也就是说,“如果每天都对期待值进行统计,那么长期来看,结果与实际情况是基本保持一致的”。这意味着“从长期的角度来看,期待值的合计结果与实际情况一致”。以上就是针对“期待值”含义的最直观的说明。
18-4 期待值可以作为使概率分布图保持平衡的支点
以下,针对如何理解期待值的图像进行说明。结论是,期待值可以作为使概率分布图保持平衡的支点。可以使用瓦楞纸板支等制成图表18-2所示的具体天气概率分布图的立体模型,类似两臂平伸姿势的挑担偶人玩具。此时,如果将表示期待值的点作为支点,左右两侧将保持平衡,模型整体会处于稳定状态。
图表18-2 期待值处为平衡支点
能够保持平衡的原因如下:
以m为支点,那么x处的旋转力(专业上称为力矩)为:
(纵轴的高度)×(x-m)
正向的旋转力为顺时针方向,负向的旋转力为逆时针方向。例如,在点1处,逆时针方向的旋转力为0.3×(1-m)。
图表18-3 挑担偶人上的旋转力
“挑担偶人保持平衡稳定的状态”,是指旋转力的和为0(正反两个方向都不受力)。因此,使以下等式成立的m,就是“平衡的支点”。
0.3×(1-m)+0.4×(2-m)+0.2×(3-m)+0.1×(4-m)=0
该式可转化为,
1×0.3+2×0.4+3×0.2+4×0.1=(0.3+0.4+0.2+0.1)m
在进行计算时,根据标准化条件得知,等号右边的括号中各项之和为1,而毫无疑问,等号左边为期待值,即:
(x的期待值)=m
也就是说,如果将期待值的数值作为支点m,就可以使两侧的旋转力之和为0,实现平衡。这一原理在所有的概率分布中都成立。
18-5 计算掷骰子和生女孩案例中的期待值
我们已经了解了期待值的概念和含义,下面来试着计算以下两个例子中的期待值,并用图来表示。
第一个例子,掷骰子的期待值。基本事件为:
{1,2,3,4,5,6}
概率为:
依据期待值的定义进行计算:
如果沿着“使挑担偶人保持平衡”的思路来思考,甚至不需要进行计算。如图表18-4所示,由于掷骰子的概率分布图是左右对称的,那么在挑担偶人模型中,平衡的支点必须为正中。因此,期待值为3.5。
图表18-4 掷骰子的期待值
下面,我们来回顾一下第4讲中关于“某对夫妇第二胎生女孩的概率”这一案例,来计算该例中的概率分布期待值。
在这个例子中,设定x=0.4、0.5、0.6时的概率分布为0.27、0.33、0.4。
由此可计算出期待值为:
(x的期待值)=0.4×0.27+0.5×0.33+0.6×0.4=0.513(见图表4-8)。
我们再思考一下关于该模型的问题:已经该夫妇的第一胎为女儿,那么,设定问题为“该夫妇生的第二胎依然是女孩的概率是0.4?0.5?还是0.6?”之后根据贝叶斯推理,计算出对于0.4、0.5、0.6的后验概率分别为0.27、0.33、0.4。这意味着,“第二胎依然是女孩”的概率为0.4的可能性是0.27,概率为0.5的可能性是0.33,为0.6的可能性是0.4。而这些数值作为“概率的概率”这样一种双重概率,也就是“关于概率的概率分布”。
图表18-5 某夫妇生的第二胎依然是女孩的概率的期待值
虽然我们已经知道了0.4、0.5、0.6这三种概率分别对应的可能性数值,但其实我们真正想要的是“该夫妇生的第二胎依然是女孩的概率究竟是多少”的答案。而对此进行估算时,期待值可以作为一个合适的指标。因为期待值是代表概率分布的数值。因此,根据图表18-5可以进行如下推算:
(第一胎生女孩的夫妇,第二胎依然是女孩的概率)=0.513