10堂极简概率课
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附录1 帕斯卡和费马

骰子问题

帕斯卡写给费马的第一封信已经遗失,但可以肯定的是,骰子问题就是在这封信中提出来的。

费马在回信中指出,帕斯卡犯了一个错误:

假设我需要用一枚骰子在8轮投掷中得到某个点数才算赢。下注后,如果我们一致同意我放弃第一轮投掷机会,那么根据我的理论,作为对我放弃第一轮投掷机会的补偿,我拿走全部赌注的1/6才算公平合理。

之后,如果我们一致同意我放弃第二轮投掷机会,那么我拿走剩余赌注的1/6,也就是全部赌注的5/36,才算公平合理。

之后,如果我们一致同意我放弃第三轮投掷机会,那么作为对我的补偿,我拿走剩余赌注的1/6,也就是全部赌注的25/216,才算公平合理。

之后,如果我们一致同意我放弃第4轮投掷机会,那么我拿走剩余赌注的1/6,也就是全部赌注的125/1 296,才算公平合理。你认为,如果玩家完成了前面三轮的投掷,这就是第4轮投掷机会的价值。我认同你的观点。

下面是你在信中举出的最后一个例子,我完整地引述如下条件:我需要在8轮投掷中得到6点。我已经投掷了三次,但都没有成功。这时候,我的对手建议我放弃第4轮投掷机会,并且为公平起见,我可以拿走全部赌注的125/1 296。你认为这样做是合理的。

但是,根据我的理论,这是不公平的。因为在这种情况下,手持骰子的玩家在前三轮投掷中一无所获,总赌注分文未少。如果他同意放弃第4轮投掷机会,作为补偿,他应该拿走全部赌注的1/6。如果他第4次投掷仍没有成功,那么在双方一致同意他放弃第5轮投掷机会的情况下,他依然应该分得全部赌注的1/6。既然赌注总额一直没有变化,那么无论从理论上看,还是根据常识,每次投掷机会都应该具有相同的价值。

很明显,这里的核心问题是期望值。如果放弃某一轮的投掷机会并拿走一部分赌注,不会改变赌局的期望值,这种做法就是公平的。

费马清楚地看到,任意一轮赌局的分析结果都是一样的。假设某轮投掷结束后,还剩下n+1轮投掷机会,此时的赌注价值为1。那么,选择参与赌局并在此轮获胜的期望值是1/6,而此轮失败但最终仍有可能获胜的期望值是。拿走1/6的赌注后,用剩余赌注继续赌局的期望值是:到手的现金(数额为1/6),再加上最终获胜的概率与剩余赌注(数额为5/6)的乘积。费马的分析立刻得到了帕斯卡的认同。

点数问题

帕斯卡讨论的另一个问题也很有趣。他以一个赌局为例,两个玩家各押注32枚金币,率先赢得三点的玩家获胜。

我们假设第一个玩家得到两点,另一个玩家得到一点。在接下来的一轮赌局中,如果第一个玩家获胜,他就会赢得全部赌注,即64枚金币。如果第二个玩家获胜,他们的点数之比就是2∶2,此时终止赌局的话,他们各自拿回自己的赌注(32枚金币)就可以了。

费马先生,请考虑下面这种情况。如果第一个玩家获胜,64枚金币就会归他一人所有。如果他输了,则可以得到32枚金币。此时他们终止赌局的话,第一个玩家就会说:“我肯定可以得到32枚金币,因为即使我输了,我也会得到这么多金币。至于另外32枚金币,也许会归我所有,也许会归你所有,风险均等。因此,我们可以平分这32枚金币。但是,另外32枚金币肯定归我所有。”这样一来,他将得到48枚金币,而另一名玩家则得到16枚金币。

这不仅是在计算期望值,还以任何人都无法辩驳的方式证明了这种分配方案的公平性。你确定拥有的部分,就归你所有;对不确定的部分,在概率相等时则双方平分。这是对修道士帕乔利的疑问的明确解答。

接着,帕斯卡表明这个推理过程还可以迭代:

现在,我们假设第一个玩家得到两点,另一个玩家一无所获。接下来,他们将争夺第三轮的胜利。如果第一个玩家获胜,那么他将赢得所有赌注,即64枚金币。如果第二个玩家获胜,赌局就会回到前文讨论过的情况,即第一个玩家有两点,第二个玩家有一点。

我们已经证明,在这种情况下,48枚金币将归那个赢得两点的玩家所有。此时,他们终止赌局的话,这个玩家就会说:“如果我赢了,我将获得64枚金币。如果我输了,我也会理所当然地得到48枚金币。因此,先将确定归我所有的48枚金币给我,因为即使我输了,这些金币也是我的;然后我们再平分剩余的16枚金币,因为我们得到这些金币的概率均等。”也就是说,他将得到56(48+8)枚金币。

现在,我们假设第一个玩家得到一点,第二个玩家一无所获。瞧,费马先生,如果他们开始第二轮,就会出现两种可能的结果。如果第一个玩家获胜,他就会拥有两点,而对手仍然一无所获。根据前文讨论的结果,他将得到56枚金币。如果第一个玩家输了,他们的点数之比就是1∶1,他将得到32枚金币。因此,这名玩家肯定会说:“如果此时终止赌局,就先从56枚金币中把我肯定会得到的那32枚金币给我,然后我们再平分剩下的金币。从56枚金币中拿走32枚,还剩24枚。我们平分之后,各得12枚。12枚加上之前的32枚,我应该得到44枚金币。”

这是公平分配的一个递归过程。接着,帕斯卡又分析了点数要求较高的赌局,并给出了这个问题的一般解。