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概率

Penney's game:为什么后手稳赢

三次抛硬币的每一种结果机会都一样,可是在 Penney's game 里,后选的人永远能挑到一个比较早出现的序列,至少三次赢两次。这里有后手的应对法则、逐行精确核算过的整张表,以及 Conway 算任何一局胜率的方法。

机会一样,不等于来得一样早。序列赛跑时,决定胜负的是两个序列怎么互相重叠。

机会一样,不等于来得一样早

公平的硬币抛三次,每一种结果,HHH 也好、HTH 也好、THH 也好,机会都一样:八分之一。如果两个人各押一个序列、只比一组三次,谁都没有优势。

Walter Penney 在 1969 年提出的这个游戏, 只改了一件事:两人各挑一个三次的序列,然后一直抛下去,谁的序列先在这一长串结果里出现,谁就赢。一旦序列是在同一串结果里赛跑,机会一样就不再等于速度一样,而后选的人永远可以利用这一点。

后手的应对法则

后手是看过先手的序列之后才选。把先手的三次叫做第一、第二、第三个。后手的回应是:第二个的相反面,接着第一个和第二个。

简单说:抄先手的前两个,在前面补上先手中间那个的相反面。先手 HHT,你就选 THH;先手 HTH,你就选 HHT;先手 TTT,你就选 HTT。常见的错误是把第一个反过来,而不是中间那个:那样对 HHT 会选出 THT,胜率只有 3/8,比猜硬币还差。

整张表,逐行核过

八种对局全部列出来,数字是后手的胜率。先手 HHH,后手 THH 赢 7/8;先手 HHT,THH 赢 3/4;先手 HTH,HHT 赢 2/3;先手 HTT,HHT 赢 2/3;先手 THH,TTH 赢 2/3;先手 THT,TTH 赢 2/3;先手 TTH,HTT 赢 3/4;先手 TTT,HTT 赢 7/8。每一行都是精确算出来的,而且每一行里,法则给出的回应也正好是所有选择里最好的那一个。

最极端的那一行最好懂。HHH 只有在头三次刚好是 HHH 时才会赢,机会是八分之一。只要在那之前出现过一次反面,第一次出现的三连正面前面一定紧贴着一个反面,那个反面加上两个正面就是 THH,已经先完成了。所以后手最差也有三次赢两次,碰上 HHH 或 TTT 更是八次赢七次。

没有最强的序列,只有最好的回应

一部分直觉来自等待时间。平均要抛 14 次才看到 HHH,10 次看到 HTH,8 次看到 THH。像 HHH 这种和自己重叠的序列,出现时往往扎堆,所以第一次出现会比较晚。

可是等待时间解释不了全部,因为胜负会绕成一个圈。THH 以 3/4 赢 HHT,HHT 以 2/3 赢 HTT,HTT 以 3/4 赢 TTH,TTH 又以 2/3 赢回 THH。这种关系没有传递性,就像剪刀石头布:先选的人没有最强的序列可挑,只有针对对方的最好回应。

Conway 的 leading numbers

John Conway 找到一种可以手算任何一局的方法,收在 Winning Ways 里,也出现在 Martin Gardner 的文章中。对两个序列 A 和 B,定义一个相关数 A:B:把 B 垫在 A 下面一格一格挪,在 A 的每一个位置问一次:A 从这里到结尾的部分,是不是正好等于 B 的开头?是就写 1,不是就写 0,再把这串数字当成二进制数来读。

B 比 A 先出现的赔率,是(A:A 减 A:B)比(B:B 减 B:A)。以 A 为 HHH、B 为 THH:A:A 是 111,也就是 7;A:B 是 000,也就是 0;B:B 是 100,也就是 4;B:A 是 011,也就是 3。赔率是 7 比 1,也就是 7/8,和表上一样。Penney's Game 那一页的实验室,可以替你算任何一对序列。

优势在哪里消失

这个优势有边界,值得知道。序列长度是三或以上时,Guibas 和 Odlyzko 在 1981 年证明了后手永远有一个会赢的回应,做法是拿先手开头的几个符号,在前面补上一个。 长度只有二的时候就不成立:先手选 HT 或 TH,后手最好也只能打平,各一半。

它也要求硬币公平。如果硬币五次有四次正面,THH 对 HHH 只剩 125 次赢 61 次,不到一半,先手的 HHH 反而成了热门。这个教训不只适用于硬币:事件在一串过程里赛跑时,先问这些模式怎么重叠,也要问这个过程是不是真的像你以为的那么公平。