Математичні парадокси

Парадокс ергодичності Орел: +50%. Решка: −40%. 10 000 людей грають 100 раундів. Скільки з них розбагатіють?Лише 13,6%.

У вас $100. Щораунду ви ставите всі свої гроші на чесну монетку: орел додає 50% до того, що у вас є, решка забирає 40%. У середньому раунд дає +5%, тож гра здається вигідною. Її грають 10 000 людей, кожен сам за себе, по 100 раундів. Яка частка з них закінчить із більшою сумою, ніж $100? Зафіксуйте відповідь, а потім підкиньте монетку самі.

Середній статок після 100 раундів справді росте: у середньому $13 150 замість $100. Але це середнє тримають кілька щасливців із мільйонами. Типовий гравець, що отримав 50 орлів і 50 решок, має 52 центи: пара «орел і решка» множить гроші на 1,5 · 0,6 = 0,9. Щоб вийти в плюс, треба 56 орлів зі 100, а це трапляється лише з 13,6% людей. Середнє по натовпу і доля однієї людини в часі тут різні: гра неергодична.

Вгадати частку
13,6%закінчують багатшими
$13 150середнє після 100 раундів
$0.52у типового гравця
Умова задачі

Монетка, яка множить гроші

Цю гру розібрав фізик Оле Петерс у статті «The ergodicity problem in economics» (Nature Physics, 2019). Вона проста, як підкидання монетки, але ділить два способи думати про ризик: як про середнє по багатьох людях і як про шлях однієї людини в часі.

  1. 1

    Початок

    У вас $100. У кожного з 10 000 гравців теж по $100, і кожен грає зі своєю монеткою, незалежно від інших.

  2. 2

    Один раунд

    Ви ставите всі гроші, що у вас зараз є, і підкидаєте чесну монетку. Орел: сума зростає на 50%. Решка: сума меншає на 40%. Зі $100 орел дає $150, решка $60.

  3. 3

    Наступні раунди

    Відсотки беруться від поточної суми. Якщо у вас $150, орел дасть $225, решка $90. Вийти з гри посередині не можна.

  4. 4

    Питання

    Кожен гравець робить 100 раундів. Яка частка з 10 000 гравців закінчить гру з більшою сумою, ніж $100?

Інтуїція підказує

«Гра вигідна: +5% за раунд»

Орел і решка випадають однаково часто. Середня зміна за раунд: ½ · (+50%) + ½ · (−40%) = +5%. За 100 раундів по +5% сума мала б зрости в 1,05¹⁰⁰ ≈ 131 раз. Отже, більшість мала б розбагатіти? Або хоча б половина, бо монетка ж чесна?

Що ми припускаємо

  • Монетка чесна: орел і решка по 50%, підкидання незалежні.
  • Гроші можна ділити як завгодно, навіть на долі цента.
  • Кожен раунд ставиться вся поточна сума, і ніхто не виходить із гри раніше.
  • «Розбагатіти» означає мати після 100-го раунду більше, ніж $100.
Раунд 1 · Вгадайте

Яка частка гравців розбагатіє?

10 000 людей, у кожного $100, кожен грає 100 раундів: орел +50%, решка −40%. Скільки з них, у відсотках, закінчать із більшою сумою, ніж почали? Оберіть зону або наберіть число.

Тут з'явиться точна частка і порівняння з вашою відповіддю.

Підказки

Важко вирішити? Відкривайте підказки по одній: спочатку легка, далі сильніша.

Далі розв'язок

Далі пояснення, і в ньому спойлери

Наступні раунди показують, скільки гравців розбагатіє: ваша власна гра з монеткою, 10 000 гравців і пояснення. Спершу відповісти в раунді 1 чи йти далі?

Ви обрали завжди показувати всі раунди.

Раунд 2 · Гра

Підкиньте монетку самі, а потім покличте натовп

Синя лінія показує ваші гроші, раунд за раундом. Сірі лінії показують інших гравців, які грають поруч, кожен зі своєю монеткою. Шкала логарифмічна: кожна поділка в 100 разів більша за попередню, тож і долар, і мільйон видно на одному графіку. Золотиста лінія показує середнє всіх гравців, зелена — медіану, тобто суму гравця посередині черги від найбіднішого до найбагатшого.

