赌徒破产问题是个很有趣的问题,说的是:假设参加一个抛硬币猜正反的游戏,赢了得到1元,输了损失1元。那么假设刚开始小明有1元钱,输到0元就不能继续参与游戏了,那么输到0元的概率是多少呢?
在这个问题中对于单次抛硬币,赢或者输概率的确定是很容易的,都是0.5,但是对于输到0元这个事件,它的概率并不那么容易确定,因为它包含很多种情景,例如,第一次就输了,也就输到了0元;或者赢了3次输了四次也是输到0元。这个问题还隐藏着一个条件,就是对方的本钱无限大。
排列组合c怎么算(排列组合c(52)怎么算)
为了更好的探讨这个问题,现在将问题稍作改变:小明和小方总共有a+b元,小明有a元,小方有b元,抛硬币猜正反,赢了得到1元,输了损失1元,一方输光游戏结束。问小明把钱输光的概率是多少?
排列组合与概率问题,其实最大的难点在于对实际情景如何抽象出数学模型,对于排列组合求多少种情况,关键是对所有情况如何分类,而对于概率问题,关键是确定基本事件也就是等可能事件。有一些问题用传统方法不好解决,这一期分享三个需要用递推式的方法来解答的问题,赌徒破产问题就属于这一类。
刚才将问题稍作改变之后,下一步是抽象出数学模型。可以画一条直线,上面画a+b+1个点,从左至右给它们编号:0、1、2、......、a+b,然后把一个棋子放在a点,表示小明有a元,每一次棋子可以向左移动或者向右移动一步,向左移动或者向右移动的概率相同,棋子移到编号0的点即表示小明把钱输光。
用f(i)表示棋子最开始在编号为i处时小明输光的概率。可以想到,下一步,棋子有二分之一的概率跳到编号i-1处,有二分之一的概率跳到编号i+1处。而在i-1处小明输光的概率为f(i-1),在i+1处小明输光的概率为f(i+1),这样在i处小明输光的概率等于:
易知:f(0)=1,f(a+b)=0
其中c和d是待定系数,将f(0)=1,f(a+b)=0代入,得到
于是刚开始小明有a元时,他输光的概率就是:
再回到最开始的问题,当对方的本钱无限大时,也就是b趋近于正无穷,小明输光的概率
也就是说,就算是公平的游戏,如果对方本钱比你多很多,如果游戏一直进行下去,你大概率要输光。
这个问题还可以更一般化,即如果单次游戏输掉的概率不一定是二分之一,而是p,则
由递推式求通项公式,可以推出:
当小明开始时拥有a元,则小明破产的概率
可以看到,当单次游戏若小明获胜的概率不超过百分之五十,则当对方拥有无限的本钱时,小明百分之百的概率破产。当单次游戏小明获胜的概率超过百分之五十,对方拥有无限的本钱时,则小明破产的概率是
此时随着小明本钱的增多,破产可能性降低。
这个问题其实还可以从数学期望的角度来思考,每一次抛硬币是独立事件,根据二项分布的模型,如果抛n次硬币,小明赢的次数应该是n/2,即若开始时小明拥有a元,游戏结束时小明的财产期望是a元。游戏结束只有两种情况,要么小明破产,要么对方破产,小明破产时财产为0,对方破产时财产为a+b,设小明破产的概率为p,则
有的同学会说还有游戏永远不结束的情况,比如小明赢一次输一次间隔着,这样永远不会结束。实际上这样的情况的概率是0。棋子在编号0、1、2、......、a+b的点之间跳来跳去,如果游戏永不结束,必然有一个点棋子会光顾无限次,由于棋子只在编号0、1、2、......、a+b的点之间跳,被棋子无限次光顾的点必然只有有限个,则不妨设相邻点编号i和编号i+1,i点棋子光顾有限次或0次,i+1点棋子光顾无限次,设第a(1)、a(2)、......、a(k)、......次抛硬币时,棋子刚好在编号i+1这个点这儿,则存在N,使a(N)、a(N+1)、a(N+2)、......次抛硬币时,棋子刚好在编号i+1这个点这儿,且下一步棋子不会跳到编号i这个点上,这样的概率是0.5,所以如果要让棋子无限地跳下去,这样的概率是:p=0.5*0.5*......=0。
当然用第一种方法,递推式求破产概率,也能知道游戏永远进行下去而不停止的概率是0。而当单次游戏小明获胜的概率超过百分之五十,对方拥有无限的本钱时,根据前面计算小明破产的概率是:
那么这时,游戏永远进行下去的概率是:
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