Adam Płocki
PRAWDOPODOBIEŃSTWO WOKÓŁ NAS
rachunek
prawdopodobieństwa w zadaniach i problemach
Od autora
Rachunek prawdopodobieństwa, zwany probabilistyką, kojarzy się
na ogół każdemu z hazardem, zabawą, wróżbami i rozrywką, a więc
sprawami mało w życiu ważnymi. Trudno ukryć fakt, że
spore zasługi w rozwoju tej dziedziny matematyki miały
raczej próżne warstwy społeczeństwa szukające rozrywki w hazardzie.
Powszechnie sądzi się, że rachunek
prawdopodobieństwa daje recepty na wygrywanie w totolotku.
Uczniom, maturzystom i kandydatom na studia rachunek ten
kojarzy się (nienajlepiej!) z dziwnymi zadaniami na
obliczanie prawdopodobieństw, że ileś tam osób siądzie tak
a nie inaczej wokół okrągłego stołu, że niepiśmienne
dziecko ułoży z klocków z literami słowo "matematyka", że
myśliwy mający 3 naboje ustrzeli zwierzynę (która nic,
tylko na to czeka!), że na półce leżą obok siebie dwa
tomy Szekspira. Tego typu zadania kształtują od lat bardzo
skrzywiony obraz tego, czym jest rachunek
prawdopodobieństwa, co jest przedmiotem jego badań i jaki
jest zakres jego zastosowań.
Wspomniane zadania o strzelcach, dzieciach, czy okrągłym
stole nie dają odpowiedzi na pytania:
Celem tej książki jest próba zburzenia pewnych stereotypów,
gdy chodzi o treści i formę zadań probabilistycznych. Autor
próbuje sugerować odpowiedzi na pytanie: komu, w jakich sytuacjach
i do czego może być potrzebna znajomość prawdopodobieństwa takiego lub
innego zdarzenia.
Większość zadań w tej książce dotyczy sytuacji i problemów
pozamatematycznych. Niektóre zadania nie są więc w ogóle
zadaniami matematycznymi. Ale ich rozwiązywanie rozpoczyna
się od przekładu pozamatematycznego problemu na język
matematyki, a więc od sformułowania sensownego zadania
matematycznego. W ten sposób Czytelnik może się czuć
autorem wielu zadań z rachunku prawdopodobieństwa, jeśli tylko
zechce podjąć się trudu rozstrzygania zaproponowanych w tej
książce konkretnych problemów.
W owych zadaniach chodzi m.in. o następujące zagadnienia
dotyczące świata, który wokół nas:
W wielu przypadkach dane empiryczne ujawniają zaskakujące
nas fakty. Próba ich wyjaśnienia na gruncie matematyki
sprowadza się do sformułowania i rozwiązania pewnego
zadania matematycznego. W tych zadaniach probabilistycznych
zainspirowanych danymi empirycznymi (danymi statystycznymi)
chodzi o organizację pewnej refleksji a posteriori.
Spora część zadań dotyczy gier, a nawet organizacji
hazardu. Wynika to z natury rachunku prawdopodobieństwa, z
charakteru źródeł jego pojęć i metod. Sam
hazard nie zawsze i nie wyłącznie musi się kojarzyć z czymś
zdrożnym. Wystarczy tu wspomnieć, ile dobroczynnych akcji
firmuje i wspiera totolotek, nie mówiąc o podatkach, które
do skarbu państwa wpłacają salony gier. Nas
głównie interesuje matematyka, która na tle gier się
pojawia. Gra strategiczno-losowa dobrze ukazuje ponadto
istotę procesu podejmowania decyzji, a więc również istotę
racjonalizacji wielu ludzkich zachowań.
W książce zebrano sporo zadań, których rozwiązanie
zaskakuje i zadziwia, odbiega bowiem w istotny sposób od
tego, co nam się wydaje, czyli co wcześniej podsuwała intuicja, nasz
tzw. zdrowy
rozsądek. Świat przypadku jest bogaty w tego typu
paradoksy. Te zadania probabilistyczne niespodzianki
uświadamiają nam, jak błędne wnioski dotyczące
prawdopodobieństwa, formułujemy, czyniąc to pośpiesznie,
bez głębszego zastanowienia. Warto zadumać się nad tego
typu zadaniami (zebrano je m.in. w rozdziale 9).
Formułowane w zadaniach problemy dotyczą na ogół rzutów
konkretną monetą, rzutów kostką do gry, rozdawania kart w
bridżu, losowania numerów totolotka za pomocą specjalnej
maszyny losującej, losowania liczby za pomocą rulety,
losowania za pomocą zapałek,
losowania różnych figur za pomocą kół fortuny, czy
automatów do gry typu jednoręki bandyta. Te fizyczne,
a więc realne doświadczenia, o wyniku których decyduje
przypadek, zwane doświadczeniami losowymi, nie są (bo
być nie mogą!) obiektami matematycznymi.
