Математичні парадокси
Шкільна математика

Розорення гравця $100, ставки по $1 на червоне. Який шанс подвоїти гроші?Подвоїть лише 1 гравець із 224.

У вас $100. Ви ставите по $1 на червоне в європейській рулетці й граєте, доки не матимете $200 або доки не скінчаться гроші. Червоне випадає майже в половині спінів. Який шанс піти з казино з $200? Зафіксуйте відповідь, а потім зіграйте самі, запустіть тисячі сесій і подивіться, як ставка, ціль і багатство казино змінюють шанси.

Гравець із $100 ставить по $1 на червоне в європейській рулетці, доки не матиме $200 або нуль. Червоне випадає з шансом 48,6%, майже половина, але подвоїть гроші лише 1 гравець із 224, тобто 0,45%. Перевага казино лише 2,7 цента на долар, проте за 3667 ставок вона з'їдає майже все. Одна ставка $100 дала б 48,6%. Тут ви зіграєте самі, запустите тисячі сесій і побачите, чому сміливість у казино вигідніша за обережність.

Вгадати відповідь
0,45%ставки по $1
48,6%одна ставка $100
3667ставок у середньому
Умова задачі

Вечір у казино зі $100 у кишені

Ви вирішили: або подвоюю гроші, або програю все, і тоді додому. Граєте найобережніше, як можна: найменшою ставкою на майже рівну гру.

  1. 1

    Колесо

    У європейській рулетці 37 комірок: 18 червоних, 18 чорних і одне зелене зеро. Кулька падає в будь-яку з однаковим шансом, тож червоне випадає з шансом 18/37 ≈ 48,6%.

  2. 2

    Ставка

    Щоразу ви ставите $1 на червоне. Випало червоне: казино повертає ставку й доплачує $1. Чорне або зеро: ставка згоряє. Тобто +$1 або −$1.

  3. 3

    Коли зупинитися

    Ви граєте, доки не матимете рівно $200 або доки не програєте останній долар. Інших причин піти немає: ні втоми, ні закриття казино.

  4. 4

    Питання

    Який шанс, що ви підете додому з $200?

Інтуїція підказує

«Майже 50 на 50, ну хай 45%»

Насправді шанс лише 0,45%, 1 з 224. Кожна ставка майже чесна, але таких ставок у середньому 3667, і за цей час маленька перевага казино зсуває гроші вниз сильніше, ніж їх розгойдує випадковість. Одна ставка $100 на червоне дала б 48,6%.

Припущення моделі

  • Колесо чесне, спіни незалежні.
  • Ставка завжди $1, і ви не міняєте її посеред гри.
  • Ви граєте до $200 або до нуля, скільки б ставок це не забрало.

Що буде, якщо міняти ставку, розберемо в раундах 2 і 5.

Раунд 1 · Вгадайте

Який шанс дійти до $200?

Оберіть варіант, перш ніж читати далі. Старт $100, ставки по $1 на червоне, гра до $200 або до нуля.

Шанс піти з $200

Нагадування: червоне випадає в 18 випадках із 37, тобто з шансом 48,6%.

Тут з'явиться розбір вашої відповіді.

Підказки

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

Раунд 2 · Гра

Сядьте за стіл і оберіть ставку

Старт $100, ціль $200. Крутіть колесо по одному спіну або догравайте сесію до кінця. Потім змініть ставку: обережні $1 чи сміливі $100 разом? Лічильник праворуч рахує, скільки сесій закінчилися на $200.

Ставка на червоне
?
У кишені$100
Ставок0
Найбільше було$100

Гроші в кишені після кожної ставки

Сесій до $200–
Точний шанс для цієї ставки–

Раунд 3 · Симуляція

П'ять тисяч гравців по $1

Кожен гравець починає з $100 і ставить по $1 на червоне до $200 або до нуля. Перемкніть на чесну монету, щоб побачити ту саму гру без зеро: там до $200 доходить рівно половина, зате сесії тривають майже втричі довше.

дійшли до $200 програли все
Дійшли до $200
–
Ставок за сесію, у середньому
–
Середній результат гравця
–

Скільки ставок тривала сесія

Кожен стовпчик — сесії, що закінчилися в цьому проміжку. Хвіст праворуч довгий: деякі гравці бродять біля середини десятки тисяч ставок.

програли все дійшли до $200

Найвища точка кожної сесії

Скільки грошей гравець мав у найкращий момент, перш ніж сесія закінчилася. Багато хто бував у плюсі, але піти з плюсом правила не дозволяють.

Раунд 4 · Чотири пояснення

Маленька перевага, дуже довга гра

Одна ставка майже чесна. Нечесним робить гру те, скільки таких ставок доводиться зробити, щоб дійти до $200.

