Ars Conjectandi - Википедия - Ars Conjectandi

Титульный лист Ars Conjectandi

Ars Conjectandi (латинский за «Искусство гадать») - книга о комбинаторика и математический вероятность написано Джейкоб Бернулли и опубликовано в 1713 году, через восемь лет после его смерти, его племянником, Никлаус Бернулли. Основополагающая работа консолидировала, помимо многих комбинаторных тем, многие центральные идеи в теория вероятности, например, самая первая версия закон больших чисел: действительно, это широко рассматривается как основополагающая работа по этой теме. Также были рассмотрены проблемы, которые сегодня классифицируются в двенадцатикратный путь и добавил в темы; следовательно, множество историков математики назвали ее важной исторической вехой не только в теории вероятностей, но и во всей комбинаторике. Важность этой ранней работы оказала большое влияние как на современных, так и на более поздних математиков; Например, Абрахам де Муавр.

Бернулли написал текст между 1684 и 1689 годами, включая работы математиков, таких как Кристиан Гюйгенс, Джероламо Кардано, Пьер де Ферма, и Блез Паскаль. Он включил фундаментальные комбинаторные темы, такие как его теория перестановки и комбинации (вышеупомянутые проблемы двенадцатичастного пути), а также более отдаленно связанные с развивающейся темой: происхождение и свойства одноименного Числа Бернулли, например. Основные темы от вероятности, такие как ожидаемое значение, также составляли значительную часть этой важной работы.

Фон

Христиан Гюйгенс опубликовал первые договоры о вероятности

В Европе предметом вероятность был впервые официально разработан в 16 веке благодаря работам Джероламо Кардано, чей интерес к математике был во многом обусловлен его привычкой к азартным играм.[1] Он формализовал то, что сейчас называется классическим определением вероятности: если событие имеет а возможные исходы и выбираем любые б из тех, кто б ≤ а, вероятность любого из б происходит . Однако его реальное влияние на математическую сцену было невелико; он написал только один светлый фолиант на эту тему в 1525 году под названием Liber de ludo aleae (Книга об азартных играх), опубликованная посмертно в 1663 году.[2][3]

Историки называют датой начала развития современной теории вероятностей 1654 год, когда два самых известных математика того времени, Блез Паскаль и Пьер де Ферма, начали переписку, обсуждая эту тему. Эти двое инициировали общение, потому что ранее в этом году игрок из Париж названный Антуан Гомбо послал Паскалю и другим математикам несколько вопросов о практическом применении некоторых из этих теорий; в частности, он поставил проблема очков относительно теоретической игры для двух игроков, в которой приз должен быть разделен между игроками из-за внешних обстоятельств, останавливающих игру. Плоды переписки Паскаля и Ферма интересовали других математиков, в том числе Кристиан Гюйгенс, чей De ratiociniis in aleae ludo (Расчеты в азартных играх) появилась в 1657 году как последняя глава книги Ван Скуотена. Математические упражнения.[2] В 1665 году Паскаль посмертно опубликовал свои результаты на одноименном Треугольник Паскаля, важное комбинаторное понятие. Он упомянул треугольник в своей работе Арифметический треугольник (Черты арифметического треугольника) как «арифметический треугольник».[4]

В 1662 году книга La Logique ou l’Art de Penser был анонимно опубликован в Париже.[5] Авторы предположительно были Антуан Арно и Пьер Николь, два ведущих Янсенисты, работавший вместе с Блезом Паскалем. Латинское название этой книги: Ars cogitandi, которая была успешной книгой по логике того времени. В Ars cogitandi состоит из четырех книг, четвертая посвящена принятию решений в условиях неопределенности путем рассмотрения аналогии с азартными играми и явного введения концепции количественной вероятности.[6][7]

