利用馬可夫鏈計算擲幣事件發生的機率

本文的閱讀等級:中級

美國康乃爾大學心理系教授 Thomas Gilovich 每年都會在他的統計學課堂中安排一個實驗[1]。他要求每位學生各自寫下一組心中模擬投擲一枚公正硬幣20次所產生的隨機序列,分別以 O 和 X 代表正面和反面。但是,其中一位學生則被指派實際投擲一枚硬幣20次,也寫下他的實驗結果。Gilovich 在實驗進行前走出教室,等他返回教室後,他將接受一項挑戰:檢視所有學生繳交的實驗記錄,然後判斷其中哪一張紙記載了實際擲幣產生的序列。Gilovich 總是能令學生們驚訝不已,他無一次例外地揀選出真實的擲幣序列。究竟這是怎麼做到的?Gilovich 既沒有暗藏機關也不具特異能力,他掌握的技能不過就是“資訊不對稱”。身為心理學教授,他知道絕大多數人──包括教室中的學生──總是低估了出現連續正面或反面的機率。真實的擲幣結果幾乎都是那張記錄著最長的連續正面或反面的序列,例如:

OXXXXXOXOOXOOXOOXOOX,

而學生們想像出來的擲幣序列則經常如下:

XXOXOOOXOOXOXXOOXXOO。

本文的主題即在破解 Gilovich 教授的戲法:釐清投擲一枚公正硬幣 n 次,出現至少連續 m 次正面的機率有多大。

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費布納西數列的表達式

本文的閱讀等級:初級

公元十三世紀義大利數學家 Leonardo Pisano Bigollo (1170-1250),又名 Leonardo Fibonacci,在研究兔群生長的問題時發明了一種無窮數列:第0項為0,第1項為1,以後的各項等於之前兩項之和。後人稱它為費布納西數列,下面列出最初幾項:

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144,…

費布納西數列和許多自然界現象的數學結構有密切關係。大多數植物的花瓣數目都屬於費布納西數(費布納西數列的各項)。大型向日葵頭上的小花(floret)排列成兩組交錯螺線,一組順時針旋轉,另一組逆時針旋轉。兩組螺線確切的數目由品種決定,但通常是兩相鄰的費布納西數[1],譬如,34與55,或55與89[維基百科圖例]。不僅如此,兩相鄰費布納西數的比趨於黃金比例:

\displaystyle\phi=\frac{1+\sqrt{5}}{2}\approx 1.6180339887\ldots

例如,55/34=1.6176470588…,89/55=1.6181818181…。西方人著迷黃金比例已有超過二千年的歷史[2],費布納西數列與黃金比例的特殊關係更因此讓它蒙上一層神秘色彩。由於上述種種原因,費布納西數列經常出現於大眾文化中,如電影、文學、視覺藝術,甚至音樂[3]。本文要討論的是一個單純的數學問題:如何推導費布納西數列的一般表達式?

Leonardo Fibonacci From http://www.fibonacci.name/images/Fibonacci.jpeg

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Legendre 多項式

本文的閱讀等級:中級

廣義化或稱一般化,是指將概念的定義予以修改或擴充使其適用於更大的範圍。廣義化是擴展數學理論與應用最常使用的方法之一,線性代數也有許多廣義化的斧鑿痕跡,函數空間(function space)即是一個明顯的例子。函數空間既是向量空間也是內積空間,因此內積空間的性質與運算同樣適用於函數空間(見“從幾何向量空間到函數空間”)。本文運用 Gram-Schmidt 正交化程序推導實多項式空間的一組正交基底──Legendre 多項式,給出一遞歸生成公式,並討論 Legendre 多項式在函數近似的應用。

Adrien-Marie Legendre (1752-1833) From http://images.math.cnrs.fr/local/cache-vignettes/L272xH300/arton948-3205c.jpg

Louis Legendre (1752-1797) From http://scienceworld.wolfram.com/biography/pics/Legendre.jpg

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每週問題 February 20, 2012

本週問題是計算一均勻填滿的行列式。

Pow-Feb-20-12

網友延伸寸提供的做法(見迴響)也一併放入參考解答。

PowSol-Feb-20-12

 

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正交投影矩陣的性質與界定

本文的閱讀等級:中級

正交投影是一個威力強大的變換工具,它最主要的用途在於有效地分解向量空間。我們曾經在“正交投影──威力強大的代數工具”介紹正交投影矩陣的計算方法,並且利用正交投影解決了最小平方近似問題(見“從線性變換解釋最小平方近似”)。本文欲進一步探討正交投影矩陣的性質和界定條件,並討論兩個正交子空間的正交投影矩陣關係。

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每週問題 February 13, 2012

本週問題是從給定映射關係 H\mathbf{x}=\mathbf{y} 來計算 Householder 矩陣。

Pow-Feb-13-12

參考解答

PowSol-Feb-13-12

 

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答levinc417──關於約束二次型極值

網友levinc417留言:

\mathbf{a}^T\mathbf{b}\mathbb{R}^n 中標準內積,且 \Vert\mathbf{a}\Vert^2=\mathbf{a}^T\mathbf{a}S=\{\mathbf{a}\in\mathbb{R}^n\vert\Vert\mathbf{a}\Vert=1\}。令 An\times n 實方陣,且考慮 f(\mathbf{x})=\mathbf{x}^TA\mathbf{x}\mathbf{x}\in S。假設 \mathbf{a}\in S,存在一正數 \delta > 0,使得 f(\mathbf{a})\geq f(\mathbf{x}),對所有 \mathbf{x}\in S 滿足 \Vert\mathbf{x}-\mathbf{a}\Vert < \delta。那麼我們可以說:f(\mathbf{a})\geq f(\mathbf{x}) 對所有 \mathbf{x}\in S 成立嗎? Prove or disprove it.

找到一個反例:

A=\begin{bmatrix}  1 & 0 & 0\\  0 & 0 & 0\\  0& 0 & 0  \end{bmatrix}

\mathbf{x}=\begin{bmatrix}  1\\  0\\  0  \end{bmatrix},~\mathbf{a}=\begin{bmatrix}  1/\sqrt{3}\\  \sqrt{2}/\sqrt{3}\\  0\end{bmatrix}

這樣可以嗎? 有誤解題目意思嗎?

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每週問題 February 6, 2012

這是線性變換表示矩陣問題,並運用此表示矩陣計算值域與核的基底。

Pow-Feb-6-12

參考解答

PowSol-Feb-6-12

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每週問題 January 30, 2012

這是從兩矩陣秩之和判斷其零空間關係的問題。

Pow-Jan-30-12

參考解答

PowSol-Jan-30-12

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每週問題 January 23, 2012

已知 AB 的矩陣秩,問 \mathrm{rank}(AB) 的範圍?

Pow-Jan-23-12

參考解答

PowSol-Jan-23-12

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