法国贵族德·美尔(De Mere)是一个资深赌徒,他曾向“数学神童”帕斯卡(Pascal)请教过一个亲身经历的“分赌金”问题:
一次德·美尔和赌友掷骰子,各押赌注32个金币,若德·美尔先掷出三次“6点”,或赌友先掷出三次“4点”,就算赢了对方。赌博进行了一段时间,德·美尔已掷出了两次“6点”,赌友也掷出了一次“4点”。这时,德·美尔奉命要立即去晋见国王,赌博只好中断。那么两人应当如何分这64个金币的赌本呢?
赌友说,德·美尔需再掷一次“6点”才算赢,而他自己若能掷出两次“4点”也就赢了,因此自己拿64个金币的1/3,而德·美尔拿2/3. 但是德·美尔争辩说,即使下一次赌友掷出了“4点”,两人也是秋色平分,各自收回32个金币,何况那一次自己还有一半的可能得16个金币呢!所以他主张自己应得全部赌本的3/4,而赌友只能得1/4.
公说公有理,婆说婆有理. 德·美尔的问题当时居然把帕斯卡给难住了,让帕斯卡苦苦思索了三年才悟出了一点道理,于是写信给好友费马(Fermat),两人展开激烈争论和深入研究,终于完整地解决了“分赌金问题”.
现在我们把这个问题重新表述一遍,并稍微加大一点难度:
甲、乙两个赌徒在每一局获胜的概率都是1/2,两人约定谁先赢得一定的局数就获得全部赌本,但赌博在中途被打断了,此时甲只需再赢2局就能获胜,而乙还需再贏3局才能获胜。请问应如何分配赌本?
很明显,如果按照甲乙两人最终获胜的概率大小来分赌本,则是最公平的. 最简单的情况是,如果两人的比分相当,则平分赌本. 因此,我们可以用逆向推理法,来看看什么情况下两人的比分相当,从而推算出每个人应得多少赌本.
一,逆向推理法
由于甲需再赢2次或乙再赢3次才能有一方最终获胜,现在以甲应分得的赌本为例进行推理:
1,如果甲输1次(即乙赢1次,概率为1/2),则甲乙比分相当(此时两人都需要再赢2次才能最终获胜),因此甲乙将平分赌本,此时甲获得1/2×1/2=1/4的赌本.
2,如果甲赢1次(概率为1/2),则甲乙比分进一步拉大. 此时只有甲连输2次(概率为1/4)才能与乙比分相当(两人都需要再赢1次才能最终获胜),此时甲乙将平分赌本,因而甲获得1/2×1/4×1/2=1/16的赌本;
3,如果甲赢1次(概率为1/2)之后没有连输2次,也就是说在这2次赌局中甲至少赢了1次(概率为3/4),那么甲就取得最终胜利,此时的赌本将全部归甲,即甲获得1/2×3/4=3/8的赌本.
把上述甲获得的赌本全部加起来,就是甲应该分得的总的赌本:
1/4+1/16+3/8=11/16.
从而可知,乙应分得5/16的赌本.
推理图如下所示:
这就是帕斯卡所使用的方法,跟德·美尔的直觉相符合. 逆向推理法虽然比较直观,但是不容易计算和推广,下面介绍的事件枚举法,则是费马所使用的方法.
二,事件枚举法
根据甲乙双方的比分可知,两人最多再赌4局必分胜负. 若设为再赌下去的第i局中甲赢,i=1,2,3,4,则甲最终获胜的事件可全部列举出来:
一,甲玩了2局获得胜利,即连赢2局,对应事件为:
二,甲玩了3局获得胜利,则前2局不能都赢,否则就不会玩第3局了,因此甲在前2局必有1输,其余都赢,对应事件为:
三,甲玩了4局获得胜利,则前3局必输2次赢1次,第4局赢,对应事件为:
因此,P(甲最终获胜)
所以甲得全部赌本的11/16,乙得全部赌本的5/16.
进一步地,我们还可以对这种方法进行推广.
假设甲还需赢n局才能获胜, 乙还需赢m局才能获胜. 在这种情况下,再赌n+m-1局必分胜负,共有种等可能的情况,而“甲最终获胜”意味着乙在此n+m-1局中最多赢m-1局,这共有
种等可能的情况.
若记
则
则P(甲最终获胜)=,
P(乙最终获胜)=
所以甲得全部赌本的,
乙得全部赌本的.
布莱士·帕斯卡
(Blaise Pascal,1623~1662)
皮埃尔·德·费马
(Pierre de Fermat,1601~1665)
帕斯卡和费马把赌博问题转变成数学问题,用数学演绎法和排列组合理论得出正确解答,并将此题的解法向更一般的情况推广,从而建立了概率论的一个基本概念——数学期望,这是描述随机变量取值的平均水平的一个量。这项研究为概率空间的抽象奠定了基础,而概率的公理化直至1933年才由柯尔莫哥洛夫完成。
从纯数学观点看,有限概率空间似乎显得平淡无奇,而一旦引人了随机变量和数学期望,它们就成为神奇的世界了。帕斯卡和费马的贡献便在于此。
圆满的合作使帕斯卡和费马建立了深厚的友谊。在1660年7月的信中,费马热情洋溢地邀请帕斯卡会面,“我非常想热烈地拥抱你,并奢望和你聊上几天几夜。”
在8月10日的回信中,帕斯卡表达了对费马的尊重,“一旦身体允许,我会立刻飞到图卢兹,绝不会让您为我迈出一步”。
然而可惜的是,两人最终也末能见上一面。
参考文献
范玉妹等编著《概率论与数理统计》(第三版)
徐传胜《从博弈问题到方法论学科——概率论发展史研究》