Rachunek prawdopodobieństwa jako dziedzina matematyki
zajmuje się rzutem symetryczną monetą, rzutem sześcianem, a
więc wyidealizowanymi doświadczeniami, dającymi się realizować
jedynie w teorii. Dla każdego doświadczenia losowego
będziemy określać odpowiadające mu wyidealizowane, a więc
teoretyczne doświadczenie. Rozwiązywanie każdego zadania z
rachunku prawdopodobieństwa od tego się zaczyna. Relacje
między światem rzeczywistym (o którym mowa w problematyce zadań)
a światem probabilistyki, a więc światem
matematycznej abstrakcji (w którym to świecie rozwiązuje
się probabilistyczne zadania) będą omówione szerzej w § 1.8
i w rozdziale 2.
Przedmiotem rachunku prawdopodobieństwa nie jest obliczanie
(nie wiadomo po co!) prawdopodobieństwa różnych zdarzeń,
ale konstruowanie i badanie tzw. przestrzeni probabilistycznych
(wielkość prawdopodobieństwa zdarzenia jest pewną własnością takiej
przestrzeni). W tej pracy przestrzenie probabilistyczne są opisem owych
wyidealizowanych doświadczeń typu: rzut symetryczną monetą,
czy rzut idealną kostką ale są zarazem modelami doświadczeń losowych. Te
przestrzenie nazywamy więc modelami probabilistycznymi.
Rachunek prawdopodobieństwa jako teoria matematyczna zajmuje się
tworzeniem owych przestrzeni probabilistycznych niezależnie
od empirycznych obiektów, dla których one
powstają. W tej pracy konstrukcja przestrzeni probabilistycznej jest
konstrukcją modelu probabilistycznego i
odnosi się zawsze do konkretnego doświadczenia losowego,
które pojawia się na tle jakiejś pozamatematycznej sytuacji
związanej z grą, z oceną pewnego ryzyka, z podejmowaniem decyzji w sytuacjach
ryzyka lub niepewności, z weryfikacją pewnych
hipotez itd. Tworzenie modelu probabilistycznego jest tu
więc jakby "szyciem garnituru na miarę" (zawsze dla
konkretnego obiektu spotkanego wokół nas). Temu "szyciu"
towarzyszy stałe czuwanie nad tym, aby "garnitur dobrze
leżał", aby "dobrze pasował". Chodzi o dobór rozmaitych
środków argumentacji, że ów model jest właściwy.
Książka jest zbiorem zadań adresowanych do uczniów i
absolwentów szkół średnich, ale także do studentów kolegiów
nauczycielskich, słuchaczy studiów podyplomowych kształcących nauczycieli
matematyki, studentów matematyki przygotowujących się do
zawodu nauczyciela oraz do nauczycieli. Różnice w
matematycznym przygotowaniu tych różnych adresatów nie są
tu istotne.
W aktualnych koncepcjach kształcenia w zakresie rachunku
prawdopodobieństwa (i to zarówno nauczycieli, studentów
różnych kierunków, jak i uczniów) brak jest etapu
propedeutycznego. Kształcenie w zakresie geometrii ma taki
etap wprowadzający. Jest nim kurs geometrii w szkole podstawowej.
Pojęcia i metody geometryczne ukazuje się w tym kursie w
ścisłym powiązaniu z realnym światem. Jest to etap
kształtowania intuicji geometrycznych, jako ważnego
elementu geometrycznej kultury człowieka. Zakres materiału
z rachunku prawdopodobieństwa, ale i forma jego prezentacji
(matematyka jako rozwiązywanie
problemów) zostały w tej książce tak dobrane, aby
wypełniała ona wspomnianą lukę w dotychczasowych podejściach
do kształcenia probabilistycznego na różnych etapach
matematycznego kształcenia.
Jednym z celów tego zbioru zadań jest próba pokazania, że
formułowanie, poszukiwanie rozwiązania i rozwiązywanie
zadań z rachunku prawdopodobieństwa może być szeroko pojętą
działalnością matematyczną, obejmującą oprócz rachunków i
dedukcji również takie aktywności, jak przekład
pozamatematycznego zagadnienia na język matematyki,
konstrukcja matematycznego schematu
(modelu) pewnego fragmentu rzeczywistości oraz
interpretacja rezultatów rachunków, a więc nie tylko
obliczanie prawdopodobieństwa, ale także formułowanie
sensownych wniosków, jakie dla praktyki wynikają z jego wielkości.
Zamierzeniem autora było ukazanie pewnej natury pojęć i
metod probabilistycznych oraz zakresu ich zastosowań, a
zarazem próba innego spojrzenia na problematykę i formę zadań z
rachunku prawdopodobieństwa. Czytelnik jest w tym ujęciu
probabilistyki odkrywcą jej pojęć, jej twierdzeń i jej
metodologii. Ta forma prezentacji rachunku
prawdopodobieństwa jako matematyki in statu nascendi,
matematyki w stadium tworzenia, matematyki odkrywanej w
trakcie rozwiązywania problemów i zadań, tłumaczy użycie zwrotów:
zauważ, oblicz, sprawdź, wykaż, zadumaj się.