В области статистики и прикладной вероятности Джон Граунт опубликовано Естественные и политические наблюдения, сделанные на счетах смертности также в 1662 году, положив начало дисциплине демография. Эта работа, среди прочего, дала статистическую оценку населения Лондона, составила первую таблицу дожития, дала вероятности выживания различных возрастных групп, исследовала различные причины смерти, отметив, что ежегодный уровень самоубийств и несчастных случаев является постоянным. , а также прокомментировали уровень и стабильность соотношения полов.[8] Полезность и интерпретация таблиц Граунта обсуждались в серии соответствий братьями Людвигом и Христианом Гюйгенсами в 1667 году, где они осознали разницу между средними и медианными оценками, а Кристиан даже интерполировал таблицу дожития Граунта с помощью плавной кривой, создав первую непрерывную вероятность. распределение; но их переписка не публиковалась. Потом, Йохан де Витт, тогдашний премьер-министр Голландской республики, опубликовал аналогичный материал в своей работе 1671 года. Вардье ван Лиф-Рентен (Трактат о пожизненной ренте), который использовал статистические концепции для определения продолжительность жизни в практических политических целях; демонстрация того факта, что у этой молодой ветви математики есть важные прагматические приложения.[9] Работа Де Витта не получила широкого распространения за пределами Голландской республики, возможно, из-за его падения с власти и казни толпой в 1672 году. Помимо практического вклада этих двух работ, они также раскрыли фундаментальную идею о том, что вероятность может быть связана с событиями, которые не обладают внутренней физической симметрией, такой как шанс умереть в определенном возрасте, в отличие, скажем, от игры в кости или подбрасывания монеты, просто путем подсчета частоты возникновения. Таким образом, вероятность может быть больше, чем просто комбинаторика.[7]

Развитие Ars Conjectandi

Портрет Якоба Бернулли в 1687 году

Вслед за всеми этими пионерами Бернулли добился многих результатов, содержащихся в Ars Conjectandi между 1684 и 1689 годами, что он записал в своем дневнике Медитации.[1][10] Когда он начал работу в 1684 году в возрасте 30 лет, будучи заинтригован комбинаторными и вероятностными проблемами, Бернулли еще не читал ни работы Паскаля по «арифметическому треугольнику», ни работы де Витта по приложениям теории вероятностей: он ранее просил копия последнего от его знакомого Готфрид Лейбниц, но Лейбниц не смог его предоставить. Последнему, однако, удалось обеспечить работу Паскаля и Гюйгенса, и, таким образом, именно на этих основаниях Ars Conjectandi построен.[11] Помимо этих работ, Бернулли определенно владел или, по крайней мере, знал содержание вторичных источников La Logique ou l’Art de Penser а также Граунта Билли о смертности, поскольку он прямо ссылается на эти две работы.

Прогресс Бернулли с течением времени может быть достигнут с помощью Медитации. Три периода работы над его «открытием» можно выделить по целям и времени. Первый период, длится с 1684 по 1685 год, посвящен изучению проблем, связанных с азартными играми, поставленными Христианом Гюйгенсом; во второй период (1685–1686 гг.) исследования распространяются на процессы, вероятности которых не известны априори, но должны определяться апостериори. Наконец, в последний период (1687–1689 гг.) Решена проблема измерения вероятностей.[6]

Перед публикацией его Ars ConjectandiБернулли заключил ряд договоров, связанных с вероятностью:[12]

  • Parallelismus ratiocinii logici et algebraici, Базель, 1685.
  • в Journal des Sçavans 1685 (26.VIII), стр. 314 возникают две проблемы, касающиеся вероятности выигрыша каждого из двух игроков в игре в кости. Решения опубликованы в Acta Eruditorum 1690 (май), с. 219–223 в статье Quaestiones nonnullae de usuris, cum solutione Problematis de Sorte Alearum. Кроме того, сам Лейбниц опубликовал решение в том же журнале на страницах 387–390.
  • Тезисы логики конверсии и оппозиции высказывания, публичная лекция, прочитанная в Базеле 12 февраля 1686 г. Тезисы XXXI – XL относятся к теории вероятностей.
  • De Arte Combinatoria Oratio Inauguralis, 1692.
  • Письмо à un amy sur les party du jeu de paume, то есть письмо другу о съемках в игре в теннис, опубликованное в Ars Conjectandi в 1713 году.

Между 1703 и 1705 годами Лейбниц переписывался с Якобом, узнав о своих открытиях в области вероятностей от своего брата. Иоганн.[13] Лейбницу удалось представить вдумчивую критику закона больших чисел Бернулли, но не смог предоставить Бернулли работу де Витта об аннуитетах, которую он так желал.[13] С самого начала Бернулли хотел, чтобы его работа продемонстрировала, что комбинаторика и теория вероятностей будут иметь множество реальных приложений во всех сферах жизни общества - в соответствии с работами Граунта и де Витта - и будут служить строгим методом логических рассуждений в условиях недостаточные доказательства, используемые в залах судебных заседаний и в моральных суждениях. Также была надежда, что теория вероятности сможет обеспечить всеобъемлющий и последовательный метод рассуждений, когда обычное рассуждение может быть подавлено сложностью ситуации.[13] Таким образом, название Ars Conjectandi было выбрано: ссылка на концепцию ars inveniendi из схоластика, что обеспечивало символическую связь с желаемым им прагматизмом, а также как продолжение предшествующего Арс Когитанди.[6]

