十堂极简概率课3

点数问题

帕斯卡和费马的第二次讨论是关于点数问题

点数问题

两名水平相当的玩家正在进行一场多局赌博。每赢一局就可以得到一点。他们一致同意,第一个达到特定点数的玩家获胜,并赢得最后赌注。在进行了若干轮之后,赌局被打断了,此时该如何分配赌金。

帕乔利问题

1494年帕乔利考虑过这个问题:在一场只要得到6点就胜利的赌局中,甲已经获得5点,乙已经获得3点。帕乔利认为此时中断赌局后,赌金应当按5:3分配。

50年后塔尔利亚提出疑问。如果赌局继续进行,甲赢下下一局,那他就会得到所有赌注。但是他没有想出这个问题的答案。

费马的解答是:假设甲和乙距离赢得赌局分别还差r点和s点,那么赌局会在r+s-1轮结束。当然赌局也可能会提前结束。由于每轮胜负率是确定的,所以只需要考虑r+s-1轮的投掷结果即可。此时该问题简化为一个等概率情况问题

帕乔利问题中,最多只要进行3轮就可以结束赌局。乙只有赢得接下来的3轮才能赢得赌局,他的期望是\frac{1}{8},而甲的期望是\frac{7}{8}。赌金应当按7:1分配。

扩大帕乔利问题

帕乔利问题中,只要计算3轮的情况即可,但有时候,轮数会更多,多到难以估计。比如,如果甲没有得分,乙得到1分。此时终止赌局,最多还可以进行10轮,总共有2^{10}=1024中可能结果。

甲赢得赌局的情况为:10赢6、10赢7、10赢8、10赢9、10赢10。甲的获胜概率为\frac{386}{1024}=0.38

因此赌金应当按38\%:62\%分配。

点数问题拓展

帕斯卡讨论的另一个问题也很有趣。

他以一个赌局为例,两个玩家各押注32枚金币,率先赢得三点的玩家获胜。我们假设第一个玩家得到两点,另一个玩家得到一点。在接下来的一轮赌局中,如果第一个玩家获胜,他就会赢得全部赌注,即64枚金币。如果第二个玩家获胜,他们的点数之比就是2∶2,此时终止赌局的话,他们各自拿回自己的赌注(32枚金币)就可以了。
费马先生,请考虑下面这种情况。如果第一个玩家获胜,64枚金币就会归他一人所有。如果他输了,则可以得到32枚金币。此时他们终止赌局的话,第一个玩家就会说:“我肯定可以得到32枚金币,因为即使我输了,我也会得到这么多金币。至于另外32枚金币,也许会归我所有,也许会归你所有,风险均等。因此,我们可以平分这32枚金币。但是,另外32枚金币肯定归我所有。”这样一来,他将得到48枚金币,而另一名玩家则得到16枚金币。

再多进行1轮。情况为:甲、乙。甲的期望为E=\frac{1}{2}*64+\frac{1}{4}*64=48枚金币。乙为E=\frac{1}{4}*64=16枚金币。

分析

作者的点评如下:

这不仅是在计算期望值,还以任何人都无法辩驳的方式证明了这种分配方案的公平性。你确定拥有的部分,就归你所有;对不确定的部分,在概率相等时则双方平分。这是对修道士帕乔利的疑问的明确解答。

继续迭代,

现在,我们假设第一个玩家得到两点,另一个玩家一无所获。接下来,他们将争夺第三轮的胜利。如果第一个玩家获胜,那么他将赢得所有赌注,即64枚金币。如果第二个玩家获胜,赌局就会回到前文讨论过的情况,即第一个玩家有两点,第二个玩家有一点。
我们已经证明,在这种情况下,48枚金币将归那个赢得两点的玩家所有。此时,他们终止赌局的话,这个玩家就会说:“如果我赢了,我将获得64枚金币。如果我输了,我也会理所当然地得到48枚金币。因此,先将确定归我所有的48枚金币给我,因为即使我输了,这些金币也是我的;然后我们再平分剩余的16枚金币,因为我们得到这些金币的概率均等。”也就是说,他将得到56(48+8)枚金币。
现在,我们假设第一个玩家得到一点,第二个玩家一无所获。瞧,费马先生,如果他们开始第二轮,就会出现两种可能的结果。如果第一个玩家获胜,他就会拥有两点,而对手仍然一无所获。根据前文讨论的结果,他将得到56枚金币。如果第一个玩家输了,他们的点数之比就是1∶1,他将得到32枚金币。因此,这名玩家肯定会说:“如果此时终止赌局,就先从56枚金币中把我肯定会得到的那32枚金币给我,然后我们再平分剩下的金币。从56枚金币中拿走32枚,还剩24枚。

赌局至多2轮就会结束,情况分别为:甲甲、甲乙、乙甲、乙乙。甲的期望为E=\frac{1}{2}*64+\frac{1}{4}*64+\frac{1}{8}*64=56枚金币。乙的期望为8枚金币。

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