W grze uczestniczy dwóch graczy: G 1 i G 2. Z urny, w której jest b kul białych i c czarnych, losuje się w grze (jednocześnie) dwie kule.

Transkrypt

1

2

3 W grze uczestniczy dwóch graczy: G 1 i G 2. Z urny, w której jest b kul białych i c czarnych, losuje się w grze (jednocześnie) dwie kule. Jeśli obie wylosowane kule są tego samego koloru to zwycięża G 1, jeśli wylosowane kule są różnych kolorów to zwycięża G 2.

4 Rodzi się pytanie, czy istnieją takie liczby b i c, przy których opisana gra jest sprawiedliwa. W grze losuje się dwie kule z urny. Oznaczmy wyniki tego doświadczenia losowego d następująco: ω 0 : obie wylosowane kule będą białe, ω 1 : jedna wylosowana kula będzie biała, a druga czarna, ω 2 : obie wylosowane kule będą czarne.

5 Przy tej umowie co do oznaczania wyników, zbiór wyników losowania to zbiór Ω={ω 0,ω 1,ω 2 }. Rozkład prawdopodobieństwa na zbiorze Ω jest funkcją p, określoną następująco: p ω 0 = p ω 0 = b(b 1) 2 (b+c 1)(b+c) 2, p ω 1 = b(b 1) (b+c 1)(b+c), p ω 1 = bc (b+c 1)(b+c) 2 Zatem:, p ω 2 = 2bc (b+c 1)(b+c), p ω 2 = c(c 1) 2 (b+c 1)(b+c) 2 c(c 1) (b+c 1)(b+c) Tak określona funkcja p przypisuje każdemu wynikowi doświadczenia losowego d prawdopodobieństwo, z jakim doświadczenie d może się tym wynikiem zakończyć.

6 Z tym doświadczeniem losowym d przeprowadzanym w grze zwiążmy zdarzenia: A 1 ={obie wylosowane kule będą tego samego koloru} A 2 ={jedna wylosowana kula będzie biała, a druga czarna} A 1 = ω 0, ω 2, A 2 = {ω 1 } P A 1 = p ω 0 + p ω 2 = b2 b + c 2 c (b + c 1)(b + c) 2bc P A 2 = p ω 1 = (b + c 1)(b + c)

7 Gra jest sprawiedliwa wtedy i tylko wtedy, gdy P(A 1 )=P(A 2 ), więc z obliczeń otrzymujemy, że: b 1 = c b 2 = c c 1 + 8c Niech c=1. Wówczas b wynosi: b 1 = 3, b 2 = 0 Gra jest sprawiedliwa, gdy w urnie znajduje się jedna kula czarna i trzy białe (b 2 nie jest rozwiązaniem zadania).

8 W poniższej tabeli zilustrowano liczbę kul potrzebnych, aby gra była sprawiedliwa, w zależności od c. b 2 C b Niecałkowite 2 Niecałkowite Niecałkowite 4 Niecałkowite Niecałkowite 5 Niecałkowite Niecałkowite nie spełniają warunków zadania

9 Z tabeli wynika, że liczby kul, przy których gra jest sprawiedliwa, tworzą ciąg: 1,3,6,10,15,21,28,36, n(n + 1) a n = 2 Przy czym jeśli wybrana w ciągu liczba oznacza liczbę kul czarnych to sąsiednie liczby oznaczają liczbę kul białych, dla której gra jest sprawiedliwa. Przy czym jeśli wybrana w ciągu liczba oznacza liczbę kul białych to sąsiednie liczby oznaczają liczbę kul czarnych, dla której gra jest sprawiedliwa. Aby gra była sprawiedliwa należy wziąć dwa kolejne wyrazy ciągu jako liczbę kul.

10 Pod nazwą marynarza znany jest następujący sposób losowania jednej spośród wielu osób. Na komendę każda z osób wystawia pewną liczbę palców prawej ręki. Następnie zlicza się wszystkie wystawione palce i liczbę łącznie wystawionych palców odlicza, jak w wyliczance w grze w berka. Odlicza się według ustalonej kolejności a zaczyna od ustalonej osoby. Kolejność i osobę, od której zaczyna się odliczanie, ustala się przed wystawieniem palców.

