归谬法证明波利亚随机游走定理不能成立
投稿人:高宏 投稿时间:2024.04.01 19:25 访问量:

归谬法是一种推翻谬误的逻辑方法。

一、归谬法证明原理及证明过程:

归谬法的证明依据是逻辑思维基本规则——矛盾律,即在同一思维过程中,两个相互否定或矛盾的判断不能同时成立。

归谬法首先假设谬误为真,然后通过演绎推理,推出一个与已知为真的科学事实或科学理论相悖的结论,从而否定假设,让谬误不攻自破,证明谬误不能成立。

假设谬误为A,则归谬法的证明过程如下:

(1)设A真;

(2)如果A,则B;

(3)非B;

(4)所以A假。

二、波利亚随机游走定理:

1905年,英国著名数学家、现代统计科学的创立者皮尔逊(Pearson)在《自然(Nature)》杂志上公开求解随机游走问题(Random Walk Problem):如果一个醉汉走路时每步的方向完全随机,经过一段时间之后,在什么地方找到他的可能性最大?

1921年,美籍匈牙利数学家波利亚(Polya)证明了“一维和二维简单随机游走具有常返性”的随机游走定理,表明从原点出发的醉汉最终一定能回到起点。

设S(n)为一维简单对称随机游走在第n步的位置,则波利亚随机游走定理可用数学公式表示为:

P[S(n)=0,i.o.]=1

即一维简单随机游走S(n)返回原点无穷多次的概率为1。

日本著名数学家角谷静夫将波利亚随机游走定理形象地表述为:喝醉的酒鬼总能找到回家的路(A drunk man will eventually find his way home),因此,波利亚随机游走定理也被称为酒鬼回家定理。

波利亚因随机游走(Random Walk)问题的研究而闻名世界,波利亚随机游走定理被《数学之书(The Math Book)》列为数学发展史上最重要的250个里程碑式的重大发现(图1),美国数学会(Mathematical Association of America)出版发行的波利亚生平传记书名就为《波利亚的随机游走(The Random Walks of George Polya)》,波利亚被誉为20世纪最杰出的数学家之一。

图1 波利亚随机游走定理

三、证明过程:

(1)设“波利亚随机游走定理”为真;

(2)如果“波利亚随机游走定理”成立,当S(n)=0时,有D[S(n)]= D[0]=0;

(3)由随机游走定义,D[S(n)]= n≠0;

(4)所以“波利亚随机游走定理”为假。

因此,波利亚随机游走定理不能成立。

四、证明思路:

设随机游走S(n)在第n步时返回原点,即S(n)=0,根据S(n)=0和随机游走定义分别求取S(n)的方差D[S(n)],推出相互矛盾的结果。