Transcript itt

MATEMATIKAI PARADOXONOK

KPSZTI 2011. NOV. 11.

A PARADOXON ÉRTELMEZÉSE • Önellentmondás: – hétköznapi: „Most hazudok.” (még jobb: „Most őszinte voltál?” – bár ez nem ellentmondás, csak eldönthetetlen) – halmazelméleti: katona borbély – Mérő László: „Eben a mondatban harom hiba van.” • Meghökkentő eredmény – Logikai: Minden krétai hazudik – mondja egy krétai.

– Infinitezimális: nyílvessző és a céltábla – Statisztikai/valószínűségi: ezekről lesz szó

10 paradoxon

1.

Születésnap 2. Simpson

3.

Szerencsejátékok

4. Monty Hall 5.

6.

Választási

Jákob és Lábán 7. Bertrand

8.

9.

Titkárnő-házasodási

Kockázási

9 paradoxon – 9 matekóra

• Egyszerűek: alap matek • Meglepőek • Célközönség: mérnökpalánták

TITKÁRNŐ PARADOXON

(1966)

A feladat

titkárnői álláshirdetésre sok a jelentkező nincs idő mindegyiket meghallgatni Hány jelöltet elég behívni interjúra, hogy a lehető legjobbat vegye föl a cég?

Konkrét feladat

10 jelentkező 5 jelöltet már elutasítottunk megállapodás: a következőt felvesszük, aki jobb minden korábbinál Mekkora ilyen?

a valószínűsége, hogy lesz

DOLLY

Ő a legjobb Baj lehet: korán döntünk (ál Dolly) pl. a 7. jobb, mint az első 5, de Dolly – aki még jobb – csak a 8. lesz A korai döntést ki kell zárni

Hányadik Dolly?

p

( 6 ) 

p

( 7 )  1 10 5  6 1 10 itt kezdjük kizárni ál Dollyt

p

( 8 )  5 7  1 10

p

( 9 ) 

p

( 10 )  5 8  1 10 5 9  1 10

összesen

p

p

( 6 ) 

p

( 7 ) 

p

( 8 ) 

p

( 9 ) 

p

( 10 )   5 10  1 ( 5  1  6 1  7 1  8 1 ) 9  0 , 373 37% annak a valószínűsége, hogy a felét elutasítva és a következő legjobbat választva az

összes

közül a legjobbra találunk.

A feladat módosítása és általánosítása Ha az első 2 titkárnő elutasítása után döntünk:

p

( 2 )  2 10  1 ( 2  1  3 1  4 1  5 1  6 1  7 1  8 1 ) 9  36 , 6 % Ha n jelölt közül az első k elutasítása után döntünk:

p

(

k

,

n

) 

k n

 ( 1

k

k

1  1  ......

 1

n

 2 

n

1  1 )

Hány jelöltet utasítsunk el?

n 10 10 10 10 10 10 10 k 1 2 3 4 5 7 9 p 28,3 % 36,6 % 39,9 % 39,8 % 37,3 % 26,5 % 10 %

A

p(k,10)

grafikon

Van-e maximuma a p(k,n) függvénynek?

Van (emelt szintű matek):

p

 1  37 %

e

éspedig

k n

 1  37 %

e

esetén.

A megoldás

100 jelentkező közül az első 37-et kell elutasítani, majd ezt követően az első olyat felvenni, aki jobb az első 37-nél VAGY ha nincs ilyen, akkor a 100.-at

Gyakorlati alkalmazhatóság

• Nyilván nem így választunk titkárnőt (nem hívunk be mindenkit, nem mondunk rögtön nemet, önéletrajz stb.) • Matterhorn esete

Házasodási probléma (1984)

A feladat átfogalmazása: az első valahány kérő után igent mondunk (magyar szakirodalom: Szindbád-probléma) Baj: nem tudjuk előre a kérők számát

Udvarló-idő függvény

Feltételezett görbe esetén: görbe alatti terület 37 % - ánál kell most is dönteni

SIMPSON PARADOXON

(1951)

1. Diszkriminációs probléma Egy nagyvállalatot diszkriminációval vádolnak feminista szervezetek, miszerint kisebb százalékban vettek fel nőt, mint férfit.

Védekezésképpen a cég nyilvánosságra hozza két áruházuk kimutatását, melyben az áll, hogy több nőt vettek fel, mint férfit.

Győr-soproni nők és férfiak férfiak jelentkezők felvettek % Győr 500 Sopron 120 Összes 620 200 10 210 40% 8% 34% jelentkezők felvettek 100 100 200 nők 50 10 60 % 50% 10% 30%

Mitől paradoxon?

Külön-külön: nők > férfiak („elnőiesedik a szakma”) Együtt: férfiak > nők (feminista érv) Mikor léphet föl?