По словам самого Бернулли, «искусство предположений» определяется в главе II части IV его книги. Ars Conjectandi в качестве:

Искусство как можно точнее измерять вероятности вещей с целью, чтобы мы всегда могли выбирать или следовать в наших суждениях и действиях тот курс, который будет определен как лучший, более удовлетворительный, более безопасный или более совершенный. выгодно.

Разработка книги была прекращена смертью Бернулли в 1705 году; таким образом, книга по существу неполна по сравнению с первоначальным видением Бернулли. Ссора с его младшим братом Иоганном, который был наиболее компетентным человеком, который мог осуществить замысел Якоба, помешал Иоганну заполучить рукопись. Собственные дети Иакова не были математиками и не могли редактировать и публиковать рукопись. Наконец, племянник Иакова Никлаус, через 7 лет после смерти Иакова в 1705 году, сумел опубликовать рукопись в 1713 году.[14][15]

Содержание

Вырез страницы из Ars Conjectandi показывает формулу Бернулли для суммы целых степеней. В последней строке даны его одноименные номера.

Работа Бернулли, первоначально опубликованная на латыни[16] делится на четыре части.[11] В первую очередь это касается его теории перестановок и комбинаций; стандартные основы комбинаторики сегодня и подмножества фундаментальных проблем, известных сегодня как двенадцатикратный путь. Здесь также обсуждается мотивация и применение последовательности чисел, более тесно связанных с теория чисел чем вероятность; эти Числа Бернулли носят его имя сегодня и являются одним из его наиболее заметных достижений.[17][18]

Первая часть представляет собой подробное описание Гюйгенса. De ratiociniis in aleae ludo. В этом разделе Бернулли предлагает решения пяти проблем, которые Гюйгенс поставил в конце своей работы.[11] В частности, он развивает концепцию ожидаемой стоимости Гюйгенса - средневзвешенного значения всех возможных результатов события. Гюйгенс разработал следующую формулу:

[19]

В этой формуле E ожидаемое значение, пя - вероятности достижения каждого значения, и ая являются достижимыми значениями. Бернулли нормализует ожидаемое значение, предполагая, что пя являются вероятностями всех непересекающихся исходов значения, отсюда следует, что п0 + п1 + ... + пп = 1. Другая ключевая теория, развиваемая в этой части, - это вероятность достижения хотя бы определенного количества успехов из ряда бинарных событий, которые сегодня называются Бернулли испытания,[20] учитывая, что вероятность успеха в каждом мероприятии была одинаковой. Бернулли просвечивает математическая индукция что данный а количество благоприятных исходов в каждом событии, б количество общих исходов в каждом событии, d желаемое количество успешных результатов, и е количество событий, вероятность не менее d успехи

[21]

Первая часть завершается тем, что сейчас известно как Распределение Бернулли.[16]

Вторая часть посвящена перечислительной комбинаторике или систематической нумерации объектов. Именно в этой части были конкретизированы два из наиболее важных из двенадцати способов - перестановки и комбинации, которые составили основу предмета - были конкретизированы, хотя они были введены ранее для целей теории вероятностей. Он дает первое неиндуктивное доказательство биномиального разложения для целочисленной экспоненты, используя комбинаторные аргументы. На заметке, более далекой от комбинаторики, во втором разделе также обсуждается общая формула для сумм целых степеней; поэтому свободные коэффициенты этой формулы называются Числа Бернулли, который позже повлиял на творчество Авраама де Муавра,[16] и которые, как было доказано, имеют множество приложений в теории чисел.[22]

В третьей части Бернулли применяет вероятностные методы из первого раздела к играм с обычным шансом, играемым в карты или кости.[11] Он не чувствует необходимости описывать правила и цели анализируемых им карточных игр. Он представил вероятностные проблемы, связанные с этими играми, и, как только метод был установлен, предложил обобщения. Например, задача, связанная с ожидаемым количеством «придворных карт» - валета, королевы и короля, - которую можно выбрать в пятикарточной руке из стандартной колоды из 52 карт, содержащих 12 дворовых карт, может быть обобщена до колоды с а карты, содержащие б судебные карты и c-карточная рука.[23]

