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物理學家名人故事:亨利·龐加萊1500字作文

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亨利·龐加萊(JulesHenriPoincaré)是法國數學家、天體力學家、數學物理學家、科學哲學家,1854年4月29日生於法國南錫,1912年7月17日卒於巴黎。龐加萊的研究涉及數論、代數學、幾何學、拓撲學、天體力學、數學物理、多複變函數論、科學哲學等許多領域。

物理學家名人故事:亨利·龐加萊1500字

提到龐加萊,可能人們最先想到的是著名的“龐加萊猜想”,不過這一小節我們聊聊龐加萊一段真實又有趣的故事,這個故事對於理解數理統計中假設檢驗這個模塊很有幫助。

我們買一些食品時,食品的重量多少會有些浮動,例如麪包包裝袋的重量標識可以這樣寫:

表示麪包的重量應該是1000g,但由於種種原因可能會有50g的誤差。龐加萊是個每天都會吃麪包的人,他也遇到了同樣的事,一個麪包師聲稱賣給龐加萊的麪包平均重量是1000g,上下浮動50g。這位麪包師每天都會賣個龐加萊一個麪包,面對這位忠實的顧客,他沒有絲毫的防備,按照自己的買賣方式每天賣個這位數學天才1個麪包,不過這位麪包師的噩夢也從此開始。

在龐加萊眼中,麪包應有重量1000g,上下浮動50g,用數學語言來表達就是:麪包的重量服從期望為1000g,標準差為50g的正態分佈。作為一個嚴謹的數學家,龐加萊每天都會將買來的麪包稱重,前9天的記錄數據(單位g)如下:98197296699210101008954952969

這組數據的期望(平均數)為x=978.2,儘管期望小於1000g,但也有50g的浮動,從感覺上儘管有些不爽但也難説有問題,不過對於身為數學家的龐加萊有8成的把握認定麪包師在製作過程中偷工減料。但此時證據難説確鑿,龐加萊決定按兵不動,繼續記錄了16天,累計25個數據如下:

25天的記錄數據的平均數為978.7g,略有增加,但此時龐加萊有95%的把握認定麪包師在製作過程中偷工減料。

龐加萊果斷舉報給質檢部門,當質檢員到來時,麪包師百般抵賴,聲稱自己做的麪包就是以1000g為基準做的,最多有上下50g的誤差,從龐加萊提供的數據中,全部符合他描述的規律,一時間質檢工作人員也無可奈何。但這位麪包師可能還不認識他的對手,一位精通假設檢驗的數學家,下面是龐加萊的證詞:

第一點.如果麪包師的説法的正確的,則每個麪包的質量X服從以1000g為期望,50g為方差的正態分佈

這點倒是沒什麼問題,好像25個麪包的每一個都服從這個規律。但是25個麪包的平均值也服從正態分佈,這就是重要的第二點。

第二點.25個麪包的平均數也服從正態分佈,期望依然是1000,不過方差卻改變了,計算公式如下:

也就是説25個麪包的平均重量服從以下正態分佈:

麪包師和質檢人員表示沒聽懂,這能説明什麼?龐加萊給出了通俗的解釋:一個麪包的重量波動的會大一點,多個麪包的平均重量的波動範圍就會小很多。就想你投擲骰子,投擲1次可能的點數是1到6中的任意一個,但是如果你投擲100次骰子,這100次總數的平均值基本就是3.5這個常數,不信您可以試試。麪包師和質檢員基本理解了這個道理,繼續聽龐加萊的第三點説明。

第三點.既然25個麪包總重量的均值服從期望為1000g,方差為10g的正態分佈,我們先看看正態分佈數據的分佈特點,如圖:

從上圖中可以看出,95.44%的數據落入以期望1000g為中心,2倍方差為浮動(即20g)的範圍裏,即[980,1020]。換句話説,如果麪包師嚴格按照1000g為基準,50g為浮動製作麪包,那麼25個麪包質量的平均值,將有95.44%的可能性落入[980,1020]這個範圍裏,相反低於980g或者高於1020g的概率還不到5%,所以麪包師一定故意偷工減料了。

聽過了龐加萊對假設檢驗的科普,質檢員對面包師做了處罰,麪包師也承認自己確實是以980g為基準做的麪包,並同意做出改正。