數學史話之那一塊刺眼的亮斑泊松

泊松:按照你們波動理論的說法,我要是在光束的傳播路徑上放置一塊不透明的圓板,那麼由於光在圓板邊緣的衍射,在離圓板一定距離的地方,圓板陰影的中央應當出現一個亮斑,而這簡直就是不可能的嘛,所以光的波動理論是不對的。

菲涅爾:你說得好有道理,我應該去做個試驗驗證一下。

菲涅爾:你看,果然有個亮斑誒。就把它叫做"泊松亮斑"吧。

泊松:……,我有句MMP,不知當講不當講。

數學史話之那一塊刺眼的亮斑泊松

西莫恩·德尼·泊松

西莫恩·德尼·泊松於1781年出生在法國皮蒂維耶,他的父親是個退役軍官。泊松從小就奉父命學醫,但是他對醫學毫無興趣,沒過多久就轉向了自己喜歡的數學。1798年,泊松進入巴黎綜合工科學院學習,成為了拉格朗日、拉普拉斯等大神的得意門生。由於泊松是以第一名的成績考入學校的,所以院方決定讓他按照自己的愛好進行自由學習。到了1800年,入學不到兩年的泊松就發表了兩本備忘錄,一本關於艾蒂安·貝祖的消去法,另外一個關於有限差分方程的積分的個數。後一本備忘錄由勒讓德檢驗,勒讓德推薦將它發表於《陌生學者集》,這對於18歲的青年來講是無上的榮譽。這次成功立刻給了泊松進入科學圈子的機會。拉格朗日成為了他的朋友,而拉普拉斯則把他當親兒子看待。寫到這裡,科普君不禁想起上一期的主角:阿貝爾和伽羅瓦,真是同人不同命啊。

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巴黎綜合工科學院

泊松在大學畢業後就留校任教了,後來還成為了子午線局的成員,但他始終把自己當成一個教師。有句名言就來自他:人生只有兩樣美好的事情:發現數學和教數學(La vie n'est bonne qu'à deux choses: découvrir les mathématiques et enseigner les mathématiques.)。

泊松一生從事數學研究和教學,他的主要工作是將數學應用於力學和物理學中。泊松在數學方面貢獻很多。最突出的是1837年在《關於判斷的概率之研究》 一文中提出描述隨機現象的一種常用分佈,在概率論中現稱泊松分佈。這一分佈在公用事業、放射性現象等許多方面都有應用。他還研究過定積分、傅里葉級數、數學物理方程等。除泊松分佈外,還有許多數學名詞是以他名字命名的,如泊松積分、泊松公式、泊松方程、泊松定理等等。

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泊松定理

現在,就科普君一點點淺薄的數學知識來解釋一下"泊松分佈"。

泊松分佈是概率分佈的一種。所謂的概率分佈是指兩個內容:概率和分佈。概率就是一件事情發生的可能性,一般以一個在0到1之間的實數表示這個可能性的大小。概率研究的是數據,在統計學中稱為"隨機變量",數據類型分兩種:離散型(比如拋硬幣)和連續型(比如你在公交車站臺等車的時間)。所謂的離散型就是數據之間沒什麼關係,每個數據都是獨立的。連續型則相反,它可以取任何的值,而且這個取值還可以無限分割。我們可以把離散型想象成一粒粒的豆子,每個豆子都是獨立的。而連續型想象成一條棉線。說完數據,再來看什麼是分佈,分佈說白了就是數據在統計圖中的形狀。所以概率分佈就是把這兩個東西(數據類型+分佈)結合起來的一種表現手段,所以也分為離散型概率分佈和連續型概率分佈。

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連續型隨機變量

數據類型的不同對於概率有什麼影響嗎?有,數據類型會影響求概率的方法。比如離散型概率分佈,我們關心的是取得一個特定數值的概率。例如拋硬幣正面向上的概率為:p(x=正面)=1/2。而對於連續概率分佈來說,我們無法給出每一個數值的概率,因為我們不可能列舉每一個精確數值。那瞭解概率分佈有什麼意義呢?意義大大的呀。當統計學家們開始研究概率分佈時,他們看到,有幾種形狀反覆出現,於是就研究他們的規律,根據這些規律來解決特定條件下的問題。記住概率裡這些特殊分佈的好處就是:下次遇到類似的問題,你就可以直接套用"模板"(這些特殊分佈的規律)來解決問題了。以"泊松分佈"為例(終於講到正題了)。

數學史話之那一塊刺眼的亮斑泊松

泊松分佈圖

泊松分佈是離散型概率分佈的一種。它的作用就是如果你想知道某個時間範圍內,發生某件事情x次的概率是多大。你可以用泊松分佈輕鬆搞定。比如一天內中獎的次數。知道這個概率又有啥用?當然是根據概率的大小來做決策了。比如你搞了個抽獎活動,最後算出來一天內中獎10次的概率都超過了90%,然後你順便算了下期望,再和你的活動成本比一下,發現要賠不少錢。那這個活動就別搞了。泊松分佈的形狀會隨著平均值的不同而有所變化,無論是一週內多少人能贏得彩票,還是每分鐘有多少人會打電話到呼叫中心,泊松分佈都可以告訴我們它們的概率。

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泊松分佈概率函數


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