Вероятности и неприятности. Математика повседневной жизни

В связи с рассуждениями о вероятности пересечения множества событий может возникнуть интересный и непростой вопрос. Если вероятность определена как мера, то она должна обладать свойством аддитивности. Иначе говоря, мера целого должна быть суммой мер его частей. Но мы рассмотрели вероятность успеха для некого дела со множеством этапов и увидели другую картину: вероятность целого оказалась равна произведению вероятностей для его частей, а не сумме. Это соответствует свойству мультипликативности. Так аддитивна вероятность или мультипликативна? Тут следует различать вероятностное пространство, на котором вероятность играет роль аддитивной меры и в котором сложение целого из частей выполняется с помощью операции объединения событий, и фазовое пространство некоторой системы, содержащее все возможные ее состояния. Фазовое пространство измеримо, но вероятность мерой в нем не является. Чтобы произошло событие, соответствующее попаданию системы в заданное состояние, все ее составные части должны одновременно попасть в свои конкретные состояния — тогда возникнет пересечение соответствующих событий. Таким образом, вероятности этих событий перемножаются. Однако превратить вероятность в «нормальную» аддитивную меру на фазовом пространстве можно и нужно. Мы совершим это превращение, когда будем говорить об энтропии систем и распределений случайных величин в главе 9.

Счастье — это найти друзей с тем же диагнозом, что и у тебя

А можно ли вообще ставить вопрос о соответствии какой-то норме, не пытаемся ли мы при этом оценивать и сравнивать? Вы спросите: что же в этом плохого? Мы все время кого-нибудь с кем-нибудь сравниваем, чаще всего себя с другими, но иногда позволяем себе оценить и кого-нибудь еще. Однако с точки зрения математики все не так просто. Чтобы сравнивать что-либо с чем-либо, нужно правильно определить отношение порядка или ввести метрику.

Определить отношение порядка — значит обозначить, что один элемент некоего множества в каком-то смысле предшествует другому. Этому мы научились еще в школе: 2 меньше 20, слон слабее кита, уговор дороже денег и т. п. Но вот вам ряд вопросов. Что идет раньше — понедельник или вторник? А воскресенье или понедельник? А какое воскресенье — то, что перед понедельником, или то, которое после субботы? А какое комплексное число больше: 2 + 3i или 3 + 2i? Мы можем назвать по порядку цвета радуги и даже ассоциировать все промежуточные цвета с вещественным числом — частотой света. Но кроме этих цветов существует множество неспектральных. Они образуют хорошо знакомое типографам и дизайнерам цветовое пространство, в котором каждый цвет имеет три «координаты». Так можно ли все видимые глазом цвета выстроить по порядку?

Эти примеры показывают, что с отношением порядка бывают трудности. Например, для отношения «один день недели наступает после другого» не работает свойство транзитивности (из того, что воскресенье наступает позже четверга, а четверг — позже понедельника, не следует, что воскресенье всегда наступает позже понедельника), так же как не транзитивно отношение «сильнее» в игре «камень-ножницы-бумага». Попытка ввести понятие больше / меньше на поле комплексных чисел не согласуется с арифметикой этих чисел, а цвета, которые можно параметризовать тремя «координатами» (тон, насыщенность, яркость), обладают обоими этими недостатками: и отсутствием транзитивности для тона — своеобразной «угловой» характеристики цвета, которая зациклена подобно дням недели; и существенной многомерностью. Даже на привычном нам множестве рациональных чисел отношение порядка хоть и определено, но не дает возможности указать наименьшее или наибольшее число на каком-либо открытом интервале.

Итак, мы видим, что отношение порядка вовсе не так просто, как мы привыкли думать, а главное — не универсально. Но мы все-таки можем сравнивать людей, книги, блюда, языки программирования и прочие объекты, имеющие множество параметров, пусть даже условно формализуемых? Можем, используя вместо сравнения другую концепцию — степень подобия объектов между собой, или метрику. Фильмы про Индиану Джонса ближе к «Пиратам Карибского моря», чем к комедиям Вуди Аллена или документалистике. Русский язык ближе к польскому, чем к немецкому, и совсем не похож на суахили. Числа 2+3i или 3+2i ближе друг к другу, чем к числу 100. Если мера обобщает размеры (длину, объем и т. д.), то метрика, введенная в математику Морисом Фреше в 1906 году, — это обобщение понятия «расстояние». Вот ее определение.

Пусть имеется произвольное множество X. Метрика — функция ρ, сопоставляющая любым двум элементам x и y множества вещественное число ρ(x,y) и при этом удовлетворяющая таким условиям:

1) ρ(x,y) = 0 тогда и только тогда, когда x = y (аксиома тождества: расстояние между точками равно нулю, если эти точки совпадают);