蒙特卡洛是地中海沿岸歐洲國家摩納哥的一個城市,它以“賭城”聞名於世。那裏雲集了來自世界各地的賭徒。賭徒們贏了,可以“紙醉金迷”一番;輸了,可以到那裏的一座“自殺橋”投河自盡——生死都可以“風流”。
蒙特卡洛方法,是數學中的一種方法。那為什麼數學方法要用這樣一個“不光彩”的城市來命名呢?骰子和原子彈與它又有什麼關係呢?
數學有一門叫概率論的分支,而它的起源則是對賭博的研究。而當時歐洲在賭博時常用骰子為賭具,於是我們的故事就從15世紀歐洲用骰子的賭博開始。
意大利數學家帕巧利(1445-1514)最早對賭博中的輸贏作了估計。他於1494年發表了數學專著《算術、幾何、比和比例摘要》,其中就研究了如下賭博問題。在一次賭博中,兩個賭徒都各自要贏6次才算贏。但在一個隻贏了5次,另一個隻贏了2次時比賽就中斷了。問題是:這時應如何分配總的賭金。帕巧利的主張是按5∶2分配。雖然他並沒有正確地解答這一問題,但由此卻引起了人們的思考。
到了16世紀,另外兩位意大利數學家塔爾塔利亞(約1500-1557)和卡爾丹(1501-1576)也研究過類似的賭博問題。卡爾丹還為此寫了一本叫《賭博論》的書。書中算出了擲兩顆或三顆骰子時,在一切可能的方法中得到某一總點數的方法數;並認為上述問題的答案不是賭過的次數之比5∶2,而是應考慮剩下的次數,即總賭金應按(1+2+3+4)∶1=10∶1來分配——可見他的思路是對的,但計算方法卻不對。
16世紀末,歐洲許多國家的保險業從航海擴大到工商業。由於保險業務的擴大和保險對象都帶有隨機現象的色彩,所以迫使他們研究這樣一個問題:既要保證贏利,因此收的保險金不能太少;又要保證投保人樂意投保,因此收的保險金又不能太多。這就需要對保險問題所涉及的隨機現象進行研究而創立保險業的一般理論。於是,概率論產生的時機到了。但問題的難點是,保險問題所涉及的隨機現象常常被許多錯綜複雜的因素幹擾,因此,人們便從簡單的、容易研究的賭博問題入手,於是“骰子”再次擺到數學家們的桌子上。因此,後來有人甚至戲稱概率論為“賭博的科學”。
1654年7月29日,是概率論史上一個值得紀念的日子。這一天,法國數學家帕斯卡寫信給另一位法國數學家費馬研究了賭博問題。由於二人的通信討論,概率這一概念才比較明確。因此,二人是嚴格意義下的概論的早期創立者。當然,創立者還應加上荷蘭數學家惠更斯,因為他於1657年發表了《論賭博中的推理》。在該文中,他建立了概率和期望等重要概念,並得到相應的性質和計算方法。
那帕斯卡為什麼會給費馬寫信呢?原來,他有一個朋友叫梅雷,是一個賭徒。梅雷曾與一個侍衛官投骰子賭博,各出30個金幣,雙方約定如果梅雷先擲出了3次6點,60枚金幣就歸梅雷;侍衛官如果先擲出3次4點,60枚金幣就歸侍衛官。但意外的事發生了:正當梅雷擲出2次6點,侍衛官擲出1次6點時,侍衛官得到通知,必須馬上回去陪國王接見外賓。賭博顯然無法進行了,那賭金如何分配呢?梅雷說他應分得全部賭金的3/4即45枚金幣,而侍衛官則說自己應分得全部賭金的1/3即20枚金幣。雙方爭論不休,但誰也說服不了誰。於是梅雷就寫信向帕斯卡求教。帕斯卡對此也很有興趣,他經過研究後把這一難題和他的解答一起寄給費馬,於是就有了上述通信研究。
經過18-19世紀數學家們的研究,概率論得到了飛速發展。
到了20世紀二戰爆發後,美國在40年代進行了原子彈的研製。在這期間,出生在匈牙利的美國數學家馮·諾伊曼與另一位美國數學家烏拉姆提出了蒙特卡洛方法。當時在美國的洛斯—阿拉莫斯實驗室工作的物理學家要計算中子在各個不同介質中遊動的距離,研究鏈式反應。上述二人利用數值計算的方法和技巧,在計算機上實現了第一個蒙特卡洛的程序,跟蹤大量的中子,模擬每個中子遊動的“生命”曆史,然後作統計處理,使中子運動的統計規律性得以呈現。
從此,蒙特卡洛方法開始得到廣泛應用。數學、物理、化學、國民經濟、科研各學科和部門,都可以在通常的解析方法或數值方法難以得到解答時大顯身手。而這一方法的建立則得益於概率論的發展,概率論又來自對賭博的研究。所以,以賭城——蒙特卡洛命名便不足為奇了。