Математичні парадокси

Гра Пенні ООО проти РОО. Який шанс у РОО?7 з 8.

Кожен гравець обирає трійку кидків монети, наприклад «орел, орел, орел». Монету підкидають, доки одна з трійок не випаде поспіль. Ви обираєте першим, суперник бачить ваш вибір. Якщо ви обрали ООО, а він РОО, який у нього шанс виграти? Зафіксуйте відповідь, а потім перевірте її у грі проти комп'ютера і на мільйоні симульованих партій.

Кожен гравець обирає трійку кидків монети. Монету підкидають, доки одна з трійок не випаде поспіль. Здається, що всі трійки рівні, бо кожна має шанс 1/8. Але РОО випереджає ООО в 7 партіях з 8, і хоч яку трійку ви оберете, суперник знайде відповідь, що виграє щонайменше у 2 партіях з 3.

Вгадати відповідь
87,5%РОО проти ООО
≥ 2/3шанс найкращої відповіді на будь-яку трійку
Умова задачі

Дві трійки, одна монета

Цю гру описав Волтер Пенні 1969 року в «Journal of Recreational Mathematics». Правила вміщуються в три рядки, а зіграти з другом можна за п'ять хвилин.

  1. 1

    Монета

    Монета чесна: орел (О) і решка (Р) випадають з однаковим шансом 1/2, і кидки не залежать один від одного.

  2. 2

    Трійки

    Трійкою назвемо три результати поспіль у певному порядку. Їх усього вісім: ООО, ООР, ОРО, ОРР, РОО, РОР, РРО, РРР. Будь-які три кидки поспіль дають кожну з них з шансом 1/8.

  3. 3

    Вибір

    Ви обираєте трійку першим. Суперник бачить ваш вибір і обирає іншу трійку.

  4. 4

    Гра

    Монету підкидають знову і знову. Виграє той, чия трійка першою з'явиться як три останні кидки. Наприклад, ви обрали ООО, суперник РОО, і випало так:

    Після п'ятого кидка останні три дали РОО, і суперник виграв.

  5. 5

    Питання

    Ви обрали ООО, суперник РОО. Який шанс, що виграє суперник?

Інтуїція підказує

«Кожна трійка має шанс 1/8, тож це 50 на 50»

Насправді РОО виграє в 7 партіях з 8. Однакова ймовірність трійки у фіксованих трьох кидках нічого не каже про те, яка трійка з'явиться першою. Ба більше, у цій грі немає найкращої трійки: на кожну знайдеться сильніша.

Припущення

  • Монета чесна, кидки незалежні.
  • Трійки гравців різні.
  • Вікно ковзає: трійку шукають у кожних трьох сусідніх кидках, а не блоками по три.
  • Підкидають, доки хтось не виграє. Гра закінчується з імовірністю 1, нічиїх немає.
Раунд 1 · Вгадайте

ООО проти РОО: який шанс суперника?

Ви обрали ООО, суперник обрав РОО. Зафіксуйте, з яким шансом, на вашу думку, виграє суперник.

50%
0%25%50%75%100%

Тут з'явиться розбір вашої відповіді.

Раунд 2 · Гра

Зіграйте проти комп'ютера

Оберіть трійку, і комп'ютер відповість своєю. Підкидайте монету по одному разу, догравайте партію до кінця або зіграйте 100 партій одразу. Потім поміняйтеся ролями: нехай комп'ютер обирає першим, а ви спробуйте його обіграти.

Ви–
vs
Комп'ютер–

Рахунок

Партій0
Ваші перемоги0
Комп'ютера0

Раунд 3 · Симуляція

Усі 56 пар трійок, по 20 000 партій

У рядку стоїть трійка першого гравця, у стовпці трійка другого. У клітинці шанс, що першою випаде трійка зі стовпця: точний дріб і результат симуляції. Що темніша клітинка, то вищий шанс. Рамкою позначено найкращу відповідь другого гравця.

Найгірший випадок для найкращої відповіді
2/3
Найбільше відхилення симуляції від точного
–
Партій зіграно
–

Клітинки на перетині трійки з собою порожні. Шанс першого гравця дорівнює 1 мінус число в клітинці.

