如何理解幾何分佈與指數分佈的無記憶性?

在經濟學上,有一個概念是沉沒成本,大概指的是已經付出的、且不可收回的成本。針對這個概念有一個常見的說法:

這句話的意思是,既然沉沒成本不可收回,那麼在做選擇的時候就不應該考慮它。舉一個簡單的例子,買票去看電影,放映10分鐘你就知道這是一部爛片,那麼有兩個選項(圖片出自沉沒成本謬誤):

此時這張電影票已經消費了,沒有辦法收回,購買電影票的錢就是沉沒成本。這個時候如果想離開電影院就直接離開,不要去考慮爲這張電影票付出的金錢。還有很多別的例子,這裏就不一一列舉了:

下面要介紹的幾何分佈、指數分佈的無記憶性,可以看作“沉沒成本不是成本”這句話的數學例子。

1 幾何分佈

1.1 幾何分佈的簡單介紹

扔硬幣是最簡單的隨機現象了:

扔 n 次硬幣,前面 n-1 次都是反面,第 n 次正好是正面:

這個隨機事件可以用隨機變量X來表示:

它的概率可以記作:

這樣的隨機事件 X 稱爲服從幾何分佈。

1.2 賭徒心理

有一個賭徒在賭大小,他一直在押“大”,可是臺上連續出了十把“小”,讓他輸了很多錢:

賭徒認爲,前面出了那麼多把“小”,再出“小”的可能性非常小了,他想把他的全部身家押“大”,搏一把翻本。當然,這完全是賭徒心理,最合理的做法是馬上抽身止損,下面看看數學是怎麼解釋的。

這是一個典型的幾何分佈,可以用隨機變量 X 來表示:

 

把分析需要的幾個事件分別列出來:

 

可以證明,“扔了十把'小'條件下,下一把出‘大’”的概率和“扔一把就出‘大’”完全一樣,即:

 

這就是所謂的幾何分佈無記憶性。也可以通俗地解釋爲,前面十把輸的錢是沉沒成本,完全不影響之後出“大”的概率。賭徒應該及時抽身止損,保住最後一點身家。

2 指數分佈

2.1 廁所問題

小明在自家小賣部苦苦等待第一位上門的客人,已經等待三個小時了:

小明想去上廁所,可是隻有憋着,因爲它想到等了這麼久了,客人上門的概率會隨着時間的推移而不斷提高,所以一定要等到客人之後再去上廁所。這種想法對嗎?

這也類似於幾何分佈,可以用隨機變量 X 來表示:

不過時間是連續的,所以這個分佈稱爲指數分佈。與幾何分佈大同小異,同樣具有無記憶性,前面等的三個小時是沉沒成本,不會影響之後的來客概率,該上廁所就去上廁所。

2.2 電器壽命

指數分佈也經常用於預測電器的壽命:

因爲指數分佈的無記憶性,同學們常常很困惑,爲什麼用指數分佈來表示電器的壽命。電器不是用的時間越長,壞的可能性越大嗎?

如果將電器考慮作理想的電器,器件不會老化。此時,電器的壽命是隨機的。內部彷佛每秒鐘都在扔硬幣,扔到了正面,電器就壞了。在這種情況下,我們認爲電器的壽命服從指數分佈。

現實中是不會有理想電器的,但是如果只考慮短時間內的電器壽命,那麼就可以將之視作理想電器,認爲它的壽命服從指數分佈。

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