угодно большое число. (См. Robbins H.
«Statistical methods related to the law of the iterated logarithm», Annals of Math.
Statist., 41, 1397–1409 (1970).)
п) Парадокс проверки независимости; являются ли эффективные ле-
карства эффективными?
Ниже приведены три таблицы, в которых показано действие некоторого лекарства только на мужчин, только на женщин и, наконец, на больных
обоего пола (объединенные результаты). Из таблиц видно, что после приема лекарства доля выздоровевших больше как среди мужчин, так и среди
154 ГЛАВА II
Рис. 11
женщин. (Существенность различий может быть обоснована статистически с помощью критериев независимости.) С другой стороны, как это ни
странно, из таблицы с объединенными результатами следует, что доля выздоровевших больше среди тех людей, которые лекарство не принимали.
Следовательно, лекарство, показавшее свою эффективность как среди мужчин, так и среди женщин, дало отрицательный результат для смешанной
группы мужчин и женщин. Аналогично, новое лекарство может оказаться эффективным в каждом из десяти различных госпиталей, но объеди-
13. ЕЩЕ НЕСКОЛЬКО ПАРАДОКСОВ 155
нение результатов укажет на то, что это лекарство либо бесполезно, либо вредно.
(Лит.: Pflug G. «Paradoxien der Wahrscheinlichkeitstrechnung», in: Stochastik im Schu-
lunterricht, Wein, Teubner, 155–163 1981.)
р) Парадокс компьютерной статистики
Начиная с 50-х годов, в связи с появлением компьютеров, лицо статистики изменилось. Раньше отсутствие компьютеров вынуждало ученых
использовать слишком упрощенные модели, даже если эти модели были
нереалистичными. Однако за последние тридцать лет любое статистическое решение, которое можно просчитать на компьютере за сравнительно
небольшой период времени, стало «доступным». Таким образом, «устойчивые» («робастные») и многомерные методы с огромным числом операций
вошли в повседневную статистическую практику. В это же время статистика, по крайней мере частично, стала эмпирической наукой: за несколько минут компьютеры могут порождать миллионы данных, и, используя их, можно «проверять» новейшие методы. Многие «эмпирические теоремы» вошли
в практику без достаточных теоретических обоснований. С другой стороны, теория робастных статистик (см., например, Huber P.J. Robust Statistics,
Wiley, New York, 1981. [Имеется перевод: Хьюбер П. Робастность в статистике. — М.: Мир, 1984.]) дает теоретическое обоснование для многих
эмпирических «хитрых трюков», используемых в статистической практике.
О противоречиях и парадоксах нового периода можно прочитать в приведенных ниже статьях.
(Лит.: Efron В. «Bootstrap methods: another look at the jackknife», Annals of Statist.,
6, 1–26 (1979).
Efron B. «Computers and the theory of statistics: Thinking the unthinkable», SIAM
Review, 1979 Okt.
Hampel F. R. «Robust estimation: A condensed partial survey», Zeitsch, Wahrsch,
theorie vrw. Geb., 27, 87–104 (1973).
Miller R.G. «The jackknife — a review», Biometrika, 61, 1–15 (1974).
Tukey J. W. «The future of data analysis», Annals of Math. Statist., 33,1–67
(1962).
ГЛАВА III
Парадоксы случайных процессов
Как же случилось то, что стеченье материи дало
Землю и своды небес, а также и моря глубины,
Солнца пути и луны, — разъясню я теперь по порядку
Первоначала вещей, разумеется, вовсе невольно
Все остроумно в таком разместилися стройном порядке
И о движеньях своих не условились раньше, конечно.
Если ж начала вещей во множестве, многоразлично
От бесконечных времен постоянным толчкам подвергаясь
Тяжестью также своей гнетомые, носятся вечно,
Всячески между собой сочетаясь и все испытуя,
Что только могут они породить из своих столкновений, —
То и случается тут, что они в этом странствии вечном,
Всякие виды пройдя сочетаний и разных движений,
Сходятся так, наконец, что взаимная их совокупность
Часто великих вещей собой образует зачатки:
Моря, земли и небес, и племени тварей живущих.
Лукреций, О природе вещей, кн. V, с. 416–431
Первые значительные результаты в теории случайных процессов или
стохастических процессов, если воспользоваться словом греческого происхождения, появились лишь в прошлом веке. Благодаря успехам, достигнутым в классической механике, в XVII и XVIII веках главным образом
изучались детерминистические процессы. В это же время в науке развился
«механистический детерминизм», согласно которому случайность считалась чем-то несущественным и из основных наук ее следовало по возможности исключить. Однако со второй половины прошлого века математические исследования по случайным процессам получают все большее распространение в фундаментальных областях науки, в частности, в различных
1
Лукреций Кар. О природе вещей. Перевод с лат. Ф. А. Петровского. — М: Гос. изд. «Ху-
дожественная литература», 1937.
