彭尼的游戏(Penney's game)由沃尔特·彭尼()提出,是一个两个玩家之间生成用“正面”和“反面”为代称产生二进制数列的游戏。玩家A报出至少包含3个项、每项只能是正面或反面的序列,然后展示给玩家B;玩家B则给出等长的正面反面序列。随后, 投掷一面均匀的硬币,观察正反,直至投掷出一段序列刚好和某个玩家的序列吻合,则该名玩家获胜。
将序列中每个正面或者反面的判断称为比特(bit),使用长度为3比特的序列,玩家B相对玩家A有优势。这是因为这个游戏是一个非传递博弈,所以无论如何选定第一个序列,总会有一个序列有更大的获胜概率。
长度为3bit的游戏分析
长度为3比特的游戏中,第二名玩家可以通过以下途径最大化其胜算(odds):
(H表示正面朝上,T表示反面朝上)
简单的来说,对于2号玩家可以记下如下的序列作为获胜的技巧或者是讨喜的技巧(bar trick):第一个比特与1号玩家的第二个比特相反,第二个比特与1号玩家的第一个比特相同,第三个比特与1号玩家的第二个比特相同。
:如果1号玩家选择了“1-2-3”为顺序编号的序列,每个编号代表一个比特(正面/反面),
:那么2号玩家则应该选择:(与2相反)-1-2
这一结果有一个直观的解释:依照这种方法,当1号玩家猜测的前两比特刚好对上时,2号玩家的后两比特也对上,而1号玩家仍需要再猜测一轮才知晓是否胜利,直觉上而言,认为2号玩家更可能先猜全序列而成为赢家。
游戏规则如下:
:游戏开始时,各玩家决定在游戏中使用的对于连续三张卡片的颜色猜测顺序。每次抽出一张卡片,并按顺序放成一线,直至被选的三联顺序出现。选中这一顺序的玩家拿走最后对上的三张牌, 称为拿到1个“trick”。游戏用余下牌继续,直至玩家不断地拿到“trick”所有牌被拿完为止。拿了最多“trick”的玩家即为赢家。
这一游戏通常会包含7个“trick”。基于扑克牌的游戏非常接近于原先游戏的重复,2号玩家的优势被极大地放大。但是概率有略微不同,因为投硬币得到的两个结果是独立的,而取出红牌于黑牌的概率取决于之前的抽牌。记红为R,黑为B,正面为H,反面为T,可以注意到HHT对比HTH和HTT的概率比是2:1,但BBR对比BRB和BRR的概率比各不相同。
以下为电脑模拟对每种策略的结果的估算概率:
如果游戏在多于1个trick时结束,平局概率微乎其微。2号玩家的胜率如下表所示:
带轮盘的变体
Robert W. Vallin以及后来他和Aaron M. Montgomery一起发表了有关赌便士问题的研究结果。他们把这一游戏改编为(美式)轮盘,玩家们通过选择红色或黑色,而不是硬币的正面反面,来进行游戏。这种情况下,球落在红色与黑色区域的概率各为9/19,而球落在绿色区域的概率为1/19。绿色区域有很多解读方式:
:(1)作为状况外卡牌,既可以当黑也可以当红;
:(2)意即本轮无效须重来,或者游戏直接结束;
:(3)作为一种非红非黑的颜色参与到序列中。
其研究结果计算了胜算与结束游戏所需要的回合数。
参见
*非传递博弈
参考资料
- Walter Penney, Journal of Recreational Mathematics, October 1969, p. 241.
- Martin Gardner, "Time Travel and Other Mathematical Bewilderments", W. H. Freeman, 1988.
- L.J. Guibas and A.M. Odlyzko, "String Overlaps, Pattern Matching, and Nontransitive Games", Journal of Combinatorial Theory, Series A. Volume 30, Issue 2, (1981), pp 183–208.
- Elwyn R. Berlekamp, John H. Conway and Richard K. Guy, "Winning Ways for your Mathematical Plays", 2nd Edition, Volume 4, AK Peters (2004), p. 885.
- S. Humble & Y. Nishiyama, "Humble-Nishiyama Randomness Game - A New Variation on Penney's Coin Game", IMA Mathematics Today. Vol 46, No. 4, August 2010, pp 194–195.
- Steve Humble & Yutaka Nishiyama, [http://plus.maths.org/issue55/features/nishiyama/index.html "Winning Odds"] , Plus Magazine, Issue 55, June 2010.
- Yutaka Nishiyama, [http://www.ijpam.eu/contents/2010-59-3/10/10.pdf Pattern Matching Probabilities and Paradoxes as a New Variation on Penney’s Coin Game] , International Journal of Pure and Applied Mathematics, Vol.59, No.3, 2010, 357-366.
- Ed Pegg, Jr., [http://blog.wolfram.com/2010/11/30/how-to-win-at-coin-flipping/ "How to Win at Coin Flipping"] , [http://blog.wolfram.com/ Wolfram Blog] , 30 November 2010.
- J.A. Csirik, "Optimal strategy for the first player in the Penney ante game", Combinatorics, Probability and Computing, Volume 1, Issue 4 (1992), pp 311–321.
*Robert W. Vallin “A sequence game on a roulette wheel,” The Mathematics of Very Entertaining Subjects: Research in Recreational Math, Volume II, Princeton University Press, (to be published in 2017)
- James Brofos, "A Markov Chain Analysis of a Pattern Matching Coin Game." [https://arxiv.org/abs/1406.2212 arXiv:1406.2212] (2014).
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