ви інші гравці середнє всіх медіана

Додати гравців:

Рахунок

Раунд 3 · Симуляція

10 000 гравців: де опиняються гроші

Комп'ютер грає за 10 000 людей. Кожен стовпчик гістограми збирає гравців з однаковою кількістю орлів, а отже й з однаковою сумою: порядок орлів і решок на суму не впливає. Рожеві стовпчики закінчили багатшими, ніж почали. Кружки показують, скільки гравців у кожному стовпчику дає точна формула. Посуньте кількість раундів.

Скільки грошей у кінці (логарифмічна шкала)

більше за $100 менше медіана середнє цих 10 000

Частка тих, хто в плюсі, за кількістю раундів

точно, біноміальний розподіл ця симуляція
Закінчили в плюсі
–
Медіана
–
Середнє цих 10 000
–
Частка грошей у найбагатшого 1%
–

Після вашої відповіді тут з'явиться код симуляції, який можна запустити в себе.

Перевірте самі в коді

Та сама симуляція коротко і без бібліотек. JavaScript запускається в консолі браузера (F12) або в Node, Python потребує лише стандартної бібліотеки.

JavaScript
// Гра з монеткою: 10 000 гравців по 100 раундів, орел +50%, решка −40%
const N = 10000, T = 100;
const money = [];
for (let i = 0; i < N; i++) {
  let w = 100;                                                   // у кожного $100
  for (let t = 0; t < T; t++) w *= Math.random() < 0.5 ? 1.5 : 0.6;
  money.push(w);
}
money.sort((a, b) => a - b);
const mean = money.reduce((s, w) => s + w, 0) / N;

// точно: треба щонайменше 56 орлів зі 100
let exact = 0, c = 1;                                            // c = C(100, k)
for (let k = 0; k <= T; k++) { if (k >= 56) exact += c / 2 ** T; c = c * (T - k) / (k + 1); }

console.log(`у плюсі:  ${(100 * money.filter(w => w > 100).length / N).toFixed(1)}%   точно ${(100 * exact).toFixed(2)}%`);
console.log(`медіана:   $${money[N / 2].toFixed(2)}   точно $${(100 * 0.9 ** 50).toFixed(2)}`);
console.log(`середнє:  $${mean.toFixed(0)}   сподівання $${(100 * 1.05 ** T).toFixed(0)} (середнє 10 000 гравців зазвичай нижче: його тримають кілька щасливців)`);
Python
# Гра з монеткою: 10 000 гравців по 100 раундів, орел +50%, решка −40%
import random
from math import comb

N, T = 10_000, 100
money = []
for _ in range(N):
    w = 100                                                      # у кожного $100
    for _ in range(T):
        w *= 1.5 if random.random() < 0.5 else 0.6
    money.append(w)
money.sort()
mean = sum(money) / N

# точно: треба щонайменше 56 орлів зі 100
exact = sum(comb(T, k) for k in range(56, T + 1)) / 2 ** T

print(f"у плюсі:  {100 * sum(w > 100 for w in money) / N:.1f}%   точно {100 * exact:.2f}%")
print(f"медіана:   ${money[N // 2]:.2f}   точно ${100 * 0.9 ** 50:.2f}")
print(f"середнє:  ${mean:.0f}   сподівання ${100 * 1.05 ** T:.0f} (середнє 10 000 гравців зазвичай нижче: його тримають кілька щасливців)")
Раунд 4 · Пояснення

Чому середнє росте, а люди біднішають

Розрахунок «+5% за раунд» правильний. Він лише відповідає на інше питання: що станеться з усіма грошима натовпу разом, а не з грошима однієї людини.

На пальцяхкартинки, аналогії, маленькі числа

Шар «На пальцях» приховано на всіх задачах.

Коротко

«Плюс 50, мінус 40» дає мінус

$100 орел +50% $150 решка −40% $90 навпаки так само: $100 → $60 → $90

Один орел і одна решка, у будь-якому порядку, лишають вам 90% грошей: 1,5 · 0,6 = 0,9. За 100 раундів типовий гравець отримує десь 50 орлів і 50 решок, тобто 50 таких пар, і щоразу втрачає 10%. Після 50 пар від $100 лишається 100 · 0,9⁵⁰ ≈ 52 центи. Навіть 55 орлів зі 100, тобто більше половини, дають лише $50. У плюс виводять щонайменше 56 орлів, а таке випадає лише в 13,6% гравців.

Це пояснює типового гравця, але ще не пояснює, звідки береться +5%. Про це дві картки нижче.