1
1. ПАРАДОКС ВЕТВЯЩИХСЯ ПРОЦЕССОВ 157
разделах физики: статистической физике, квантовой физике XX века, где
случайные процессы играют главную роль. С углублением научного знания все очевиднее становилась необходимость в изучении стохастических
процессов.
1. Парадокс ветвящихся процессов
а) История парадокса
В первой половине прошлого века было замечено следующее интересное явление: некоторые знаменитые аристократические и простые фамилии постепенно исчезали. Эту проблему с математической точки зрения
изучали И. Ж. Бьенеме в 1845 г. и де Кондолье в 1873 г. В 1874 г. Галь-
тон и Ватсон опубликовали важнейшую статью, посвященную этому вопросу. Ветвящиеся цепочки фамилий стали первым примером случайного
ветвящегося процесса. Процессы такого типа появляются в химии, физике
и некоторых других областях. Например, процесс деления ядер, или цепная
реакция, в ядерной физике хорошо моделируется случайными процессами.
Поколения нейтронов сменяют друг друга чаще, чем поколения людей, однако в обоих случаях главный вопрос остается одним и тем же: при каких
условиях процесс затухнет (фамилия исчезнет) или разовьется до бесконечности (бомба взорвется). Понятие ветвящегося процесса введено в 1947 г.
А. Н.Колмогоровым и Я. А. Дмитриевым.
б) Парадокс
Пусть с вероятностями p
0,p1,p2
,... взрослый мужчина имеет 0, 1,
2,. . . сыновей. Вычислим вероятность q того, что спустя несколько поколений потомков мужского пола не останется (фамилия исчезнет). Производящая функция вероятностного распределения p
0,p1,p2
,... определяется
формулой
∞
g(z)=
pkzk,
k=0
где |z| 1. Обозначим аналогичную производящую функцию n-го поколения через g
(z) (g1(z)=g(z).) Легко видеть, что g
n
(z)=ggn(z),т.е.
n+1
эта производящая функция может быть получена путем последовательных
итераций функции g(x). Вероятность исчезновения всех потомков мужского
158 ГЛАВА III
пола в n-м поколении равна qn= gn(0). Поскольку последовательность q
монотонно возрастает, предел lim qn= q существует, поэтому из равен-
ства q
= g(qn) следует, что q = g(q). Таким образом, вероятность q
n+1
находится из этого уравнения. Поскольку q =1является решением этого
уравнения, Ватсон (ошибочно) предположил, что вероятность вырождения
всегда равна 1 и, следовательно, неизбежна. Хотя результат Ватсона совершенно невероятен, лишь в 20-е годы нашего века Р. Фи ше р , Дж. Халдейн,
Дж. Стеффенсен и другие показали, что уравнение имеет и другой корень,
который меньше 1, при условии, что среднее число сыновей
m =
kp
k
k
больше 1. В этом случае истинную вероятность вырождения дает меньший корень. С другой стороны, неудивительно, что, когда m меньше 1,
вероятность вырождения равна 1. Парадокс может возникнуть лишь в случае m =1. Если предположить, что у каждого мужчины в среднем по
одному сыну (m =1), то вероятность вырождения все же останется равной 1 (за исключением частного случая p
=1). Следовательно, несмотря
1
на то, что среднее число потомков мужского пола во всех поколениях одинаково (всегда равно 1), вырождение неизбежно (точнее, оно происходит
с вероятностью 1), хотя можно показать, что среднее время до момента
вырождения бесконечно.
в) Объяснение парадокса
n
Равенства
q = lim
qn=1 и m =1
n→∞
друг другу не противоречат. Первое соотношение означает, что вероятность
рождения мальчиков в n-м поколении близка к 0, но если они все-таки
есть, то их число может быть большим, поэтому среднее значение может
равняться 1.
г) Замечания
Модель Гальтона –Ватсона обычно используется в случае, когда
k−1
= ab
p
k
жительные числа и a меньше, чем 1−b.Тогдаg
(k =1, 2,...) и p0=1− p1− p2− ...,гдеa и b —поло-
(z) есть просто отношение
n
2. МАРКОВСКИЕ ЦЕПИ И ФИЗИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС 159
линейных функций. В 1931 г. А. Лотка посчитал значения для a, b и p0,относящиеся к США. Он получил, что a =0,2126, b =0,5893 и p
=0,4825,
0
поэтому вероятность исчезновения мужской линии равна q =0,819.Кра-
сивые старые фамилии постепенно исчезают, и их место занимают более
заурядные, например, Смит и т. д. Использование комбинаций из двух или
трех фамилий не всегда позволяет избежать совпадения фамилий, иногда
даже в одном учреждении. Предлагаемый ниже порядок присваивания фамилий представляется необычным, но разумным и не зависящим от пола.