Ha egy csoportot kétféleképpen is felbontunk (Győr-Sopron, ill. férfiak-nők) két vagy akár több részre Leírás: Simpson (1951) Valóság: Berkeley-egyetem (70-es évek) női egyenjogúsági kérdés

Mi az oka?

Most: egyenetlen volt a jelentkezés Győr : 250 hely, 600 jelentkező 2,4 szeres túljelentkezés A jelentkezők 17%-a nő Sopron: 20 hely, 220 jelentkező 11 szeres túljelentkezés A jelentkezők 45%-a nő: „bátrabbak” voltak a soproni nők

2. H1N1 probléma Nem oltatta be magát Beoltatta magát összesen nem fertőződött % férfiak 500 nők 120 Összes 620 200 10 210 40% 8% 34% összesen nem fertőződött % 100 100 200 50 10 60 50% 10% 30%

Mitől paradoxon? Nyilván nem reprezentatív a minta: férfi (500) > nő (120), aki nem oltatta be magát beoltott (620) > nem beoltott (200) Férfinak és nőnek egyaránt megéri, de „embernek” nem! (Orosz Gyula)

Példagyár A összes rész X n 200 Y 120 10 Összes n+120 210 % nem A összes rész % * 8% * * 100 100 200 50 50% 10 60 10% 30%

Mekkora lehet n?

 200

n

 0 , 5   0 , 3  210 120 

n

Ahonnan 400 <

n

< 580 adódik.

Koordináta-rendszer Meredekség: felvételi arány

SZÜLETÉSNAP PARADOXON

Alapfeladat:

Hány fős társaság esetén lesz valószínűbb az, hogy a társaságból két embernek ugyanazon a napon van a születésnapja?

Tippelj!

1. segédfeladat:

Hány fő esetén lesz biztos, hogy lesz két olyan ember, akinek egy napon van a születésnapja? (Számoljunk 365 nappal!) Skatulyaelv alapján nyilván:

366 fő

esetén

2. segédfeladat:

Egyszerűsítsük le a feladatot

egy hét

re: Hány fő esetén lesz biztos, hogy a hét ugyanazon napjára (hétfő, kedd stb.) esik két ember születésnapja?

Hasonlóan, nyilván:

8 fő

esetén

7 7

3. segédfeladat

Mi a valószínűsége annak, hogy 6 fő közül 2-nek ugyanarra a napra (a hét ugyanazon napjára) esik a születésnapja?

Értelmezés

:

legalább

2-nek

Megoldás

kedvező eset: összes – rossz

összes : 7 6 (bárki bármelyik nap születhet) rossz : 7  6  5  4  3  2  1 (mindenki más napon születik)

p

( 6 )  7 6  7  6  5  4  3  2  1  7 6 117649  5040 117649  96 %

Táblázat a p(n) függvényhez

n

8

7 6 5 4 3 2

p

(

n

)  1  7 !

( 7 

n

)!

7

n

1

0,99 0,96 0,85 0,65 0,39 0,14

A p(n) grafikon

4. segédfeladat

Vissza az eredeti

éves

feladathoz: Hány fős társaság esetén lesz 96% a valószínűsége annak, hogy a társaságból két embernek ugyanazon a napon van a születésnapja? (Számoljunk 365 nappal!)

Összes – rossz

rossz : 365  364  ...

 ( 365 

n

 1 ) (mindenki más napon születik) összes eset : 365

n

(bárki bármelyik nap születhet)

p

 365

n

 365  364  ...

 ( 365 

n

 1 ) 365

n

 1  365  364  ...

 ( 365 

n

 1 ) 365

n

 1  365 !

( 365 

n

)!

365

n

 96 %

Ábrázolás helyett táblázat

p

(

n

) 

1

365

!

(

365

365

n n

)!

bonyolult

n 100 65 57 48 40 37 25 23

Próbálgatás

p

 1  365 !

( 365 

n

)!

365

n

0,9999997 0,998 0,99 0,96 0,89 0,85 0,57 0,51

Megoldás

éves

feladat: 48 fő esetén lesz 96 % a valószínűsége annak, hogy ketten ugyanazon a napon születtek

hetes

feladat: 6 fő esetén lesz 96 % ez a valószínűség

A

p(n)

grafikon

Mitől paradoxon?

Nagy n re: p(n) közelítőleg konstans • p = 100%: n = 366 esetén • p = 99%: n = 57 esetén (84%-kal kisebb!) Kis n re: p(n) függvény nagyon meredek • Az eredeti feladat (p > 50%) megoldása is meglepő: 23 fő (ellenőrizhető egy osztályban vagy egy konferencián)

VÁLASZTÁSI PARADOXONOK

1. Családi kirándulás

Az apának van kedve kirándulni, de ideje nincs, a gyereknek fordítva, az anyának kedve és ideje is van.