11 ZAŁOŻENIA SYTUACJI: Załóżmy, że w grze bierze udział 5 osób (graczy): G 1, G 2, G 3, G 4, G 0 i osoby te stoją w szeregu (kręgu) w kolejności G 1, G 2, G 3, G 4, G 0. Odliczanie rozpoczynamy od G 1. Doświadczenie to jest wystawieniem na chybił trafił co najmniej jednego palca prawej ręki przez każdą z pięciu osób. Uznajemy, że dla każdej osoby i dla każdej liczby palców prawdopodobieństwo, że ta osoba liczbę palców wystawi jest równe 1 5. Jeśli uwzględniamy kolejność osób, to wynik doświadczenia możemy traktować jako pięciowyrazową wariację zbioru {1,2,3,4,5}. Jej j-ty wyraz jest liczbą palców wystawionych przez osobę G j w kolejce(j=0,1,2,3,4). Takich wyników jest 5 5 i wszystkie są jednakowo prawdopodobne.

12 Liczba wyników zostanie zliczona przez program napisany w języku Turbo Pascal. Kod źródłowy programu jest przedstawiony na stronie internetowej: Wniosek końcowy: Wszystkie wyniki są tak samo prawdopodobne, czyli gra w marynarza dla 5 osób jest sprawiedliwa.

13 GRA W MARYNARZA DLA 6 OSÓB. Wynik wystawienia na chybił trafił co najmniej jednego palca jednej ręki przez każdą z 6 osób jest sześciowyrazową wariacją zbioru {1,2,3,4,5}. Modelem tego doświadczenia jest klasyczna przestrzeń probabilistyczna (Ω,p), gdzie Ω={1,2,3,4,5} 6, a więc zbiór o mocy 5 6.

14 Osoba G J zostanie wylosowana wtedy i tylko wtedy, gdy zajdzie zdarzenie: A j ={reszta z dzielenia przez 6 sumy liczb wystawionych palców da liczbę j} dla j=0,1,2,3,4,5 Zdarzenia A 1, A 2, A 3, A 4, A 5, A 0 tworzą układ zupełny zdarzeń. Jeśli przestrzeń probabilistyczna jest klasyczna, to dwa zdarzenia są jednakowo prawdopodobne wtedy i tylko wtedy, gdy są równoliczne. Jeśli dwa zdarzenia w klasycznej przestrzeni probabilistycznej nie są równoliczne, to nie mogą być jednakowo prawdopodobne.

15 Wniosek dla 6 graczy: Zdarzenia A 1, A 2, A 3, A 4, A 5, A 0 nie są w rozważanej klasycznej przestrzeni probabilistycznej zbiorami równolicznymi, bo 6 nie jest dzielnikiem liczby 5 6. Tym samym nie są to zdarzenia jednakowo prawdopodobne a zatem gra w marynarza z udziałem 6 osób nie jest sprawiedliwa.

16 Dla jakiej liczby graczy gra w marynarza jest sprawiedliwa? Załóżmy, że w grze bierze udział k graczy. Wszystkie wyniki w omawianym doświadczeniu są jednakowo prawdopodobne i jest ich 5 k. Aby gra w marynarza była sprawiedliwa musi być spełniony warunek konieczny, tj.: liczba k jest dzielnikiem liczby 5 k, a zatem 5k k N.

17 Z rozważań tych wynika więc, że k może być równe: 5,10,15,20,. Wiemy już, że dla k=5 gra w marynarza jest sprawiedliwa. Dla 10 graczy będzie sprawiedliwa jeśli 10 jest dzielnikiem 5 10 itd. Podstawiając za k kolejne wielokrotności 5 można zauważyć pewną prawidłowość, a mianowicie: potęga liczby 5 o wykładnikach 5,15,25, ma końcówkę 125, natomiast potęga liczby 5 o wykładnikach 10,20,30, ma końcówkę 625. Iloraz liczby, której 3 ostatnie cyfry tworzą liczbę 625 i liczby ze zbioru 10,20,30, nie jest liczbą naturalną, a więc nie został spełniony warunek konieczny. Dzielnikami liczby kończącej się na 125 są: 5,25,125,. Są to kolejne potęgi liczby 5, a więc gra w marynarza może być sprawiedliwa dla 5,25,125, graczy.

18 Z rozważań tych dalej wynika, że warunek konieczny sprawiedliwości gry w marynarza możemy sformułować w następujący sposób: Warunkiem koniecznym na to, aby losowanie metodą marynarza było sprawiedliwe jest, aby k=5 n, gdzie n N. Jest to jedynie warunek konieczny. Nie wynika z niego jednak, że losowanie metodą marynarza jednej z k osób jest sprawiedliwe. Udowodniliśmy wcześniej, że dla k=5 losowanie metodą marynarza jest sprawiedliwe. Problem sprawiedliwości losowania metodą marynarza w przypadku, gdy liczba osób wyraża się wzorem 5 n dla n N i n 2 jest otwarty.

