Умблик
Справочник вероятности
Законы и теоремы
Вероятность и статистика · Законы и теоремы

Закон больших чисел

Почему частота стабилизируется в длинной серии и почему это не обязывает монету исправлять прошлое.

9 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Он объясняет устойчивость частот и выборочных средних, но защищает от ошибки игрока: длинная серия стабилизируется не потому, что следующий результат обязан компенсировать прошлые отклонения.

Главная идея. Закон больших чисел говорит, что в длинной серии независимых одинаковых испытаний частота Xₙ/n становится близкой к вероятности p: шанс заметного отклонения уменьшается при росте n.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Проверьте условия серии: одинаковый шанс успеха, независимость испытаний и заранее выбранный допуск ε для частоты.
  2. Отделите абсолютное отклонение числа успехов от относительного отклонения частоты и сравнивайте именно Xₙ/n с p.
  3. Интерпретируйте предел как уменьшение вероятности большой ошибки, а не как точное равенство после некоторого универсального номера опыта.

Частая ошибка. Решать, что после длинной серии орлов монета «должна» выдать решку, или ожидать монотонного приближения частоты к p в каждой конкретной траектории.

Как проверить себя. При независимых бросках следующий шанс остаётся прежним; стабилизация возникает потому, что новые результаты уменьшают относительный вес раннего отклонения во всей накопленной частоте.

Схема к теме

Наглядная модель: Закон больших чисел

Почему частота стабилизируется в длинной серии и почему это не обязывает монету исправлять прошлое.

Наглядная модель: Закон больших чиселПочему частота стабилизируется в длинной серии и почему это не обязывает монету исправлять прошлое.закон большихчиселсходимостьчастотасреднееБернуллиЗакон большихчисел
  • Закон больших чисел → закон больших чисел
  • Закон больших чисел → сходимость
  • Закон больших чисел → частота
  • Закон больших чисел → среднее
  • Закон больших чисел → Бернулли
Схема связывает понятие «Закон больших чисел» с его ключевыми признаками. Вывод: Свяжите определение, условия и обозначения: тогда формула станет краткой записью уже понятной идеи.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Поясните, как абсолютная ошибка 200 орлов в 10 000 бросках может быть больше ошибки 10 орлов в 100 бросках, хотя частота в первом случае ближе к 1/2.

В хорошем объяснении есть:

  • Абсолютные отклонения переведены в доли 200/10000 и 10/100.
  • Сформулировано вероятностное, а не детерминированное содержание закона.

Длинная серия устойчивее короткой

В десяти бросках честной монеты семь орлов не выглядят удивительно. В ста тысячах независимых бросков частота обычно гораздо ближе к 0,50{,}5. Закон больших чисел объясняет эту стабилизацию. Он не обещает точного равенства частоты и вероятности в конечной серии.

Для независимых испытаний с одинаковой вероятностью успеха pp обозначим число успехов в первых nn испытаниях через XnX_n. Частота — Xn/nX_n/n. Для любого заранее выбранного допуска ε>0\varepsilon>0 вероятность отклонения частоты от pp более чем на ε\varepsilon стремится к нулю при росте nn. Это сходимость по вероятности.

Первое знакомство с законом относится к школьному маршруту 9 класса. Формальная запись сходимости и оценка разброса в этой статье — углубление; краткий фильтр по классу не означает, что всё доказательство обязательно в 9 классе.

Что показывает график

Каждая точка траектории использует все наблюдения до этого момента. Поэтому соседние точки зависимы: это не разные независимые серии. Частота может то приближаться к pp, то удаляться. Теорема не утверждает монотонного сближения или существования универсального числа бросков, после которого ошибка исчезнет.

Абсолютная разность между числом орлов и половиной числа бросков может расти, пока относительная разность уменьшается. Например, 6060 орлов из 100100 отличаются от половины на 1010, а 52005200 из 1000010000 — на 200200. Но ошибка доли уменьшилась с 0,10{,}1 до 0,020{,}02.

Монета ничего не должна

Если в десяти независимых бросках честной монеты выпали десять орлов, вероятность орла в одиннадцатом остаётся 1/21/2. Прошлое не заставляет решку «компенсировать» перевес. Новые наблюдения постепенно уменьшают вес старой короткой серии в общей доле.

Такая компенсация не нужна и для средней частоты. Условное ожидаемое число орлов после ещё 9090 бросков — 10+45=5510+45=55, а ожидаемая общая частота — 0,550{,}55. Это ожидание, а не предсказание точного результата.

Углубление: насколько уменьшается разброс

В схеме Бернулли дисперсия частоты равна p(1−p)/np(1-p)/n, а стандартное отклонение — p(1−p)/n\sqrt{p(1-p)/n}. Чтобы уменьшить это стандартное отклонение вдвое, нужно увеличить число испытаний вчетверо. Уменьшение разброса не является жёсткой границей ошибки каждой серии.

Для независимых одинаково распределённых числовых величин с конечным математическим ожиданием существует и общая версия закона: выборочное среднее приближается к ожиданию. Это более широкое утверждение; формула p(1−p)/np(1-p)/n относится именно к частоте индикаторов успеха.

Три примера

  1. При p=0,5p=0{,}5 и n=100n=100 стандартное отклонение частоты 0,25/100=0,05\sqrt{0{,}25/100}=0{,}05. Это 55 процентных пунктов, не 5%5\% относительной ошибки.
  2. При тех же условиях, но n=400n=400, стандартное отклонение 0,0250{,}025. Число испытаний выросло в четыре раза, разброс уменьшился в два.
  3. После 2020 бросков было 1010 орлов: ошибка частоты нулевая. Следующий орёл даёт 11/21≈0,52411/21\approx0{,}524, и ошибка возрастает. Один такой шаг полностью совместим с законом больших чисел.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

P ⁣(∣Xnn−p∣>ε)⟶0,n⟶∞P\!\left(\left|\frac{X_n}{n}-p\right|>\varepsilon\right)\longrightarrow0,\qquad n\longrightarrow\infty

Формула словами: Для независимых одинаковых испытаний Бернулли и любого фиксированного ε > 0 частота сходится к p по вероятности.

Var⁡ ⁣(Xnn)=p(1−p)n\operatorname{Var}\!\left(\frac{X_n}{n}\right)=\frac{p(1-p)}{n}

Формула словами: В схеме Бернулли дисперсия частоты убывает обратно пропорционально числу испытаний.

От формулы к наблюдению

Попробуйте самостоятельно

Измените параметры и сопоставьте расчёт с результатами случайного эксперимента.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.