Знос проти розмаху

Знос росте як n, а розмах як √n

Кожна ставка в середньому забирає 1/37 долара. За n ставок це n/37, а випадковий розмах навколо цього середнього близько √n. На початку розмах більший, і гравець може піднятися. Але знос росте швидше: після 3700 ставок він сягає $100, а розмах лише близько $61.

Чесна гра

Без зеро шанс рівно 50%

Чесна монета50%у середньому 10 000 ставок
Рулетка, 18/370,45%у середньому 3667 ставок

У чесній грі середня сума в кишені не змінюється, скільки б ви не грали. Наприкінці там або $200, або $0, тому 200 · P = 100, і P = 1/2. Загалом шанс дійти від i до N дорівнює i/N. А середня тривалість дорівнює i · (N − i) = 100 · 100 = 10 000 ставок. Варто прибрати 1 комірку з 37, і замість 50% лишається 0,45%.

Рахунок втрат

2,7% від усього поставленого

Ставки по $1−$99,11поставлено $3667
Одна ставка $100−$2,70поставлено $100

Казино забирає в середньому 1/37 від кожного поставленого долара, хоч яка стратегія. Тож середня втрата дорівнює 2,7% від суми всіх ставок. Обережний гравець ганяє ті самі гроші туди-сюди 3667 разів і в середньому втрачає $99,11. Сміливий ставить $100 лише раз і втрачає в середньому $2,70. Звідси й різниця в шансах.

Відношення 19 до 18

Множник, що росте як відсотки

q / p19/18на 5,6% більше за 1
(19/18)100≈ 223у стільки разів шанс нуля вищий

Програш у 19/18 рази ймовірніший за виграш. Щоб дійти до $200, треба на 100 виграшів більше, ніж програшів, а щоб до нуля, на 100 програшів більше. Ці 100 кроків множать перекіс: (19/18)100 ≈ 223, як 5,6% річних за 100 років. Тому нуль ймовірніший за $200 приблизно в 223 рази, і шанс на $200 дорівнює 1/(223 + 1) = 1/224.

Для тих, хто любить формули

Шанс дійти до цілі і тривалість гри

Гравець має i доларів, ціль N, виграє ставку з шансом p, програє з шансом q = 1 − p. Шанс дійти до N задовольняє просте рівняння: після однієї ставки ви або на крок вище, або на крок нижче.

Pi=p·Pi+1+q·Pi−1,P0=0,PN=1

Його розв'язок, де r = q/p. Для чесної гри r = 1, і формула стає i/N.

Pi=ri−1rN−1,r=qp

Ціль удвічі більша за старт, N = 2i, тож дріб скорочується.

P100=1(19/18)100+1≈1223,9≈0,45%

Середня кількість ставок до кінця гри. Для чесної гри D = i(N − i).

Di=iq−p−Nq−p·Pi D100=3700−7400·P100≈3667

Тотожність Вальда: середня втрата дорівнює перевазі казино, помноженій на середню суму всіх ставок.

100−200·P100=(q−p)·D100=366737≈$99,11

Ключова частина — множник ri. Коли гра хоч трохи несправедлива, r більше за 1, і r100 вже величезне. Тому шанс падає не пропорційно перевазі казино, а експоненційно від кількості кроків до цілі. Удвічі менша ставка подвоює кількість кроків і підносить перекіс до квадрата.

Раунд 5 · Ускладнюємо

Сміливість, нескінченне казино, подвоєння і Келлі

Від точної теореми про найкращу стратегію в несправедливій грі до логіки «казино досить чекати» і двох практичних уроків: чому подвоєння ставок не рятує і скільки ставити, коли перевага на вашому боці.

Обережно чи сміливо?

Ціль, старт $100
СтратегіяТочний шансСимуляціяСтавок

Дубінс і Севідж, 1965

У несправедливій грі найкраще ставити сміливо

Смілива гра: щоразу ставити все, що маєте, або рівно стільки, скільки бракує до цілі, якщо це менше. Від $100 до $400 це дві ставки: $100, потім $200. Лестер Дубінс і Леонард Севідж довели, що коли кожна ставка несприятлива, жодна стратегія не дає більшого шансу дійти до цілі. Що менше ставок, то менше разів казино бере свої 2,7%.

У чесній грі стратегія не важлива: будь-яка дає шанс i/N. А якщо гра на вашу користь, усе навпаки, і вигідно ставити помалу. Для ставок по $1 на ціль $1000 шанс менший за 10−21, і симуляція його ніколи не побачить.

А якщо мети немає?

Гравець із $100 ставить по $1 проти казино з нескінченними грошима й грає, доки не розориться. Криві показують, яка частка гравців уже без грошей після n ставок. Точний розрахунок, вісь ставок логарифмічна.