19 Nazwa pochodzi od przyrządu losującego, który przypomina karuzelę, na której kręci się 13 koników: 4 czerwone, 4 zielone, 4 niebieskie i 1 biały. Rekwizytem jest także plansza do obstawienia z czterema kolorowymi sektorami: czerwonym, niebieskim, zielonym i białym.

20 Na początku gracz obstawia kolor kładąc stawkę z złotych na sektorze o tym kolorze. Gra zaczyna się więc od podejmowania decyzji. Są tu cztery dopuszczalne decyzje, które oznaczamy następująco: d c - stawiam na kolor czerwony d z stawiam na kolor zielony d n stawiam na kolor niebieski d b stawiam na kolor biały. Zbiór D={d c,d z,d n,d b } jest zbiorem dopuszczalnej decyzji.

21 Kolor konika, który zatrzyma się na mecie po zatrzymaniu się karuzeli jest wylosowanym kolorem. Wyniki tego losowania oznaczamy następująco: ω c -czerwony, ω z -zielony, ω n -niebieski, ω b -biały. W grze przeprowadza się doświadczenie losowe, którego modelem jest przestrzeń probabilistyczna (Ω,p), gdzie: Ω = ω c, ω z, ω n, ω b, oraz p(ω c )=p(ω z )=p(ω n )= 4 13 i p(ω b)= 1 13.

22 Zbiór Ω jest w tej sytuacji zbiorem stanów świata zewnętrznego, funkcja p jest rozkładem prawdopodobieństwa na tym zbiorze. Za trafne typowanie w grze gracz uzyskuje wygraną, której wysokość zależy od decyzji, co do obstawionego koloru. Ta wygrana jest więc funkcją dwóch zmiennych określona następująco: P(ω) ω c ω z ω n ω b d c d z d n d b

23 W przecięciu się wiersza odpowiadającego decyzji d x z kolumną odpowiadającą wynikowi ω y wpisano korzyść (wygraną gracza) w sytuacji gdy podjął decyzję d x, a następnie stanem świata zewnętrznego okazał się wynik ω y. Tabelę prezentującą funkcję korzyści uzupełniono u góry wierszem, który określa rozkład prawdopodobieństwa na zbiorze Ω. Niech W c oznacza wygrana gracza odpowiadającą decyzji d c, W z wygraną gracza odpowiadającą decyzji d z, W n oznacza wygrana gracza odpowiadającą decyzji d n, W b wygraną gracza odpowiadającą decyzji d b. Wygrana gracza, jeśli o niej mówić przed losowaniem jednego z koników, ale po podjęciu decyzji jest zmienną losową w przestrzenie probabilistycznej (Ω,p).

24 Wartości zmiennej losowej W c tworzą zbiór Ω w c ={0,2z}. Mamy tu: {W c=0}={ω z, ω n, ω b }, a więc z definicji prawdopodobieństwa zdarzenia wynika, że: P(W c =0)=p(ω z )+p(ω n )+p(ω b )= 9 13 P(W c =2z)=p(ω c )= 4 13 Rozkład zmiennej W c jest zatem p w c, określoną następująco: kεω WC 0 2z P(W c =k)

25 A zatem E(w c )= z 4 = 8 z W przypadku decyzji d b gracz może wygrać 5z zł jeśli na mecie zatrzyma się konik biały, albo 0zł, gdy na mecie zatrzyma się konik innego koloru. Wartości zmiennej losowej tworzą zbiór Ω W ={0,5z}. Rozkład zmiennej losowej jest b funkcją p W określoną następująco: b kεω Wb 0 5z P(W b =k) A zatem: E(w b )= z 1 13 = 5 13 z 1 13

26 W każdym przypadku średnia wygrana gracza jest mniejsza od liczby z, to jest kwoty jaką gracz uiścił za wstęp do gry. W przypadku decyzji d b średnio 8 stawki zostaje w kasie 13 właściciela ruletki z konikami. W przypadku którejkolwiek z pozostałych decyzji z każdej stawki do kasy trafia średnio 5 13 stawki. Przy takich wypłatach za wygrane karuzela z konikami nie jest grą sprawiedliwą, bo wartość oczekiwana wygranej gracza nie jest równa wpłacanej stawce. Gra jest niekorzystna dla gracza, co tłumaczy prosperowanie działalności takiej ruletki. Aby gra była sprawiedliwa w przypadku decyzji d b wygrana powinna wynosić 13z zł, w przypadku którejkolwiek z pozostałych decyzji wygrana powinna wynosić 3,25z zł (wówczas opłaty są równe wartościom oczekiwanym).

27