費曼誕辰:談科學精神、機率和不確定性

費曼誕辰:談科學精神、機率和不確定性
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我們想讓你知道的是

面對我們不喜歡的結論時,我們更加要時刻警覺,不可以故意忽略某些數據去令結論變得比較滿意。欺騙他人很容易,但這代表我們同時欺騙了自己。

今天是理查.費曼(Richard Feynman, 11/5/1918 – 15/2/1988)的98歲誕辰。1964年他在康奈爾大學(Cornell University)的著名演講《The Character of Physical Laws》裡,曾經說過:

It is scientific only to say what is more likely and what less likely, and not to be proving all the time the possible and impossible.

費曼是一位理論物理學家、1965年諾貝爾物理學獎得主。雖然他的專業是抽象的理論物理,但他對科學的本質有深刻的見解。他說,科學並非去說什麼事情是可能或不可能。科學,是用理性與邏輯去分析事情的可能性。因為所有實驗、觀測,都必然有誤差和不確定性。

We have found it of paramount importance that in order to progress we must recognize our ignorance and leave room for doubt. Scientific knowledge is a body of statements of varying degrees of certainty – some most unsure, some nearly sure, but none absolutely certain.

我們幾乎可以說在這個宇宙之中,沒有任何事情是我們能夠百分百肯定的。我們必須要承認自己的無知、對事物心存懷疑。然而,我們不應該一味地說因知識所限,故所有的可能性都有同等地位。無知,並不代表我們對所有可能性都是同樣地不肯定。我們應該做的是不單止要把我們無知的部分考慮在內,更要把我們已知的部分同時考慮在內,這樣才是真正的客觀。

我來舉一個簡單的例子。我們有一個硬幣。我們可以問:這硬幣擲出來的正反面機率是多少?

想要知道答案,我們必須收集數據。如何收集?很簡單,拿這硬幣去擲,看看擲出正面和反面的頻率是否一樣就可以了。當然,在進行這個非常簡單的實驗之前,我們可以先猜一猜。

正常情況下,如果我們沒有任何關於這硬幣的資訊,我們可能會猜測擲出正面的機率與擲出反面的機率相等,即是擲出正面的機率大概會是50%,即0.5,而且有一定的誤差。數學上這可以用一個峰值位於0.5的分佈表示。

或者,如果我們更加想表達對硬幣的資訊一無所知的話,我們也可以說擲出正面的機率介乎0(即是永遠不可能擲到正面)到1(即是永遠不可能擲到反面)之間,0 head bias | I ) head bias代表得出正面的傾向、I 代表我們所知關於此硬幣的資訊、符號 | 是「在此情況下」的意思而已。如果head bias是0.5的話,就代表這個硬幣是公平的。如果head bias小於0.5,就代表這硬幣傾向擲出反面,反之亦然。

猜完之後,我們就開始收集數據。我們會擲一次、兩次、三次、四次……我們可以擲很多很多次,把所有的正面和反面出現的次數寫下來,直到我們認為足夠為止。最理想的當然是無窮無盡不停地擲下去,但明顯這是不可能的,因為我們沒有無限的時間。就讓我們停止在第N次吧!

如果我們把「在開始實驗之前假設擲出正面的機率大概是一個峰值位於0.5的分佈,而我們知道擲出的結果不是正就是反」叫做資訊 I,我們就可以計算出在I情況下根據N次擲出的結果 {data} 所得出的傾向擲出正面機率 prob( head bias | {data}, I )。因為我很懶不想自己用手擲,下圖就是我用電腦模擬的計算結果:

gaussianprior1

使用電腦模擬擲一個不公平的硬幣。前設是一個平均值為 0.5 的高斯分佈。

縱軸是傾向擲出正面的機率、橫軸是擲出正面的傾向,不同顏色代表由1次到1024次不同的拋擲次數N。我們可以看到,機率的峰值由很少拋擲次數(N = 1, 2, 4, 8 trials)時位於0.5附近,到擲了很多次之後(N = 128, 256, 512, 1024)移到0.25附近。而且,這個分佈的形狀亦由很闊變得越來越窄。為什麼呢?其實很簡單,因為我預先設定了這硬幣是不公平的,head bias = 0.25。換句話說,我預設了此硬幣傾向擲出反面多於正面,比例是每三次反面只有一次正面。

N很小時,我們數據不足、不能確定這個硬幣的傾向,因此分佈的形狀很闊。當N越來越大,即我們擁有的數據越來越多,我們就能比較肯定這個硬幣的傾向,分佈的形狀就變窄了。

《神探伽利略》劇照。湯川學說明為什麼只憑猜測和直覺很容易會犯錯。

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這就是一個最簡單的數據分析示範。也是為什麼費曼說我們要去分析事情發生的可能性,而不要只是說「有可能」或「不可能」。由此例子我們可以清楚的看到,只根據很少的數據去猜測,很可能會得出錯誤的結論。

我們也可以對另一個假設重複以上分析(當然是用電腦模擬,不然擲到手斷也擲不完一千次……),即在非常無知,0 head bias | I )

同樣的電腦模擬,不過前設為一個由 0 到 1 的均等分佈。

同樣的電腦模擬,不過前設為一個由 0 到 1 的均等分佈。

與我們預期一樣,在擲了一千多次之後,計算結果已經非常接近預設的0.25。值得留意的是在N很小的時候,分佈的闊度比上面的分析闊非常多。這很合理,因為我們假設了一個均等的前設!

我們可以看到,在對一個理論非常無知的情況下,數據是非常非常重要的。如果我們只有寥寥可數的幾個數據,就要謹記我們的誤差會非常之大。例如我們常聽到人說「我幾個朋友都有xxx的情況」,我們就應該份外留心,這些結論的不確定性會非常之大。

反之,如果我們知道一個理論的背後有著非常大量的數據支持,例如經過廣泛科學界、很多科學家驗證過的理論,我們就有理由相信這些結果的不確定性會很小。這就是科學精神,是理性、客觀的分析。

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