贝特朗悖论

贝特朗悖论(Bertrand paradox)是一个著名的概率学悖论。 通常表述为:在单位圆内“随机”取一条弦,问其长度超过圆内接等边三角形边长 的概率是多少?

由于自然语言中,对“随机”取弦方式可以有不同的理解,该问题存在多个看似合理的解法,可以得到多个不同的值(例如 )。 这个悖论的产生暴露了古典概率论中对于“等概率”或“随机”这一描述的模糊性,推动了概率论向公理化、严谨化的现代理论发展。

几种经典解法

问题的关键在于如何参数化描述圆内的弦,不同的参数化方法会导致不同的结果,因为不同参数化之间的变换无法保持所谓的“等概率”。

常见的几种解法如下:

  1. 第一种解法是基于这样的事实:在圆内任意给定一点(非圆心),有且仅有一条弦,使得该点为弦中点。因此,任意一个弦都与对应圆内的点一一对应。 满足要求的弦对应的点均在半径 的同心圆中,因此概率为

  2. 第二种解法基于弦的两个点的选择过程,根据旋转对称性,不妨固定第一个点,那么第二个点只能落在与第一个点相对的 圆弧上,才能保证弦长大于 ,因此概率

  3. 第三种解法则是根据旋转对称性,不妨先固定一个半径(或者直径也是一样的),考虑所有垂直于这个半径并且相交的弦,可以用弦和半径的交点进行参数化,显然只有靠近圆心的 部分的弦长大于 ,概率为

几种经典解法对应的参数化

之所以出现多个看似合理的解,是因为问题本身没有规定如何对弦进行参数化表示,并且恰好存在多个合理的参数化方案,对应不同的结果。也就是说,问题中的“随机”是存在歧义的,问题本身是不完整的。

Remark

这个悖论说的就是:双射是不保测度的,概率则是基于测度定义的,因此不能随意在不同的参数化方案之间进行转换。

前面几种经典解法对应的参数化方案如下:

  1. 第一种解法对应的参数化方案为:使用弦中点的平面直角坐标 标记对应的弦

  2. 第二种解法对应的参数化方案为:使用角度 标记弦的两个端点的位置

  3. 第三种解法对应的参数化方案为:使用弦中点的极坐标 标记对应的弦

贝特朗悖论的三种参数化

Remark

事实上,除了这些经典解法,我们还可以构造出其它无穷多种的结果,只要找到新的弦的参数化方案即可。