Маленький приклад

Четверо гравців, два раунди

МонеткиГроші після 2 раундів
орел, орел$225
орел, решка$90
решка, орел$90
решка, решка$36
Середнє$110.25

Чотири однаково ймовірні результати. Середнє $110,25, рівно +5% двічі: 100 · 1,05². Але троє з чотирьох втратили гроші. Середнє витягує вгору один щасливчик зі $225: його виграш більший, ніж утрати трьох інших разом.

Аналогія

Мільярдер заходить у кафе

У кафе сидять 30 людей, у кожного в середньому по кілька тисяч доларів заощаджень. Заходить мільярдер, і середній статок відвідувачів стрибає до десятків мільйонів. Ніхто з них не розбагатів, просто середнє тепер описує одну людину.

У грі з монеткою так само. З кожним раундом гроші натовпу дедалі більше збираються в кількох рекордсменів, які викинули багато орлів поспіль. У симуляції з 10 000 гравців найбагатший 1% (100 людей) після 100 раундів зазвичай тримає понад 90% усіх грошей. Середнє росте завдяки їм, а не завдяки вам.

Строготаблиці, графіки, формули

Шар «Строго» приховано на всіх задачах.

Два середні

Середнє арифметичне і середнє геометричне

За раунд гроші множаться на 1,5 або на 0,6. Середнє арифметичне цих множників (1,5 + 0,6)/2 = 1,05: це , середнє по безлічі паралельних гравців після одного раунду.

Але для однієї людини множники не додаються, а перемножуються. Тому типовий множник за раунд дає середнє геометричне: √(1,5 · 0,6) = √0,9 ≈ 0,949, тобто приблизно −5,1% за раунд. Середнє геометричне завжди не більше за арифметичне, і що сильніше скачуть множники, то більший розрив. Тут він міняє знак: +5% проти −5,1%.

Скільки треба орлів

Поріг 56 зі 100

Із k орлами за 100 раундів у вас 100 · 1,5k · 0,6100−k доларів. Більше за $100 це тоді, коли 1,5k · 0,6100−k > 1, тобто k > 100 · ln(1/0,6) / ln(2,5) ≈ 55,75. Отже, потрібно щонайменше 56 орлів.

Кількість орлів у 100 підкиданнях чесної монетки має біноміальний розподіл із середнім 50 і 5. Імовірність отримати 56 і більше дорівнює 13,56%. Що більше раундів, то далі поріг від середини і то менша частка в плюсі.

Таблиця

Середнє, медіана і частка в плюсі

РаундівТреба орлівЧастка в плюсіСереднєМедіана

Середнє росте як 100 · 1,05n, падає приблизно як 100 · 0,949n. Частка в плюсі в цілому падає, але не рівно: поріг завжди ціле число орлів, і при деяких n він ледь перевищує середину, а при інших з запасом. Тому за 20 раундів у плюсі 25,2%, за 30 знову 29,2%, а за 50 вже 24,0%. За 1000 раундів у плюсі лишається приблизно один гравець із 7 000.

Для тих, хто любить формули

Сподівання, медіана і темп росту

W₀ = $100 — початкова сума, n — кількість раундів, K — кількість орлів, K ~ Bin(n, ½). Сума після n раундів:

Wn=W0·1.5K·0.6n−K

Сподівання множиться на 1,05 щораунду, бо раунди :

E[Wn]=W0(1.5+0.62)n=100·1.05100≈13150

Темп росту однієї людини: середній множника. За ln Wn/n прямує до нього майже напевно:

g=12ln1.5+12ln0.6=ln0.9≈−0.0527 медіана W100=100·0.950≈0.52

Частка в плюсі після 100 раундів:

P(W100>100)=∑k=56100(100k)2100≈0.1356

Сподівання E[Wn] описує середнє по нескінченному натовпу в одну мить. Темп g описує, що відбувається з однією людиною в довгому часі. Для адитивних ігор ці два числа збігаються, для мультиплікативних ні.

Глибшеузагальнення, теорія, історія

Шар «Глибше» приховано на всіх задачах.

Ергодичність

Середнє по людях і середнє по часу

Процес називають ергодичним, якщо середнє по багатьох паралельних копіях збігається із середнім по часу для однієї копії. Тоді байдуже, чи 10 000 людей зіграють по разу, чи одна людина зіграє 10 000 разів.