Каждый ребенок наследует две фамилии, одну от матери и другую от отца.
Поскольку у каждого из родителей тоже по две фамилии, в качестве фамилий для ребенка можно взять более редкие (или более привлекательные).
Кроме таких двойных фамилий у людей также будут и имена. При таком
порядке мир фамилий стал бы более красочным и индивидуальным.
д) Литература
Bienaym´e I. J. «De la loi de multiplication et la duree des families», Soc. Philomath,
Paris, 37–39, (1845).
Harris T.E. The Theory of Branching Processes, Springer, Berlin-G¨ottingen-Heildelberg, 1963. [Имеется перевод: Харрис Т. Теория ветвящихся случайных процессов. —
М.: Мир, 1966.]
Jagers P. Branching Processes with Biological Applications, London, Wiley, 1975.
Lotka A. J. «The extinction of families I–II», J. Wash. Acad. Set., 21, 377–380
and 453–549, (1931).
Schr¨odinger E. «Probability problems in nuclear chemistry», Proc. Roy. Irish Acad.,
51, (1945).
Watson H. W., Galton F. «On the probability of the extinction of families»,
J. Antropol., Inst. Great Britain and Ireland, 4, 138–144, (1874).
2. Марковские цепи и физический парадокс
а) История парадокса
Понятие марковской цепи принадлежит русскому математику А. А. Маркову, чьи первые статьи поэтому вопросу были опубликованы в1906–1908 гг.
(см. список литературы ниже). Марков использовал новое понятие для
статистического анализа распределения букв в знаменитой поэме Пушкина «Евгений Онегин». «Цепь Маркова» (это название было предложено А. Я. Хинчиным) — важнейшее математическое понятие, возникшее (по
160 ГЛАВА III
крайней мере частично) при решении лингвистических проблем. Последовательность (цепь) дискретных случайных величин X
1,X2
, ..., Xt,...
образует цепь Маркова (по определению), если для любого момента времени t «поведение» последовательности в будущем (после t) зависит от
ее «поведения» в прошлом (до t) лишь через значение величины X
,т.е.
t
равенство
P (X
справедливо для всех возможных значений i
t+1
= i
t+1|Xt
= it,X
t−1
= i
t−1
,...)=P(X
,... случайных величин,
t+1,it
t+1
= i
t+1|Xt
= it)
иными словами, для всех возможных состояний цепи. Последовательности такого типа появляются во многих областях, например в классической
физике, где будущее развитие системы полностью определяется ее настоящим состоянием (например, мгновенной скоростью и местонахождением)
и не зависит от того, как система оказалась в настоящем состоянии. Если
} — цепь Маркова и условные вероятности P (X
{X
t
t+1
= i
t+1|Xt
= it),
вероятности перехода,независятотt, то цепь Маркова называется од-
нородной. Совокупность вероятностей перехода однородной цепи Маркова
можно записать в виде матрицы A =(p
p
= P(X
ij
Тогда для n-кратной степени матрицы переходных вероятностей имеем
n
=p
A
(n)
ij
,гдеp
(n)
ij
= P (X
t+n
),где
ij
= j |Xt= i).
t+1
= j |Xt= i). Это соотношение дает
возможность использовать в теории марковских цепей факты из теории
матриц. В наши дни цепи Маркова (и их обобщение на случай непрерывного времени и непрерывного фазового пространства — марковские процессы)
играют в естественных и технических науках намного большую роль, чем
в лингвистике, где они первоначально применялись.
Проблема обратимости-необратимости — это интересный парадокс
классической механики и термодинамики, и марковские цепи являются
эффективным средством его анализа. Суть проблемы заключается в том,
что законы классической механики обратимы и поэтому не могут объяснить, почему кусок сахара растворяется в чашке кофе, но мы никогда не
наблюдаем обратный процесс. Необратимость нашего мира отражает второй закон термодинамики (впервые сформулированный Л. С. Карно). (Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии.) Спустя сорок
лет Р. К ла у зи у с ввел математическое понятие энтропии, ставшее основным
в теории необратимых процессов. (Согласно Клаузиусу [Memoir read at the
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]