概率论简史
概率论最早的萌芽之作应属1563年意大利医生兼数学家卡尔达诺(Cardano, 1501-1576)撰写的《游戏机遇的学说》,在这本书中卡尔达诺讨论了关于两人赌博中断后如何分赌本的问题,且提出了“大数定律”等基本概率理论的原始的模型.
如何分赌本问题不仅引起了有着20多年骰子赌博经验的卡尔达诺的兴趣,也引起了16 世纪意大利数学家帕乔利(Pacioli,1445-1517)、塔塔利亚(Tartaglia,1499-1557)等学者的兴趣,他们也曾讨论过这类问题,到17世纪,法国著名数学家帕斯卡(Pascal,1623-1662)和费马(Fermat,1601-1665)也曾多次通信讨论这一概率论的始祖问题,并且在通信讨论中首次给出了这类问题的正确答案. 费马与帕斯卡通信讨论的问题被数学家惠更斯(C. Huygens,1629-1695)发现后,他对这种问题进行了深人研究,1657年惠更斯的名著《论赌博中的计算》一书出版,此书是概率论的第一部成型的著作,在书中提出了数学期望、概率的加法定理与乘法定理等基本概念.
因此可以说,早期概率论的真正创立者是帕斯卡、费马和惠更斯. 这一时期被称为组合概率时期,主要是计算各种古典概率.
使概率论成为一个独立的数学分支是瑞士数学家雅各布·伯努利(Jakob Bernoulli,1655—1705),他证明了掷n颗骰子所得总数为m这种情况的次数正好为
(x+x²+x³+x⁴+x⁵+x⁶)ⁿ
展开式中xᵐ这一项的系数,这不仅是概率论中的一个妙解,而且还开创了母函数的先河. 1713年出版了雅各布·伯努利的遗作《猜度术》,建立了概率论中的第一个极限定理,现称之为伯努利大数定律. 该定律指出,概率是相对频率的数学抽象,伯努利的这一定理在概率的发展史上起到了理论奠基的作用.
法国数学家拉普拉斯(Laplace,1749-1827)将古典概率论推进到近代概率论. 1812年,拉普拉斯的名著《概率的分析理论》出版,书中系统地总结了前人关于概率的研究成果,明确了概率的古典定义,把分析方法引入概率论中,使概率论发展到一个新的阶段. 1814年第2版的书名改成《概率的哲学导论》,在该书中关于概率的定义,拉普拉斯给出了非常精辟的论述,还给出了概率的加法与乘法等运算定律.
1777 年,法国数学家和博物学家蒲丰(Buffon,1707-1788)提出几何概率的概念,其典型模型是:长为L的同质均匀针随机地投向画有最近两平行线相距为d>L的许多平行线的平面,求针与直线相交的概率. 这里“随机”是指针的中心的落点与针的方向都是等概率的,而且中心落点与针的方向无关,其解得的结果为,针与直线相交的概率P=2L/(πd). 这是数学史上古典概率中几何概率的一个精彩实例. 由于π=2L/(Pd),只要求得P,即可求出π的值.
蒲丰投针问题的两种解法
(来自本文作者的笔记总结)
1901年意大利的拉泽里尼 (Lazzerrini)投针3408次,他统计出与平行线相交的次数m,P≈m/3408,于是求得π的近似值,他求出的π精确到6位小数.
1812年,在《概率的分析理论》中拉普拉斯推广了蒲丰的模型:两组正交等距平行线,一组距离为 a,另一组距离为b,针长为L<min{a,b},则针与任一直线相交的概率为P=2L(a+b)/(πab),当b→+∞(或a→+∞)时,即为蒲丰的结果.
1733年棣莫弗(De Moivre,1667-1754),1809年高斯(Gauss,1777-1855)分别独立地引人正态分布. 1837年,法国数学家泊松(Poisson,1781-1840)给出泊松大数定律. 泊松是巴黎综合工程学校教授,他在1837年发表的著名论文《关于判断的概率之研究》中还提出了泊松分布,他的主要工作是数学物理.
19 世纪后期,概率论的主要成就就是中心极限定理(Central Limit Theorem),主要人物是俄国的切比雪夫(Chebyshev,1821-1894),他于1866年建立的独立随机变量的大数定律,使伯努利和泊松大数定律成为其特例,他还把棣莫弗与拉普拉斯的极限定理推广成一般的中心极限定理.
1899年,法国科学家贝特朗(Joseph Bertrand,1822-1900)提出了针对古典概率中的含糊与矛盾的所谓“贝特朗悖论”:在半径为r的圆内随机地选择弦,求弦长超过圆内接正三角形的边长之概率. 在求解的过程中由于对“任意选择”的不同理解,造成“一题多解”,出现了不唯一的答案.
贝特朗悖论,3种不同的计算方式得出3个
不同的概率结果,分别为1/2, 1/3, 1/4
古典概率的含糊概念陷入严重危机之中. 为了克服古典概率的缺点,人们开始从创建概率的公理系统入手来改造古典概率. 俄国数学家伯恩斯坦(Sergei Bernstein,1880-1968),奥地利数学家冯·米塞斯(von Mises,1883-1953)等提出了一些公理作为概率论的源头命题,但都不够完善. 1905年法国数学家博雷尔(Émile Borel,1871-1956)用他创立的测度论语言来表达概率论,为克服古典概率的弱点打开了大门. 博雷尔把康托尔的集合论与古典分析相结合,对实变函数论做出重要贡献.
