男孩女孩悖论(Boy or Girl Paradox),是这样一道数学应用题:
“有一个家庭有两个孩子,其中一个是女孩,求另一个是女孩的概率。”
这个题目在我们学习概率论的时候会学到,并且数学教材给的答案是1/3。但是也有人认为答案应该是1/2。说这道题目是悖论,就是在于这两个相互矛盾的答案似乎都是正确的,都有一定理由支撑,也都有一批人支持。
我下面给出一个1/2的证明,欢迎大家来反驳。
题目:有一个家庭有两个孩子,其中一个是女孩,求另一个是女孩的概率。
前提:
1. 该户人家生下的所有孩子的性别独立;(题目隐含条件)
2. 该户人家生下的任意一个孩子的性别以1/2的概率取值为“男”,1/2的概率取值为“女”,没有其他可能的取值;(题目隐含条件)
3. 该户人家生下这两个孩子有先后顺序。(题目没有隐含这个条件,但是这个命题非常弱,把它列为前提无伤大雅)
推理一:
4. 记这两个孩子中先生下来的那一个为“先生者”,后生下来的那一个为“后生者”,题目中提到的已知其性别为女的那一个为“已知者”,欲求其性别为女的概率的那一个为“未知者”;(记号约定,命题3)
5. 根据命题1和2,易知先生者和后生者的性别的联合概率分布为:
先生者的性别,后生者的性别,概率
男,男,1/4
男,女,1/4
女,男,1/4
女,女,1/4
6. P(后生者的性别=女|先生者的性别=女)=P(后生者的性别=女,且先生者的性别=女)/P(先生者的性别=女)=(1/4)/(1/4+1/4)=1/2;(条件概率的定义)
7. P(先生者的性别=女|后生者的性别=女)=P(先生者的性别=女,且后生者的性别=女)/P(后生者的性别=女)=(1/4)/(1/4+1/4)=1/2;(条件概率的定义)
8. 人x的性别是关于x的一个函数;(性别的定义)
9. 或者已知者是先生者,或者已知者不是先生者;(排中律)
10. 假设已知者是先生者;
11. 那么已知者=先生者,且未知者=后生者;(假设10的另一个说法)
12. 那么已知者的性别=先生者的性别,且未知者的性别=后生者的性别;(等词的代入规则,命题8、11)
13. 那么P(未知者的性别=女|已知者的性别=女)=P(后生者的性别=女|先生者的性别=女);等词的代入规则,命题12)
14. 那么P(未知者的性别=女|已知者的性别=女)=1/2;(等词的传递性,命题13、6)
15. 假设已知者不是先生者;
16. 那么已知者=后生者,且未知者=先生者;(假设15,前提3)
17. 那么已知者的性别=后生者的性别,且未知者的性别=先生者的性别;(等词的代入规则,命题8、16)
18. 那么P(未知者的性别=女|已知者的性别=女)=P(先生者的性别=女|后生者的性别=女);(等词的代入规则,命题17)
19. 那么P(未知者的性别=女|已知者的性别=女)=1/2;(等词的传递性,命题18、7)
20. P(未知者的性别=女|已知者的性别=女)=1/2。(析取消去规则,命题9、子证明10-14、子证明15-19)
证毕。
你可能会反驳道,这个推理一的命题14和19的成立是分别建立在假设命题10和15成立的基础上的,命题20没有建立在假设命题10或15成立的基础上,然而假设命题10成立的时候、假设命题15成立的时候以及没有任何假设的时候,三者的概率空间是不一样的,命题14、19和20里的“P(未知者的性别=女|已知者的性别=女)”不是同一个东西,因此仅根据析取消去规则不能合法地得出命题20。这个问题我只需要在原推理的基础上稍作修改就能解决。
推理二:
重复命题4-14;
增加命题14.5:
P(未知者的性别=女|已知者的性别=女,且已知者是先生者)=1/2;(条件概率的定义,命题10-14);
重复命题15-19;
增加命题19.5:
P(未知者的性别=女|已知者的性别=女,且已知者不是先生者)=1/2;(条件概率的定义,命题15-19);
删去命题20,增加命题21:
P(未知者的性别=女|已知者的性别=女)
=P(未知者的性别=女|已知者的性别=女,且已知者是先生者)*P(已知者是先生者|已知者的性别=女)+P(未知者的性别=女|已知者的性别=女,且已知者不是先生者)*P(已知者不是先生者|已知者的性别=女)
(根据条件概率的定义,我们有 P(A|B)=P(A|BC)*P(C|B)+P(A|B~C)*P(~C|B),其中 ~C 表示事件 C 没有发生,即与事件 C 互为对立事件)
=1/2*P(已知者是先生者|已知者的性别=女)+1/2*P(已知者不是先生者|已知者的性别=女)
(命题14.5、19.5)
=1/2*[P(已知者是先生者|已知者的性别=女)+P(已知者不是先生者|已知者的性别=女)]
=1/2*P(已知者是先生者,或已知者不是先生者|已知者的性别=女)
=1/2*1
=1/2
证毕。