十堂極簡概率課3

帕斯卡和費馬的第二次討論是關於點數問題

點數問題

兩名水平相當的玩家正在進行一場多局賭博。每贏一局就可以得到一點。他們一致同意,第一個達到特定點數的玩家獲勝,並贏得最後賭注。在進行了若干輪之後,賭局被打斷了,此時該如何分配賭金。

帕喬利問題

1494年帕喬利考慮過這個問題:在一場只要得到6點就勝利的賭局中,甲已經獲得5點,乙已經獲得3點。帕喬利認爲此時中斷賭局後,賭金應當按5:3分配。

50年後塔爾利亞提出疑問。如果賭局繼續進行,甲贏下下一局,那他就會得到所有賭注。但是他沒有想出這個問題的答案。

費馬的解答是:假設甲和乙距離贏得賭局分別還差r點和s點,那麼賭局會在r+s-1輪結束。當然賭局也可能會提前結束。由於每輪勝負率是確定的,所以只需要考慮r+s-1輪的投擲結果即可。此時該問題簡化爲一個等概率情況問題

帕喬利問題中,最多隻要進行3輪就可以結束賭局。乙只有贏得接下來的3輪才能贏得賭局,他的期望是\frac{1}{8},而甲的期望是\frac{7}{8}。賭金應當按7:1分配。

擴大帕喬利問題

帕喬利問題中,只要計算3輪的情況即可,但有時候,輪數會更多,多到難以估計。比如,如果甲沒有得分,乙得到1分。此時終止賭局,最多還可以進行10輪,總共有2^{10}=1024中可能結果。

甲贏得賭局的情況爲:10贏6、10贏7、10贏8、10贏9、10贏10。甲的獲勝概率爲\frac{386}{1024}=0.38

因此賭金應當按38\%:62\%分配。

點數問題拓展

帕斯卡討論的另一個問題也很有趣。

他以一個賭局爲例,兩個玩家各押注32枚金幣,率先贏得三點的玩家獲勝。我們假設第一個玩家得到兩點,另一個玩家得到一點。在接下來的一輪賭局中,如果第一個玩家獲勝,他就會贏得全部賭注,即64枚金幣。如果第二個玩家獲勝,他們的點數之比就是2∶2,此時終止賭局的話,他們各自拿回自己的賭注(32枚金幣)就可以了。
費馬先生,請考慮下面這種情況。如果第一個玩家獲勝,64枚金幣就會歸他一人所有。如果他輸了,則可以得到32枚金幣。此時他們終止賭局的話,第一個玩家就會說:“我肯定可以得到32枚金幣,因爲即使我輸了,我也會得到這麼多金幣。至於另外32枚金幣,也許會歸我所有,也許會歸你所有,風險均等。因此,我們可以平分這32枚金幣。但是,另外32枚金幣肯定歸我所有。”這樣一來,他將得到48枚金幣,而另一名玩家則得到16枚金幣。

再多進行1輪。情況爲:甲、乙。甲的期望爲E=\frac{1}{2}*64+\frac{1}{4}*64=48枚金幣。乙爲E=\frac{1}{4}*64=16枚金幣。

作者的點評如下:

這不僅是在計算期望值,還以任何人都無法辯駁的方式證明了這種分配方案的公平性。你確定擁有的部分,就歸你所有;對不確定的部分,在概率相等時則雙方平分。這是對修道士帕喬利的疑問的明確解答。

繼續迭代,

現在,我們假設第一個玩家得到兩點,另一個玩家一無所獲。接下來,他們將爭奪第三輪的勝利。如果第一個玩家獲勝,那麼他將贏得所有賭注,即64枚金幣。如果第二個玩家獲勝,賭局就會回到前文討論過的情況,即第一個玩家有兩點,第二個玩家有一點。
我們已經證明,在這種情況下,48枚金幣將歸那個贏得兩點的玩家所有。此時,他們終止賭局的話,這個玩家就會說:“如果我贏了,我將獲得64枚金幣。如果我輸了,我也會理所當然地得到48枚金幣。因此,先將確定歸我所有的48枚金幣給我,因爲即使我輸了,這些金幣也是我的;然後我們再平分剩餘的16枚金幣,因爲我們得到這些金幣的概率均等。”也就是說,他將得到56(48+8)枚金幣。
現在,我們假設第一個玩家得到一點,第二個玩家一無所獲。瞧,費馬先生,如果他們開始第二輪,就會出現兩種可能的結果。如果第一個玩家獲勝,他就會擁有兩點,而對手仍然一無所獲。根據前文討論的結果,他將得到56枚金幣。如果第一個玩家輸了,他們的點數之比就是1∶1,他將得到32枚金幣。因此,這名玩家肯定會說:“如果此時終止賭局,就先從56枚金幣中把我肯定會得到的那32枚金幣給我,然後我們再平分剩下的金幣。從56枚金幣中拿走32枚,還剩24枚。

賭局至多2輪就會結束,情況分別爲:甲甲、甲乙、乙甲、乙乙。甲的期望爲E=\frac{1}{2}*64+\frac{1}{4}*64+\frac{1}{8}*64=56枚金幣。乙的期望爲8枚金幣。

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