用概率玩游戏

来源 :科学24小时 | 被引量 : 0次 | 上传用户:squallleo2009
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  除了应用于那些高大上的金融行业外,概率论还能为我们设计一些小小的消遣游戏。毕竟人们虽然希望避免天灾人祸这样巨大的不确定性,但却十分欢迎无伤大雅小小的不确定性。一场游戏,一局胜负,就能换来大家的欢笑。在桌上弹跳的骰子,在指尖翻动的硬币,都能给我们带来紧张刺激的乐趣。
  既然偶有闲暇,何不玩个小游戏?
  完全公平的对决
  与纸币相比,虽然硬币的流通价值通常不大,但它却具有一个保卫世界和平的职能——解决各种争端。据说,当遇到不可调解的分歧时,为了做出决定,人们的首选往往是猜拳,其次就是抛掷硬币。就连足球赛场上开球方的选择,也是由硬币决定的。
  如果一枚硬币两面的性质(如重量、材质等)完全一样,那么掷出正面或者反面的可能性显然是均等的——应当是50%与50%。但事实却并非如此,由于设计的原因,硬币正反面的花纹是不一样的,从而导致了重心与中心的微小偏差。
  以人民币一元硬币为例,正面是代表面额的“1”字,而反面则是菊花,那么重心就会稍微偏向反面;欧元就更麻烦了,不同欧元区国家的铸币厂会打造出不同的背面花纹,因此重心偏向也因这些花纹而异。正是因为这小小的重心偏向,导致我们在掷硬币时,正反面出现的概率也会有些许偏差。幸好因花纹导致的概率偏差非常小,我们在日常生活中往往可以忽略不计。
  但是,我们有没有办法修正这个偏差呢?或者,至少能找到一个方法,让有重心偏向的硬币产生无偏差的结果,使游戏尽量公平呢?
  我们假设某枚硬币掷出正面的概率是p,并用以下方法产生抛掷硬币的结果:掷两次硬币,如果两次的结果相反,则认定后掷出的情况为结果,否则重新再掷两次。更具体地说,如果结果是“反正”的话,那就当作掷出了正面;如果是“正反”的话,那就认定结果为反面;如果是“正正”或者“反反”的话,那就重新再来。
  在这样的游戏设定中,每次抛掷硬币,结果为正面或反面的概率都是p(1-p),显然是完全公平的。以后再跟你的朋友玩硬币游戏的时候,切记使用这个方法,并告诉他:“这是理性的科学!”
  掷硬币排先后
  如果你和你的小伙伴需要决定游戏时的先后顺序,那么抛硬币应当是个很好的解决方案。但如果小伙伴不止一位的话,单靠硬币可能就不太容易解决问题了。
  假设我们要从四个人里公平地选出一人,那么共掷两次硬币,并将四种不同的结果(正正、正反、反正、反反)分别指派给每个人,掷出哪种结果就选哪个人,这个方法似乎还是挺方便的。当然,只有总人数为偶数时,才可以使用这种方法,但如果只有三个人呢?
  面对这种情况,我们还有一种比较容易的解决方法:还是抛掷两次硬币,并将正正、正反、反正三种结果指派给三个人。如果掷出的结果是指定的结果之一,那么就选出对应的人。当然,如果我们运气不好,掷出“反反”的结果,那就重新开始另一轮的硬币抛掷。
  显然,这种方法保证了游戏的公平性。因为在每轮硬币抛掷中,每种结果出现的概率都是相同的。但万一我们一连好几轮都掷出“反反”,那这种方法会不会过于浪费时间了呢?