Hogyan döntsenek „demokratikusan”?

anya apa gyerek

együtt

Kiértékelés

kedv idő igen igen nem igen nem igen

igen igen kirándulás igen nem nem igen vagy nem?

Bíró-paradoxon

• kollektív döntések meghozatala esetén • probléma: mi szerint összegezzünk?

– premisszák (kedv, idő) – konklúziók (voks)

2. Elnökválasztás

3 jelölt (A, B, C) közül választunk 7 szavazó • • • 4 ABC, 3 BCA szavazat • Kérdés: lehetséges-e, hogy bizonyos pontozásnál A nyer, B nyer, C nyer, A és B holtversenyben nyer?

Megoldás

1. hely 2. hely 3. hely A A nyer 10 pont 3 pont 2 pont 46 B nyer 10 pont 5 pont 2 pont 46 C nyer nem lehetséges A és B 10 pont 4 pont 2 pont 46 B 42 50 46 C 17 23 20

Mitől paradoxon?

• majdnem tetszőleges sorrend előállítható • utólag befolyásolhatjuk a választás eredményét, ha nem tisztázzuk előre a pontozást • megnyugtató: C nem nyerhet

3. Osztálytitkár

3 jelölt (A, B, C) közül választanak 30 szavazó 10 ABC, 10 BCA, 10 CAB szavazat Kérdés: hogyan összegezzünk?

Többségi szavazás

10 ABC 10 BCA 10 CAB

Többségi szavazat

A > B igen nem igen

igen

B > C igen igen nem

igen

C > A nem igen igen

igen

Condorcet-paradoxon

• Körbeverési jelenség: kő-papír-olló • Nem tranzitív: A > B, B > C, de C > A!

• Pontrendszer: mindenkinek ugyanannyi pontja lenne

MONTY HALL PARADOXON

(1975)

Mit rejt a három ajtó?

A tévés játék megfogalmazása 1.

2.

3.

4.

Van három ajtó, kettő mögött kecske van, egy mögött a főnyeremény: egy autó A játékos választ egyet a három ajtó közül A műsorvezető még mielőtt azt kinyitná, kinyit egy másik ajtót, amely mögött kecske van Megkérdezi a játékost: akar-e változtatni első választásán, és egy másik ajtót választani?

Kérdés Érdemes-e változtatni az eredeti választáson?

1.

2.

Paradoxonnak tűnik: Nem befolyásolhatja az eredményt, ha változtatok (előtte is, utána is 1/3 a valószínűség) Most 1/2, előtte 1/3 volt a valószínűség

Az 1. ajtót választjuk 1. ajtó 2. ajtó 3. ajtó K K A váltunk nem váltunk nyerünk vesztünk K A K nyerünk vesztünk A K K A K K nyerési valószínűség vesztünk nyerünk 2/3 1/3

Megoldás • Érdemes tehát változtatni: – 2/3 valószínűséggel nyerünk • Egyszerűbben: Hogyan nyerhetünk?

– Ha nem váltunk: el kell találni az autót (1/3) – Ha váltunk: valamelyik kecskét kell eltalálni (2/3)

A feladat módosítása

100 ajtó van, Monty kinyit 98-at Nyilván most is érdemes váltani (99/100)

2 játékos, 3 ajtó • • • • Mindkettő választ egy-egy (különböző) ajtót (mondjuk egymás után) Az, amelyik kecskét választott, kiesik (ha mindkettő kecskét választott, a játékvezető tetszőlegesen dönt, ki esik ki) A kecskés ajtót Monty kinyitja Érdemes-e váltania a bennmaradt játékosnak?

Az első 2 ajtóra tippelünk A 1. ajtó K K K B 2. ajtó K K A 3. ajtó A A K Ha a bennmaradó vált nem vált nyer veszít veszít nyer A K K nyerési valószínűség veszít 1/3 nyer 2/3

Megoldás • Nem érdemes váltani – Így nyerünk 2/3 valószínűséggel • 1.

2.

Egyszerűbben: Most mindkét játékosnak kecskére kell tippelnie, hogy a váltás megérje: 1/3 A vegyes tipp esélye 2/3

Forrás

• Drösser, Christoph: Csábító számok (Athenaeum, 2009) • Ferguson, Thomas S.: Who Solved the Secretary Problem? (Statistical Science, 1989. Vol. 4. No. 3.) • Orosz Gyula: Valószínűség-számítási érdekességek (Fazekas Mihály Gimnázium honlapja, Matematika portál) • Székely J. Gábor: Paradoxonok a véletlen matematikájában (Typotex, 2004) • Wikipedia-szócikkek (Monty Hall, Simpson)

Dolgozat és prezentáció

www.phbences.hu

oktatás oldal, matematika Használják egészséggel, közkincs!

További jó konferenciát és szép napot!