Скільки кидків чекати на кожну трійку

Тепер без суперника: монету підкидають, доки трійка не з'явиться. Стовпчики показують точне середнє, точки показують середнє 20 000 симульованих очікувань для кожної трійки.

точне середнє симуляція
Раунд 4 · П'ять пояснень

Чому другий гравець завжди може бути сильнішим

Трійки рівні, якщо дивитися на три фіксовані кидки. Але в грі важливо інше: як трійки накладаються одна на одну й самі на себе. Ось п'ять способів це побачити.

ООО проти РОО

ООО виграє лише з самого початку

Перші три кидки ООО1/8єдиний шанс для ООО
Будь-що інше7/8виграє РОО

Якщо серед перших трьох кидків є решка, то перед першою появою ООО обов'язково стоїть решка. Ця решка разом із двома орлами після неї вже утворює РОО, причому на кидок раніше. Тож щойно випала перша решка, ООО програла остаточно.

Рівні в середньому, не рівні першими

Трійки з'являються однаково часто, але по-різному

У 1000 кидках є 998 вікон по три, і кожна трійка в середньому трапляється 998/8 ≈ 124,75 раза. Але ООО ходить купками: ОООО містить її двічі, ООООО тричі. Коли появи злипаються, між купками лишаються довші проміжки, і на першу появу доводиться чекати довше.

Час очікування

На ООО чекають 14 кидків, на ООР лише 8

ООО: невдача відкидає назад14кидків у середньому
ООР: зайвий орел не шкодить8кидків у середньому

Уявіть, що вже випало ОО. Для ООР третій орел нічого не псує: ви знову маєте ОО і чекаєте на решку. Для ООО решка на цьому місці зводить усе нанівець, і треба починати з нуля. На трійки, що накладаються самі на себе, доводиться чекати довше.

Але час очікування не вирішує дуель. ООО і ООР грають 50 на 50, хоч на них чекають у середньому 14 і 8 кидків: обидві починаються з ОО, і після першого ОО все вирішує наступний кидок.

Камінь, ножиці, папір

Найкращої трійки немає

РОО ООР ОРР РРО 3/4 2/3 3/4 2/3

Стрілка веде від переможця до переможеного, число показує шанс переможця. РОО б'є ООР, ООР б'є ОРР, ОРР б'є РРО, а РРО б'є РОО. Коло замикається, як у грі «камінь, ножиці, папір». Таке відношення називають нетранзитивним: з «А сильніше за Б» і «Б сильніше за В» не випливає «А сильніше за В».

Правило другого гравця

Протилежне до середнього, потім перші два

Відповідь закінчується тими двома кидками, з яких починається трійка суперника. Тому вона майже завжди «підстерігає» його трійку: щоб суперник завершив свою, спершу мають випасти її перші два кидки, а перед ними часто вже стоїть потрібний вам перший символ. Перший символ беруть протилежним до середнього, щоб відповідь сама себе не перекривала й не чекала зайвого.

Для тих, хто любить формули

Провідні числа Конвея

A·B: для кожного k = n, …, 1 пишемо 1, якщо останні k символів A збігаються з першими k символами B, інакше 0; читаємо як двійкове число
Шанси, що B випаде раніше за A = (A·A − A·B) : (B·B − B·A)
A = ООО, B = РОО:  A·A = 111₂ = 7,  A·B = 000₂ = 0,  B·B = 100₂ = 4,  B·A = 011₂ = 3
(7 − 0) : (4 − 3) = 7 : 1  →  P(B першою) = 7/8
Середній час очікування E[TA] = 2 · (A·A):  ООО 2 · 7 = 14,  ОРО 2 · 101₂ = 10,  ООР 2 · 100₂ = 8

Джон Конвей знайшов цю формулу й назвав її алгоритмом провідних чисел, але доведення не опублікував. Доведення з'явилися згодом, зокрема мартингальне доведення Шуо-Єнь Роберта Лі (1980) і робота Гібаса й Одлизка (1981). Формула працює для комбінацій будь-якої довжини, якщо жодна не міститься в іншій. За нею сторінка рахує всі точні числа в таблиці раунду 3, а симуляція їх перевіряє.