  不可能!我们不妨计算一下,每轮掷出“反反”重新开始的概率恰好是1/4,而n轮都出现如此情况的概率应当是1/4的n次方。当n越来越大的时候(即抛掷硬币轮数越来越多),这个概率会迅速变小。如果n=5,那么数值已经变成1/1024了。试想一下,3个骰子同时掷出“6”的概率也仅有1/216而已。
  其实直观来看,一轮抛掷无法决出结果的概率也并不高,所以这个方法应当不会耗费我们太多时间。更严格的计算表明,用上述方案从三个人中选出一个,平均只需要抛掷8/3次硬币就能得出结果,算起来也只比两次多一点点而已,说明这种方法相当有效。
  这种方法可以推广到任意人数,而且平均需要投掷硬币的次数也一定不会太多。事实上,不论使用哪种方法,随着人数的增长,平均投掷次数也一定会相应增加。
  杯子下的鸡蛋
  你一定看到过魔术师常常用杯子、鸡蛋和硬币作为道具,向观众展示他的魔法。假如今天我们的游戏也有三个不透明的纸杯,倒扣在桌上,其中分别藏着两枚硬币和一个鸡蛋,然后由你的朋友偷偷将它们的位置随机打乱,而你的任务就是指出鸡蛋的正确位置。如果只有一次机会,显然你完成任务的概率只有1/3。
  如果你的朋友还愿意给你一点帮助,那结果会有所改变吗?当你指定一个杯子藏有鸡蛋后,那么其余的两个杯子中至少有一个藏着一枚硬币。这时,如果你的朋友在那两个杯子中,打开了一个藏着硬币的杯子,那么你该如何选择?是依旧坚持原来的决定,还是换另一个杯子?也许你会问,这两个选择之间有什么不同吗?既然已经有一个藏着硬币的杯子打开了,那选择剩下两个杯子中的任意一个不都一样吗,换与不换有什么区别呢?
  如果我们换一种思考方式,得到的结果就会大不相同。假如你还是坚持原来的选择,那么无论你的朋友在游戏中途做了什么,都不会影响你的获胜概率——仍旧和原来一样,是1/3。但如果你更换选择,那么获胜概率就会变成2/3。这究竟是什么原因,为什么换一个杯子会让你的获胜概率提高1倍呢?
  让我们来做一个详细的概率分析。如果一开始你就选择了正确的杯子,那么换杯子的确会导致失败,但这种情况发生的概率只有1/3。但如果一开始你就没有选对杯子,那么剩下的两个杯子中就一个是硬币,一个是鸡蛋。由于你的朋友给了你一点小帮助,那么很显然,剩下的那个杯子里藏有鸡蛋。如果此时你更改选择的话,必然能完成任务,而这种情况发生的概率则是2/3。
  其实我们不难理解,之所以换与不换的结果有差别,就是因为你的朋友知道鸡蛋在哪里。而他通过打开一个藏有硬币的杯子,间接地帮助你缩小了范围,确定了答案。
  这个问题又被称为“三门问题”,其基础模型正是出自那档著名的美国电视节目《Let’s make a deal》。在节目中,选手会面对一个大屏幕,大屏幕上有3扇门,其中两扇藏着羊,另一扇则藏着汽车,能选出藏有汽车那扇门的参赛者就能开走它。游戏的玩法与上述的硬币、鸡蛋游戏如出一撤。如果我们能掌握点概率学知识,说不定关键时刻就能得偿所愿!
  当然,除了应付这些小游戏外,概率论还能在很多“大游戏”中一显身手。譬如在网游中,如何更有效地获取稀有道具;或是在特定情境下,如何在增加一倍攻击力和拥有10%概率打出10倍暴击的道具间做出选择。这些问题都能由概率论给出答案。
  虽然概率的美妙之处就在于它的随机性和不确定性,但我们不得不承认,玩游戏时用概率,算算更有趣!
  让我们准备3张卡片,1号卡片正反面都是黑色(A与D),2号卡片正反面都是红色(B与E),3号卡片一面是黑色、另一面是红色(C与F)。然后把卡片放进一个盒子里,摇一摇,让对手抽一张平放在桌子上,接着和他赌反面的颜色和正面的一样。
  直觉告诉我们,获胜的概率应当是1/2,但事实上并非如此。在这个被称为“三张卡片的骗局”的游戏中,你的获胜概率究竟是多少呢?
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