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第六章:概率

Probability

“这个世界真正的逻辑在于概率微积分。” — James Clerk Maxwell

🎲

机会与可能性:用概率做更好的猜测

概率是当信息不完备时进行定量判断的语言。它描述在可重复的观测下,各种结果出现的相对频率。

定义(设想的重复试验):P(A) = N_A / N,其中 N_A 为最可能出现 A 的次数估计。

等可能 m 种结果:P(A)=1/m。例如:盲抽 52 张牌某一特定牌的概率为 1/52

📈波动:有限样本中的起伏

抛 30 次硬币,“最可能”是 15 次正面,但单次实验会围绕 15 出现波动;大量重复的分布由二项式给出:

P(k,n) = (n k) / 2^n

一般化:P(k,n) = (n k) p^k (1-p)^{n-k}(伯努利分布)。

样本标准偏差(正反等可能):(k - n/2)_\text{rms} \approx \sqrt{n}/2

🚶随机游走:无规则中的规律

一步前或后等可能,走 N 步后净位移 D 的均方期望:

⟨D^2⟩ = N, D_\text{rms} = \sqrt{N}

与二项分布等价:D = 2k - N。应用:布朗运动、误差叠加。

📊概率密度与正态分布

步长有波动、但均方有限时,N 大时终点位置的分布趋于高斯分布

p(x) = \dfrac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}} e^{-x^2/(2\sigma^2)}, \sigma = \sqrt{N}\,S_\text{rms}

气体分子速率分布(麦克斯韦分布)亦需概率密度描述,曲线下的面积对应“期望数目”。

⚛️不确定性原理:概率是微观世界的必需

[\Delta x]\,[\Delta v] \ge \dfrac{\hbar}{2m}

位置与速度的概率密度不能同时任意窄。电子在原子中用“概率云”刻画,而非确定轨道。

结论:概率并非权宜之计,而是对原子尺度自然规律的最精确表述方式。

核心要点

1️⃣

概率 = 设想的重复实验中的相对频率估计,依赖信息与等可能性。

2️⃣

二项分布描述“是/否”类实验的次数分布,波动随 \sqrt{n} 缩放。

3️⃣

随机游走的均方位移随步数线性增长,宏观扩散与微观误差皆然。

4️⃣

量子不确定性使概率成为微观描述的根本,而非无奈。