Четвертый раздел продолжает тенденцию практического применения, обсуждая приложения вероятности к гражданский автобус, моралибус, и oeconomicisили к личным, судебным и финансовым решениям. В этом разделе Бернулли отличается от школы мысли, известной как частотность, который определяет вероятность в эмпирическом смысле.[24] В качестве счетчика он дает результат, напоминающий закон больших чисел, который он описывает как предсказывающий, что результаты наблюдения будут приближаться к теоретической вероятности по мере проведения большего числа испытаний - напротив, часто определенный вероятность с точки зрения первого.[14] Бернулли очень гордился этим результатом, называя его своей «золотой теоремой»,[25] и заметил, что это «проблема, которой я занимаюсь уже двадцать лет».[26] Эта ранняя версия закона известна сегодня либо как теорема Бернулли, либо как слабый закон больших чисел, поскольку она менее строгая и общая, чем современная версия.[27]

После этих четырех основных пояснительных разделов, почти как запоздалую мысль, Бернулли добавил: Ars Conjectandi трактат о исчисление, который касался бесконечная серия.[16] Это было переиздание пяти диссертаций, опубликованных им между 1686 и 1704 годами.[21]

Наследие

Работа Абрахама де Муавра была частично построена на творчестве Бернулли.

Ars Conjectandi считается важной работой в комбинаторике и основополагающей работой математической вероятности.[28][29][30] Среди прочего, антология великих математических работ, опубликованная Эльзевир и отредактировал историк Айвор Граттан-Гиннесс описывает исследования, изложенные в работе «[занимавшиеся] математиками на протяжении 18 и 19 веков» - влияние, длящееся три столетия.[31] Статистик Энтони Эдвардс высоко оценил не только новаторское содержание книги, написав, что она продемонстрировала «полное знание Бернулли многих аспектов [комбинаторики]», но и ее форму: «[Ars Conjectandi] - это очень хорошо написанная книга, прекрасно построенная».[32] Возможно, совсем недавно известный популярный математический историк и тополог Уильям Данхэм назвал эту статью «следующей вехой в теории вероятностей [после работ Кардано]», а также «шедевром Якоба Бернулли».[1] Это во многом способствовало тому, что Данэм описывает как «давнюю репутацию Бернулли».[33]

Работа Бернулли оказала влияние на многих современных и последующих математиков. Даже запоздалый трактат по математическому анализу цитировался часто; прежде всего шотландским математиком Колин Маклорен.[16] Его племянник продолжил программу Иакова по применению своего искусства догадок к вопросам практической жизни, которая была прекращена его смертью в 1705 году. Николаус Бернулли, после дословного извлечения частей из Ars Conjectandi, для его диссертации под названием De Usu Artis Conjectandi in Jure которое было опубликовано уже в 1709 году.[6] Николас, наконец, отредактировал и помог в публикации Ars conjectandi в 1713 г. Позднее Николай также отредактировал полное собрание сочинений Якоба Бернулли и дополнил его результатами, взятыми из дневника Иакова.[34]

Пьер Ремон де Монморт в сотрудничестве с Николаем Бернулли написал книгу о вероятности Essay d'analyse sur les jeux de risk который появился в 1708 году, который можно рассматривать как продолжение Части III Ars Conjectandi который применяет комбинаторику и вероятность для анализа азартных игр, в которые обычно играли в то время.[34] Абрахам де Муавр также много писал по этому поводу в De mensura sortis: Seu de Probabilitate Eventuum in Ludis a Casu Fortuito Pendentibus 1711 г. и его продолжение Доктрина шансов, или метод расчета вероятности событий в игре 1718 г.[35] Наиболее заметным достижением Де Муавра в области теории вероятностей было открытие первого экземпляра Центральная предельная теорема, с помощью которого он смог аппроксимировать биномиальное распределение с нормальное распределение.[16] Для этого Де Муавр разработал асимптотический последовательность для факториал функция, которую мы теперь называем Приближение Стирлинга —- и формулу Бернулли для суммы степеней чисел.[16] И Монморт, и де Муавр приняли термин вероятность от Якоба Бернулли, который не использовался во всех предыдущих публикациях об азартных играх, и обе их работы пользовались огромной популярностью.[6]