Раунд 5 · Ускладнюємо

Двійки, четвірки, будь-які комбінації і колода карт

Що буде, якщо грати комбінаціями з двох чи чотирьох кидків? Як порахувати дуель будь-яких двох комбінацій? І чи працює фокус, коли замість монети беруть колоду карт?

Найкращі відповіді для інших довжин

ПершийНайкраща відповідьТочноСимуляція

Дуель будь-яких двох комбінацій

Наберіть комбінації літерами О і Р (або H і T), до 12 символів. Довжини можуть різнитися, але одна комбінація не має містити іншу.

Шанс B, точно–
Симуляція–
Скільки чекати на комбінацію

Час очікування рахують за самоперекриттями

Для кожного k, за якого перші k символів комбінації збігаються з останніми k, додаємо 2k. Сума дорівнює середній кількості кидків до першої появи. На комбінацію довжини n без самоперекриттів чекають у середньому 2n кидків, а на n однакових символів поспіль найдовше: 2n+1 − 2.

Середній час очікування A
–
Середній час очікування B
–

Для четвірок перший гравець найкраще захищається комбінацією ОРОО (або РОРР): суперник отримує щонайбільше 9/14. Дж. А. Чірік довів 1992 року, що для довжини k ≥ 4 найкраща комбінація першого гравця така: О, потім Р k−3 рази, потім ОО, і тоді шанси другого гравця (2k−1 + 1) : (2k−2 + 1).

Те саме з колодою карт

0
0

Гра Гамбла й Нісіями

Червоні й чорні замість орла й решки

Стів Гамбл і Ютака Нісіяма 2010 року запропонували грати колодою з 52 карт: 26 червоних (♥) і 26 чорних (♠). Карти відкривають по одній. Щойно з'явилася чиясь трійка, її власник забирає всі відкриті карти, і пошук починається заново. Виграє той, хто зібрав більше таких «взяток».

ПершийДругийВиграє 1-йВиграє 2-йНічия

Числа точні: ми порахували їх перебором усіх станів колоди. Вони збігаються з симуляцією, наведеною у Вікіпедії. Колода посилює перевагу другого гравця, бо взяток багато, а виграє той, хто частіше буває першим.

Бонус · Цікаві факти

Що розповісти друзям

1969

Задача 95 «Penney-Ante»

Волтер Пенні опублікував гру як задачу № 95 у другому томі «Journal of Recreational Mathematics», на сторінці 241.

1974

Колонка Мартіна Ґарднера

У жовтневому номері Scientific American за 1974 рік Мартін Ґарднер присвятив колонку «Mathematical Games» парадоксам нетранзитивних відношень. Там він розповів широкому читачеві і про гру Пенні, і про провідні числа Конвея.

7 : 1

Формула без доведення

Джон Конвей придумав спосіб рахувати шанси будь-якої пари комбінацій через двійкові «провідні числа», але не довів його. Строгі доведення з'явилися на початку 1980-х.

2/3

Кості Ефрона

Статистик Бредлі Ефрон придумав чотири кості з такими гранями: 4, 4, 4, 4, 0, 0; шість трійок; 6, 6, 2, 2, 2, 2; 5, 5, 5, 1, 1, 1. Кожна наступна кість програє попередній з шансом 2/3, а перша програє останній. Той самий принцип: хто обирає другим, завжди може взяти сильнішу кість.

14 · 8

Довше чекати не означає програти

На ООО в середньому чекають 14 кидків, на ООР лише 8. Проте в дуелі вони рівні, 50 на 50. А серед четвірок буває й навпаки: ОРРО, на яку чекають у середньому 18 кидків, випереджає РРОО (16 кидків) з шансом 7/12. Хто перший, вирішують перекриття, а не середні часи.

99,49%

Майже гарантована перемога з картами

У картковій версії Гамбла й Нісіями другий гравець із ♥♠♠ проти ♠♠♠ виграє 99,49% партій, а програє лише 0,11%. З монетою його шанс був 7/8. Колода перетворює перевагу на майже певну перемогу.

Обговорення

Що ви думаєте?

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

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.