“杯中球”的奥秘

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  周末,阿才和爸爸去了公园。
  “那是什么?”阿才突然问道。不远处一个热闹的游戏摊位引起了父子俩的注意。只见这个摊位前面立了一块木板,上面写着三个大字——杯中球。
  摊主解释道:“我有三个外观相似且不透明的杯子,将它们倒扣放置,再将一个小球放进其中一只杯子里。然后我会移动杯子十次甚至更多次,若你最后能猜出小球在哪个杯子里,你就能获得奖品。”
  “那我要试一试!”阿才饶有兴趣地走上前。然而游戏并不简单。由于摊主移动杯子的速度太快,就算阿才一开始紧盯住有球的杯子,他也会在摊主第八次移动杯子的时候“跟丢目标”。
  这可让阿才犯了难:“既然这样,就只能靠猜了。随机选一个杯子,猜中的概率是1
  3。有什么方法能提高我猜中的概率呢?”
  爸爸笑着将他拉到一旁说:“无论移杯子的人如何遵守设计好的移动规则,他都会受到一点个人习惯的影响。所以里面有球的那只杯子变换的位置,会存在一定的规律。你不妨先好好观察、计算,猜对的概率可能会大大提高。”
  我们把阿才面前从左往右的三只杯子所在的位置分别记为1,2,3,用Pab(n) 代表移动n次后,在杯子中的球从位置a移到位置b的概率。例如:P12(1)是球从左边的位置1移到中间的位置2的概率;P22(1)是指移动一次杯子后,球仍在中间位置没有动的概率; P13(2)是指移动两次杯子后,球从左边位置1移到右边位置3的概率。
  Pab(1)无法直接得到,我们可以用“频率=频数
  总次数”来进行计算。比如,假设最开始球在左边的杯子里,在100次的移动杯子中,“球没有移动”发生了10次,“球从位置1移到了位置2”发生了60次,“球从位置1移到了位置3”发生了30次,那么有:P11(1)≈10
  100, P12(1)≈60
  100,P13(1)≈30
  100 。
  阿才经过观察,将总结的规律按顺序写成如下形式:
  假设球在第n次移动中的位置只与第(n-1)次移动中的位置有关,而与第1,2…n-2次转动中的位置无关,根据矩阵A以及递推公式Pij(n)=Pi1(n-1)×
  P1j(1) Pi2(n-1)×P2j(1) Pi3(n-1)×P3j(1)(n=2;i,j=1,2,3),我们可以得到A2 :
  从矩阵A2我们可以很直观地看出:
  (1)若球原本在左邊的杯子里,移动2次后有66%的概率位置不变。
  (2)若球原本在中间的杯子里,移动2次后有50%的概率位置不变。
  (3)若球原本在右边的杯子里,移动2次后有82%的概率位置不变。
  如果我们随机猜测球的位置,有1
  3≈33.3%的概率能猜对。若用总结的规律来猜测,能将猜对的概率提高16.7%到48.7%。
  阿才一脸窃喜地去重新挑战,他发现猜对的概率果然大大增加了。摊主也觉察到了,于是他开始增加游戏难度:将杯子数目增加至4只,每局游戏杯子移动的次数增加至11次。阿才站在一旁观察了很久,他又得出了以下规律:
  根据矩阵A以及递推公式:
  Pij(n)=Pi1(n-1)×P1j(1) Pi2(n-1)×P2j(1) Pi3(n-1)×P3j(1) Pi4(n-1)×P4j(1)(n=2,3;i,j=1,2,3,4)
  可以依次得到矩阵A2和 A3:
  根据矩阵A3我们可以很直观地看出:
  (1)若球原本在左数第一个杯子里,移动3次后有48.4%的概率位置不变。
  (2)若球原本在左数第二个杯子里,移动3次后有49%的概率位置不变。
  (3)若球原本在左数第三个杯子里,移动3次后有49.7%的概率位置不变。
  (4)若球原本在右数第一个杯子里,移动3次后有43.3%的概率位置不变。
  如果我们随机猜测球的位置,有1
  4=25%的概率能猜对。若用总结的规律来猜测,能将猜对的概率提高18.3%到24.7%。
  从“杯中球”这个游戏里,阿才领悟到:生活中存在着许多充满变数的“谜题”,我们要多去发现“谜题”中的知识和规律,才能收获更多乐趣哟!
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