Уточнение Золотой теоремы Бернулли, касающееся сходимости теоретической вероятности и эмпирической вероятности, было занято многими известными математиками последних дней, такими как Де Муавр, Лаплас, Пуассон, Чебышев, Марков, Борель, Кантелли, Колмогоров и Хинчин. Полное доказательство закона больших чисел для произвольных случайных величин было наконец предоставлено в первой половине 20 века.[36]

Значительное косвенное влияние было Томас Симпсон, который добился результата, очень похожего на результат де Муавра. Согласно предисловию к работе Симпсона, его собственная работа во многом зависела от работы де Муавра; последний фактически описал работу Симпсона как сокращенную версию своей собственной.[37] Ну наконец то, Томас Байес написал эссе, обсуждая богословский последствия результатов де Муавра: его решение проблемы, а именно определение вероятности события по его относительной частоте, было принято в качестве доказательства существование Бога Байеса.[38] Наконец в 1812 г. Пьер-Симон Лаплас опубликовал свой Аналитическая теория вероятностей в котором он консолидировал и изложил многие фундаментальные результаты по вероятности и статистике, такие как функция, производящая момент, метод наименьших квадратов, индуктивная вероятность и проверка гипотез, завершив, таким образом, заключительную фазу в развитии классической вероятности. В самом деле, в свете всего этого есть веская причина, по которой работу Бернулли называют таким знаменательным событием; Мало того, что его различные влияния, прямые и косвенные, заставили вращаться математическое изучение комбинаторики, но даже теология была затронута.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а б c Данхэм 1990, п. 191
  2. ^ а б Абрамс, Уильям, Краткая история вероятности, Второй момент, получено 2008-05-23
  3. ^ О'Коннор, Джон Дж .; Робертсон, Эдмунд Ф., Кардано Биография, MacTutor, получено 2008-05-23
  4. ^ "Блез Паскаль", Энциклопедия Britannica Online, Энциклопедия Britannica Inc., 2008, получено 2008-05-23
  5. ^ Шафер 1996
  6. ^ а б c d е Коллани 2006
  7. ^ а б Взлом 1971
  8. ^ Иэн Сазерленд (1963), «Джон Граунт: трибьют к 300-летию», Журнал Королевского статистического общества, серия A, 126 (4): 537–556, Дои:10.2307/2982578, JSTOR  2982578
  9. ^ Бракель 1976, п. 123
  10. ^ Шафер 2006
  11. ^ а б c d Шафер 2006, стр. 3–4
  12. ^ Пульскэмп, Ричард Дж., Якоб Бернулли, получено 1 марта 2013
  13. ^ а б c Силла 1998
  14. ^ а б Бернулли 2005, п. я
  15. ^ Вайсштейн, Эрик, Бернулли, Якоб, Вольфрам, получено 2008-06-09
  16. ^ а б c d е ж грамм Шнайдер 2006, стр. 3
  17. ^ "Якоб Бернулли", Энциклопедия Britannica Online, Энциклопедия Britannica Inc., 2008, получено 2008-05-23
  18. ^ "Бернулли", Колумбийская электронная энциклопедия (6-е изд.), 2007 г.
  19. ^ Обозначение представляет собой количество способов выбора р объекты из набора п различимые предметы без замены.
  20. ^ Данхэм 1994, п. 11
  21. ^ а б Шнайдер 2006, стр. 7–8
  22. ^ Масерес, Бернулли и Уоллис 1798 г., п. 115
  23. ^ Хальд 2003, п. 254
  24. ^ Шафер 2006, стр.18
  25. ^ Данхэм 1994, стр. 17–18
  26. ^ Полашек, Вольфганг (август 2000 г.), «Бернулли и происхождение теории вероятностей», Резонанс, Индийская академия наук, 26 (42)
  27. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Слабый закон больших чисел». MathWorld.
  28. ^ Бернулли 2005. Предисловие Силлы, vii.
  29. ^ Hald 2005, п. 253
  30. ^ Мастров 1974, п. 66
  31. ^ Эльзевир 2005, п. 103
  32. ^ Эдвардс 1987, п. 154
  33. ^ Данхэм 1990, п. 192
  34. ^ а б "Николай (I) Бернулли". Архив истории математики MacTutor. Получено 22 августа 2013.
  35. ^ де Муавр 1716, п. я
  36. ^ Сенета 2013.
  37. ^ Шнайдер 2006, п. 11
  38. ^ Шнайдер 2006, п. 14

Рекомендации

внешняя ссылка