Магия математики. Как найти x и зачем это нужно

Одна из самых моих любимых задач, связанных с вероятностью, – задача о сочетании пар. Представьте себе класс, состоящий из n учеников. Учитель раздает им тетрадки с проверенным домашним заданием. Но то ли по рассеянности, то ли от усталости раздает он их как попало, в случайном порядке (то есть тетрадка может попасть как к своему хозяину, так и к любому другому ученику). Каков шанс того, что ни одна из тетрадок не попадет в «правильные» руки? Иными словами, если мы возьмем все числа от 1 до n и «перемешаем» их в произвольном порядке, какова вероятность того, что ни одно из них не совпадет со своей «правильной» позицией? Например, при n = 3 чи́сла 1, 2 и 3 можно «перемешать» 3! = 6 разными способами, но под наши условия подходят только два из них: 231 и 312. Следовательно, для n = 3 нужная нам вероятность составит 2 к 6 или 1 к 3.

С количеством тетрадей, равным n, существует n! возможных способов распределения их между учениками. Количество тех из них, которые соответствуют нашим условиям, обозначим как D_n. Тогда шанс того, что никто из учеников не получит свою тетрадку, составит p_n = D_n/n!. Если n равно 4, то D_n будет равно 9:

2143, 2341, 2413, 3142, 3412, 3421, 4123, 4312, 4321

И тогда p₄ = D₄/4! = 9/24 = 0,375.

А вот каковы вероятности для других значений n:

С увеличением n значение pn будет все ближе и ближе подбираться к 1/e. И вот что самое удивительное: вероятность попадания тетрадок в руки их законных хозяев совершенно не зависит от количества учеников в классе, будь их десять, сто или миллион. И вероятность эта эти очень-очень близка к величине 1/e.

Но откуда берется это 1/e? В первом нашем представлении, с числом учеников, равным n, возможность каждого из них получить свою тетрадь составляет 1/n, а возможность получить чужую – 1 – (1/n). Возьмем последнюю величину и распространим ее на весь класс:

Почему приблизительно, спросите вы? Да потому что здесь, в отличие от задачи с лотерейными билетами, мы не сталкиваемся с последовательностью независимых друг от друга событий. Количество тетрадок ограничено, поэтому первое же «попадание» учителя в цель немного увеличит шансы второго ученика получить чужую тетрадку (то есть вместо 1/n мы будем иметь уже 1/(n – 1)), а первый же «промах» – немного уменьшит. Но так как и в том и в другом случае вероятность изменяется незначительно, на верности нашего представления это не слишком сказывается.

Точное же значение p_n основывается на бесконечной последовательности для e^x:

Если в этом уравнении мы подставим x

= –1, у нас получится

То есть в классе, состоящем из n учеников, вероятность того, что никто из них не получит свою тетрадь, составляет ровно

Например, если n = 4, p_n = 1 – 1 + 1/2 – 1/6 + 1/24 = 9/24 – ответ, к которому мы уже приходили выше. Приближение к 1/e здесь невероятно стремительно. Промежуток между p_n и 1/e меньше, чем 1/(n + 1)!. Следовательно, значение p₄ находится в диапазоне от 1/5! = 0,0083 до 1/e, значение p₁₀ совпадает с 1/

e вплоть до 7 знаков после запятой, а значение p₁₀₀ – вплоть до 150 знаков!

Отступление

Теорема: Число e является иррациональным.

Доказательство: Предположим обратное – что число e является рациональным. Тогда при положительных целых значениях m и n будет верно то, что e = m/n. С помощью n разобьем бесконечную последовательность для e на две части – так, чтобы e было равно L + R, то есть

Обратите внимание, что n!e

= en(n–1)! = m(n–1)! должно быть целой величиной (потому что и m, и (n – 1)! суть целые величины), равно как и n!L (потому что n!/k! есть целая величина при любом k ≤ n). Следовательно, n!R = n!e – n!L представляет собой разность двух целых чисел, а значит, и само является целым числом, что невозможно: поскольку условие, что n ≥ 1, означает, что

Не существует целых величин меньше 1, поэтому мы не можем считать n!R целым числом. Значит, наше предположение, что e = m/n, ведет к противоречию, из чего следует, что число e – иррациональное.◻

Уравнение Эйлера