Wielkie odkrycie 1889 — Galton

Deska Galtona

Rozszerzenie tematu rozkładu normalnego i dwumianu. Kulki spadające przez siatkę kołków odbijają się losowo w lewo/prawo, a mimo to słupki układają się w krzywą dzwonową — bo rozkład dwumianowy dąży do normalnego (centralne twierdzenie graniczne). Przyrząd wymyślił Francis Galton w 1889 r.

Deska Galtona
Matematyka · Prawdopodobieństwo · Deska Galtona (1889)
Liczba rzędów kołków nn8 rzędów
Po zrzuceniu tysięcy kulek przez kołki powstanie kształt…
rzędów n
8
koszyków
9
P środka
27.3%
odch. std. σ
1.41
🎯 Wyzwanie: trafuj P środkowego koszyka
seria: 0

Dam Ci docelowe P środkowego koszyka — ustaw liczbę rzędów n tak, by rozkład dwumianowy C(n,k)/2ⁿ je dał.

Co się właśnie stało?

Deska Galtona (ang. Galton board, quincunx) to przyrząd wymyślony przez Francisa Galtona w 1889 r. Kulka, spadając przez siatkę 8 rzędów kołków, na każdym kołku odbija się losowo w lewo lub w prawo z prawdopodobieństwem 12\tfrac{1}{2}. Liczba ruchów w prawo decyduje o tym, do którego koszyka trafi.

Rozkład dwumianowy

Liczba ruchów w prawo ma rozkład dwumianowy: prawdopodobieństwo trafienia do koszyka k wynosi

P(k)=(nk)2nP(k)=\dfrac{\binom{n}{k}}{2^n}

Licznik (nk)\binom{n}{k} to liczba różnych ścieżek prowadzących do koszyka k (dwumian Newtona, wiersz trójkąta Pascala). Do środkowych koszyków prowadzi najwięcej dróg, więc są najbardziej prawdopodobne — stąd słupki są tam najwyższe.

Z chaosu rodzi się porządek

Choć trasa każdej kulki jest czysto losowa, po zsumowaniu tysięcy kulek słupki układają się w regularną krzywą dzwonową (Gaussa). Dzieje się tak, bo rozkład dwumianowy dla dużego n dąży do rozkładu normalnego — to centralne twierdzenie graniczne:

(nk) ⁣/2n  →  n→∞    1σ2π e−(k−μ)22σ2\binom{n}{k}\!\Big/2^n \;\xrightarrow[\;n\to\infty\;]{}\; \dfrac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\,e^{-\frac{(k-\mu)^2}{2\sigma^2}}

ze środkiem μ=n2\mu = \tfrac{n}{2} i odchyleniem standardowym σ=n2\sigma = \tfrac{\sqrt{n}}{2}. W panelu po prawej widać, jak dokładne prawdopodobieństwa dwumianowe pokrywają się ze znacznikami gęstości normalnej — tym lepiej, im większe n.

Dlaczego to ważne

Deska Galtona to piękna, namacalna ilustracja, jak z czystego chaosu pojedynczych zdarzeń rodzi się precyzyjny porządek statystyczny. To klasyczny model pokazujący wszechobecność rozkładu normalnego w przyrodzie: wzrost ludzi, błędy pomiaru, wyniki testów — wszędzie tam, gdzie wynik jest sumą wielu drobnych, niezależnych wpływów.

Po co Ci to na maturze:

Rozkład dwumianowy P(k)=(nk)pk(1−p)n−kP(k)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k} (tu p=12p=\tfrac12) opisuje liczbę sukcesów w n niezależnych próbach — to podstawa zadań o schemacie Bernoulliego. Gdy prób jest dużo, przybliżamy go rozkładem normalnym. Chwyt: gdy w zadaniu jest „n niezależnych prób”, licz przez (nk)\binom{n}{k}, a dla dużego n spodziewaj się „dzwonu”.

Zapamiętaj: prawdopodobieństwo koszyka k to C(n,k)/2nC(n,k)/2^n (rozkład dwumianowy), a suma wielu losowych odbić układa się w krzywą dzwonową — rozkład normalny (centralne twierdzenie graniczne).

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Droga kulki

Na każdym z mm poziomów kulka skręca w prawo z prawdopodobieństwem 12\tfrac12. Liczba skrętów w prawo ma rozkład dwumianowy: P(k)=(mk)(12)mP(k)=\binom{m}{k}\left(\frac12\right)^{m}

Przejście do dzwonu

Dla dużego mm rozkład dwumianowy dąży do normalnego (centralne twierdzenie graniczne) — słupki układają się w krzywą Gaussa.

Sedno

Z czysto losowych odbić wyłania się regularny, powtarzalny kształt.

Oznaczenia: mm liczba poziomów, kk liczba skrętów w prawo, (mk)\binom{m}{k} symbol Newtona.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Jaki kształt powstaje na desce Galtona?

Krzywa dzwonowa (rozkład normalny) — mimo że trasa każdej kulki jest czysto losowa.

›

Dlaczego z losowości powstaje regularny kształt?

Bo liczba odbić w prawo ma rozkład dwumianowy, a ten dla dużego n dąży do rozkładu normalnego (CTG).

›

Kto wymyślił deskę Galtona?

Francis Galton w 1889 r. — jako model pokazujący wszechobecność rozkładu normalnego.