为什么频率会趋于概率?

这个问题是我高中时候提出来的,本质上就是在问“为什么频率会趋于概率”。这个问题,我思考了很久,考虑了物理与神经网络等概念,目前已经基本解决,一开始我怀疑这和意识有关,但后来发现,即使完全抛弃意识,只考虑物理过程,这个均衡性依然自然涌现——频率趋于概率的原因在于自然界所有的力满足一种平滑的分布,这是显然成立的。

为什么我一开始认为频率趋于概率与意识有关呢?因为概率是由意识主观确定的,我觉得可能这是连接意识与自然界的一切事件的某种“桥梁”,但是,如果考虑意识只是神经网络的输入输出,那么即使没有意识的存在,自然界的一切事件很可能还是遵循现有的物理规律,自然界自身的“抛硬币”依然会遵循50%的正反面概率——比如把一枚硬币放在火山口。

因此我决定抛弃意识这一概念的参与,仅考虑物理过程,无论是经典牛顿力学、相对论还是量子力学,基本粒子都满足某种微分方程或者微分方程组,这种微分方程(组)某种程度上预言了粒子的未来。统计抛硬币的初始状态与结果,无论在时空中怎么取子集,只要足够大,都会得到比较均匀的分布。

我决定思考“抛硬币这一过程的最简单的情况的建模”——一根质量为m的均匀的极细的杆子,放置在平面直角坐标系中,它的长度为20cm,覆盖坐标系中的坐标[-10,10],假设受到垂直向下的重力加速度g=10N,在右端(10,0)的坐标施加一个向上的力,很显然整个杆子会受到向上的力,同时也会产生一个力矩让它旋转。力越大,抛得越高,翻转次数越多,翻转次数的奇偶性决定了正反面。

同时我们要考虑施力方式,因为随机施力这一概念类似“贝特朗悖论”,如果不严格定义,无法计算。大量实验下力的大小满足正态分布是一个不错的假设,我们可以假设固定用力时长,或者假设固定位移大小...

经过计算可以得出结论——翻转次数在很多假设下与力的大小成正比,或者与力的某个次方成正比。(具体推导略去,这里只保留直观结论

我们先来看正比的情况,如果是正比,那可以发现——力每增加一个值,正反就变一下,如果力在大量实验下满足正态分布,硬币正反面次数相近可以等价于——在对应正反面的次数的积分相等。

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可以很显然得看到 如果步长相对于标准差较大的话,那么黑白区间的积分可能是不等的,所以我们要考虑步长极小的情况,这和我们平常抛硬币时候的情况对应——抛硬币用的力一般都是挺大的,硬币抛得挺高,如果用力比较小,那么正反面的概率就不那么趋近于50%了。经过ChatGPT的启发,他告诉我这个积分就正态分布函数与与方波的卷积...但是我不想考虑太多数学上的东西,如果考虑步长极小,那么每一个小区间上左右的值很显然是近似的(只要这个函数足够的光滑,具体多光滑涉及到数学,我就不考虑了)。即使力的分布不是正态分布,只要足够光滑,决定正反的步长足够小,就可以得到正反面次数相近的结果。

当然,我们也要考虑别的情况,如果翻转次数与力的某个次方成正比呢?实际上就是把x轴放缩一下,虽然这个放缩在x轴上是不均匀的,但是原本光滑的函数还是光滑的,所以我不需要太高深的数学也证明了如下结论——频率趋于概率的根源在于,自然界中的力和初始条件遵循平滑而宽的分布,这保证了在大量统计中类似硬币这样的事件的结果的分布很均匀。