рулетка, 18/37 чесна монета

Казино досить чекати

Проти безмежного банку розоряються навіть у чесній грі

Нехай ціль N росте до нескінченності. У формулі i/N для чесної гри шанс виграти прямує до 0, отже, розорення неминуче з імовірністю 1. Але чекати доведеться довго: середня тривалість i(N − i) теж росте без меж. Після 10 000 ставок без грошей лише 32% гравців, після мільйона 92%.

У рулетці картина інша: гравець розоряється в середньому за 100 · 37 = 3700 ставок. Шанс хоч колись опинитися на $100 у плюсі дорівнює (18/19)100 ≈ 0,45%, майже стільки ж, скільки в основній задачі. Казино не мусить вигравати кожну ставку. Йому досить грошей, щоб пережити вашу удачу, і часу.

Подвоювати після програшу?

Точний шанс дійти до $200–
Симуляція, 100 000 сесій–

Мартингейл

Часто виграєте по $1, рідко втрачаєте все

Система мартингейл: поставити $1, після програшу подвоїти ставку, після виграшу повернутися до $1. Кожна серія закінчується виграшем $1, якщо вистачить грошей на подвоєння. Із $100 ви витримуєте 6 програшів поспіль (1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 = 63), а на сьомий подвоєний $64 уже не вистачає. Тоді ставите залишок.

Шість програшів поспіль трапляються лише в 1,8% серій, тож здебільшого гроші ростуть сходинками по $1. Але щоб дійти до $200, потрібно близько сотні серій, і одна погана серія забирає все. Підсумок: 42,1%. Краще, ніж по $1, але гірше, ніж одна ставка $100, як і обіцяє теорема Дубінса і Севіджа.

Скільки ставити, якщо перевага ваша?

Шанс виграти ставку 1 : 1
Медіанний капітал після 1000 ставок–
Гравців нижче старту–

Критерій Келлі, 1956

Ставити частку, а не суму

Коли гра на вашу користь, розорення стає головним ворогом: поставите забагато, і кілька програшів поспіль виженуть вас із гри. Джон Келлі показав, що капітал найшвидше росте, якщо щоразу ставити частку f = 2p − 1. Для шансу 55% це 10% капіталу. Ставка в частках сама зменшується після програшів, тож до нуля ви не дійдете ніколи.

Ставка вдвічі більша за Келлі майже не дає росту, а ще більша веде вниз, хоч кожна ставка вигідна. Для рулетки 2p − 1 від'ємне: найкраща частка дорівнює нулю. Цей принцип узяв Едвард Торп для блекджеку, а потім для інвестицій.

Бонус · Цікаві факти

Що розповісти друзям

1656

Задача Паскаля

Найдавніша відома згадка задачі — лист Блеза Паскаля до П'єра Ферма 1656 року. Того ж року П'єр де Каркаві переказав її Крістіану Гюйгенсу: двоє кидають три кубики, перший отримує очко, коли випаде 11, другий — коли 14.

1657

П'ята задача Гюйгенса

Гюйгенс поставив задачу останньою з п'яти в трактаті De ratiociniis in ludo aleae: у кожного по 12 фішок, програв очко — віддай фішку. Сума 11 випадає 27 способами з 216, а 14 лише 15. Відповідь: шанси на перемогу того, хто чекає 14, і того, хто чекає 11, співвідносяться як 244 140 625 до 282 429 536 481, тобто (5/9)12.

1711

Загальна формула

Абрахам де Муавр у праці De Mensura Sortis розв'язав задачу для будь-яких капіталів і будь-яких шансів, тобто вивів ту саму формулу з ri, що в раунді 4. Назву «розорення гравця» задача отримала значно пізніше.

1965

Як грати, якщо мусите

Саме так називається книжка Лестера Дубінса і Леонарда Севіджа, де доведено, що в несприятливому казино смілива гра оптимальна. Ідея ілюструється так: якщо вам терміново потрібна сума, яку можна лише виграти, ставте на одну спробу якомога більше.

1956

Формула з Bell Labs

Джон Келлі, інженер Bell Labs, опублікував статтю «Нова інтерпретація швидкості передачі інформації», де пов'язав ставки з теорією інформації Шеннона. Історію формули і того, як її застосовували в казино та на біржі, розповідає книжка Вільяма Паундстоуна «Формула фортуни».

$3667

Скільки ви поставите за вечір

Обережний гравець у нашій задачі в середньому робить 3667 ставок по $1, тобто ставить у 37 разів більше, ніж приніс. Якщо колесо крутиться раз на хвилину, це понад 60 годин гри без перерви, і в середньому він іде додому з 89 центами.

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 «Шкільна математика» 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.