Уявіть ту саму монетку, але з фіксованими сумами: орел +$50, решка −$40, і запас грошей, щоб не збанкрутувати. Тоді й у середньому по людях, і в однієї людини за довгий час виходить +$5 за раунд: гра ергодична. З відсотками від поточної суми середнє по людях дає +5%, а одна людина в часі втрачає близько 5,1% за раунд. Сподівання тут не підказує, що чекає саме вас.

Скінченний натовп

Навіть 10 000 гравців замало для $13 150

$13 150 — це середнє по нескінченному натовпу. Половину цієї суми дають гравці з 72 і більше орлами, а таких один на 160 000. Серед 10 000 гравців їх зазвичай немає, тому середнє саме цих 10 000 після 100 раундів здебільшого нижче: у 300 повторах симуляції медіана такого середнього близько $5 000, а 80% повторів лягли між $2 700 і $16 000.

Що менший натовп, то раніше його середнє відривається від сподівання і починає падати разом із типовим гравцем. У довгому часі навіть середнє великого, але скінченного натовпу врешті поводиться як одна людина.

Історія

Від Бернуллі до Петерса

1738 року Даніель Бернуллі, розбираючи Петербурзький парадокс, запропонував оцінювати гру не за середнім виграшем, а за середнім логарифмом статку: так він пояснив, чому ніхто не платить великих грошей за гру з нескінченним сподіванням. Логарифм він обґрунтовував психологією: кожен наступний долар радує менше.

Оле Петерс разом із Мюрреєм Гелл-Манном (стаття «Evaluating gambles using dynamics», 2016) і в статті в Nature Physics 2019 року запропонував інше прочитання: середній логарифм — це просто темп росту однієї людини в часі, і для мультиплікативних ставок його можна вивести без жодної психології. Багато економістів заперечують, що це щось змінює в теорії корисності, і суперечка триває. Але сама гра з монеткою не залежить від цієї суперечки: числа на цій сторінці однакові за будь-якого погляду.

Раунд 5 · Ускладнюємо

А якщо ставити не все?

Програшною гру робить не монетка, а ставка всіх грошей щораунду. Поставте лише частку і подивіться, як змінюється доля типового гравця. Далі від чисел до ідеї, що за ними стоїть, і до того, де вона трапляється в житті.

Яку частку ставити

Типово за раунд
Типово після 100 раундів
Середнє після 100
У плюсі після 100

Математика

Критерій Келлі: 25%

Якщо ставити частку f, орел множить гроші на 1 + 0,5f, решка на 1 − 0,4f. Типовий темп росту g(f) = ½ ln(1 + 0,5f) + ½ ln(1 − 0,4f). Похідна дорівнює нулю, коли 0,25/(1 + 0,5f) = 0,2/(1 − 0,4f), тобто при f = 0,25. Це критерій Келлі: для ставки, що з імовірністю p виграє частку b і з імовірністю q програє частку a, f* = p/a − q/b = 0,5/0,4 − 0,5/0,5 = 0,25.

Зі ставкою 25% пара «орел і решка» множить гроші на 1,125 · 0,9 = 1,0125, і типовий гравець за 100 раундів має $186 замість 52 центів, а в плюсі 69% гравців. Зі ставкою 50% пара дає рівно 1,25 · 0,8 = 1: типовий гравець топчеться на $100. Більша ставка підіймає середнє, але топить типового гравця. Середнє найбільше при f = 100%, тобто саме там, де людина найшвидше бідніє.

Логіка

Сто людей в казино і одна людина сто днів

Нассім Талеб у книжці «Skin in the Game» (2018), у розділі «The Logic of Risk Taking», порівнює дві картини. Сто людей ідуть у казино по одному разу: дехто програє все, але частку виграшів і програшів у групі можна порахувати, і вона нічого не каже про те, що станеться з окремою людиною, яка гратиме щодня. Друга картина: одна людина, його кузен Теодорус, ходить у казино сто днів поспіль. На 28-й день він банкрут, і 29-го дня в нього вже не буде.

Ідея, яку Талеб запозичує в Петерса і Гелл-Манна: якщо програш забирає частку статку або вибиває з гри, ризик треба оцінювати за шляхом однієї людини в часі, а не за середнім по групі. Банкрутство поглинає: після нього середнє вже не має значення.