从20世纪20年代起,前苏联大数学家柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov,1903-1987)开始从测度论的途径来改造概率论,1933年他以德文出版了经典名著《概率论基础》. 作为莫斯科函数论学派领袖鲁金(Luzin,1883—1950)的学生,柯尔莫哥洛夫有雄厚的数学实力运用测度来研究概率,他在这本名著中建立了柯尔莫哥洛夫公理化概率论. 1934年柯尔莫哥洛夫的学生辛钦(Khinchin,1894—1959)提出“平稳过程”理论,所谓“平稳过程”是指随机现象中其统计性质不随时间变化的随机过程. 1942年,日本数学家伊藤清(Kiyoshi Ito,1915-2008)引进了随机积分与随机微分方程,为随机分析的建立奠定了基础.
特别值得一提的是,柯尔莫哥洛夫是20世纪最伟大的数学家之一,也是20世纪最有影响的少数几个数学家之一. 他所建立的概率论的公理化体系,奠定了概率论的严格的理论基础,也沟通了概率论与现代数学中其他分支之间的联系,他的思想使概率论成为分析数学中一门广阔而高度发展的分支.
数理统计学简史
近代统计学的发展起源于20世纪初,它是在概率论的基础上发展起来的,但统计性质的工作可以追溯到远古的“结绳记事”和《二十四史》中大量的关于我国人口、钱粮、水文、天文、地震等资料的记录. 西方则把收集和整理国情资料的活动称为统计,统计(Statistics)一词正是由国家(State)一词演化而来的.
1662年,英国统计学家J.格兰特(John Graunt,1620-1674)组织调查伦敦的人口死亡率,并发表专著《从自然和政治方面观察死亡统计表》,格兰特还对保险统计、经济统计进行了数学研究,称其学问为“政治算术”. 他发现人口出生率与死亡率相对稳定,提出了“大数恒静定律”,之后统计学的数学性质逐渐加重.
1763年,英国统计学家贝叶斯(Thomas Bayes,1702-1761)发表了《论机会学说问题的求解》,给出了“贝叶斯定理”,从结果去对原因进行后验概率的计算,可视为最早的数学化的统计推断.
19 世纪初,高斯和勒让德(Legendre,1752-1833)建立“最小二乘法”,且用其分析天文观测的误差,成为数理统计的重要方法.
19世纪中叶,比利时统计学家凯特勒(Quetelet,1796-1874)和英国生物学家高尔顿(Francis Galton,1822-1911)在数理统计方面的工作对现代数理统计的发展影响甚大. 凯特勒把统计方法应用于天文、数学、气象、物理、生物和社会学,且强调了正态分布的用途,他曾长期进行比利时国力调查,且组织国际统计工作,使数理统计方法被方方面面的科学技术领域所接受和重视.高尔顿于1889年出版数理统计著作《自然的遗传》,引入回归分析方法,他给出回归直线和相关系数的重要概念. 在同一时期,爱尔兰经济学家埃奇沃思(Francis Ysidro Edgeworth,1845-1926)引入方差概念.
从19世纪末到第二次世界大战结束,数理统计得到蓬勃发展并日臻成熟. 这一时期,英国数学家K.皮尔逊(Karl Pearson,1867-1936)用数理统计的方法得出生物统计学和社会统计学的基本法则,进一步发展了回归分析和相关的理论,他于1900年提出检验拟合程度的χ²统计量和χ²分布,建立了χ²检验法.
1908年,英国数学家W.S.戈塞特(William Sealy Gosset,1876-1937)导出大统计量及其精确的分布,建立了t检验法,戈塞特是皮尔逊的学生,所以戈塞特发表t分布时以“学生”为笔名,故t分布也称为“学生分布”. χ²分布讨论的是总体概念与群体现象,t分布则讨论小样本理论与随机现象.
作为一门独立的学科,现代数理统计的奠基人是英国数学家和生物学家费希尔(Fisher),他生于伦敦,卒于澳大利亚,毕业于剑桥大学,教过中学,长期在农业试验站搞生物实验,先后任伦敦大学和剑桥大学教授,1929年当选皇家学会会员. 1922年出版了他的现代统计的基础性著作《理论统计的数学基础》,对统计中的多元分析、相关系数、样本分布及其在生物遗传与优生方面的应用进行了系统深入的阐述,他的主要贡献在估计理论、假设检验、实验设计和方差分析等方面,他所领导的伦敦大学数理统计学派在20 世纪三四十年代,在世界数理统计界占主导地位.
1940年,瑞典数学家克拉默(Harald Cramer,1893-1985)发表了《统计学的数学方法》,运用测度论方法总结数理统计的成果,使现代数理统计趋于成熟.
第二次世界大战期间,美籍罗马尼亚数学家瓦尔德(Abraham Wald,1902-1950)为解决军方提出的军需验收的实际问题提出“序贯抽样”方法. 1947年,他的专著《序贯分析》出版,使序贯分析成为数理统计的一个新的分支. 瓦尔德还用博弈的观点看待数理统计,定义统计推断的风险函数,于1950年出版他的名著《统计决策函数》一书,同年因飞机失事身亡.
与现代数理统计有密切关系的一门重要学科是“博弈论”,或称“对策论”,瓦尔德用与大自然对策的观点研究数理统计,使各种统计问题统一起来,促进了数理统计的发展.
本文内容主要来自范玉妹等编著《概率论与数理统计》(第三版)绪论,做了适当修改和整理,并添加图片,以供学习和参考。