Об'єднатися вигідно

Петерс і Олександр Адаму (стаття «An evolutionary advantage of cooperation») показали ще один вихід. Нехай кілька гравців після кожного раунду зсипають усі гроші в спільний котел і ділять порівну. Кожен і далі ставить усе, але коливання котла менші, ніж у кожного окремо, тож типовий темп росту наближається до середнього +5%.

Гравців у котліТемп g за раундТипово за 100 раундів

Удвох ще трохи біднішають, утрьох уже багатіють, а з сотнею котел росте майже як сподівання: межа g = ln 1,05 ≈ 0,0488.

Де це трапляється

Мультиплікативна гра ховається скрізь, де прибуток і збиток рахуються у відсотках від того, що вже є: заощадження, портфель, бізнес. Перевірка проста: перемножте множники, а не складайте відсотки.

СитуаціяЩо каже середнєЩо відбувається в часі
Акція падає на 50%, потім росте на 50%Середня зміна 0%0,5 · 1,5 = 0,75: мінус 25%. Що більші коливання, то сильніше середнє геометричне відстає від арифметичного. Це називають «волатильнісним опором» (volatility drag).
Фонд із триразовим плечем, що переобчислюється щодняУтричі більший денний результат індексуУ застереженні SEC і FINRA (серпень 2009) з 1 грудня 2008 по 30 квітня 2009 індекс Russell 1000 Financial Services виріс приблизно на 8%, фонд із потрійним плечем упав на 53%, а потрійний зворотний фонд на 90%.
Розмір ставки в грі з перевагоюЩо більша ставка, то більший середній виграшДжон Келлі 1956 року вивів ставку, за якої капітал росте найшвидше в довгому часі. Едвард Торп застосовував цю ідею в блекджеку, а потім в інвестиціях: ставка, більша за Келлі, підіймає ризик і знижує ріст.
Диверсифікація, взаємне страхуванняСподівання не змінюєтьсяКоливання меншають, тож темп росту кожного учасника вищий, як у котлі з таблиці вище. Тому розумне об'єднання ризиків може бути вигідне всім одразу, хоч середнє ніхто не підняв.

Інші задачі про ставки, середнє і час: Петербурзький парадокс, розорення гравця, парадокс Паррондо, де дві програшні гри разом виграють, і що довше чекаєш, то довше чекати.

Бонус · Цікаві факти

Що розповісти друзям

54%

Менше долара

Після 100 раундів у 54% гравців лишається менше ніж $1 із початкових $100, хоча середній статок $13 150.

1738

Логарифм Бернуллі

Даніель Бернуллі запропонував оцінювати ризик середнім логарифмом статку ще 1738 року. Майже три століття потому Петерс показав, що в мультиплікативній грі це і є темп росту однієї людини.

1956

Формула з Bell Labs

Джон Келлі, фізик із Bell Labs, вивів оптимальну ставку в статті «A New Interpretation of Information Rate», спираючись на теорію інформації Клода Шеннона. Історію формули розповідає книжка Вільяма Паундстоуна «Fortune's Formula».

2019

Монетка в Nature Physics

Саме цю гру, +50% за орла і −40% за решку, Оле Петерс узяв за головний приклад у статті «The ergodicity problem in economics» у Nature Physics 2019 року.

−53%

Плече проти індексу

За п'ять місяців зими й весни 2009 року індекс фінансових акцій виріс приблизно на 8%, а фонд, що щодня давав його потрійний результат, упав на 53%. Цей приклад навели SEC і FINRA у застереженні для інвесторів.

×51

Десятеро в одному котлі

Якщо 10 гравців ставлять усе, але після кожного раунду ділять гроші порівну, типовий гравець за 100 раундів множить статок приблизно в 51 раз. Поодинці він мав би 52 центи.

Fortune's Formula

Вільям Паундстоун

2005, англійською · частина I

Усі книжки →
Обговорення

Що ви думаєте?

Поділіться своїм поясненням, запереченням чи варіантом задачі. Для коментаря потрібен акаунт GitHub.

Рівень «Поглиблено» відповідає задачі?

Дякуємо! Це допоможе точніше ставити рівні.

Розсилка

Нові задачі, пояснення й обговорення

Я поступово додаю нові задачі, інші способи їх пояснити й розбори дискусій. Залиште email, і я напишу, коли з'явиться щось нове. Без спаму, відписатися можна в один клік.

Форма підписки з'явиться тут найближчим часом.