Penney 的游戏:正所谓后发制人,先发制于人

让我们来玩一个游戏。连续抛掷硬币,直到最近三次硬币抛掷结果是“正反反”或者“反反正”。如果是前者,那么我获胜,你需要给我 1 元钱;如果是后者,那么你获胜,我会给你 1 元钱。你愿意跟我玩这样的游戏吗?换句话说,这个游戏是公平的吗?

乍看上去,你似乎没有什么不同意这种玩法的理由,毕竟“正反反”和“反反正”的概率是均等的。连续抛掷三次硬币可以产生 8 种不同的结果,上述两种各占其中的 1/8 。况且,序列“正反反”和“反反正”看上去又是如此对称,获胜概率怎么看怎么一样。

实际情况究竟如何呢?实际情况是,这个游戏并不是公平的——我的获胜概率是你的 3 倍!虽然“正反反”和“反反正”在一串随机硬币正反序列中出现的频率理论上是相同的,但别忘了这两个序列之间有一个竞争的关系,它们要比赛看谁先出现。一旦抛掷硬币产生出了其中一种序列,游戏即宣告结束。这样一来,你就会处于一个非常窘迫的位置:不管什么时候,只要掷出了一个正面,如果你还没赢的话,你就赢不了了——在出现“反反正”之前,我的“正反反”必然会先出现。

事实上,整个游戏的前两次硬币抛掷结果就已经决定了两人最终的命运。只要前两次抛掷结果是“正正”、“正反”、“反正”中的一个,我都必胜无疑,你完全没有翻身的机会;只有前两次掷出的是“反反”的结果,你才会赢得游戏的胜利。因此,我们两人的获胜概率是 3:1 ,我的优势绝不止是一点。

你或许想问,如果已知我的硬币序列是“正反反”,那么你应该选择一个怎样的硬币序列,就能保证获胜概率超过我呢?研究表明,你可以选择“正正反”,这样一来,我们两人的获胜概率将会变为 1:2 ,换句话说你将会有 2/3 的概率获胜。 Using your Head is Permitted 趣题站 2014 年 5 月的趣题对此进行了更深一步的探究。

A 、 B 两人打算玩这么一个游戏。首先, A 选择一个长度为 n 的正反序列,然后 B 再选择另一个长度为 n 的正反序列。之后,不断抛掷硬币,哪名玩家所选的正反序列最先出现,哪名玩家就获胜。我们的问题是,假如两名玩家都采取最优策略的话,对于哪些 n ,游戏对玩家 A 更有利一些(换句话说,玩家 A 拥有超过 50% 的胜率),对于哪些 n ,游戏对玩家 B 更有利一些(换句话说,玩家 B 拥有超过 50% 的胜率)。今后,为了方便起见,我们用数字 1 代表“正面”,用数字 0 代表“反面”。

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子串复杂度、平衡 01 串与 Sturmian 串

让我们先从两个小问题开始说起。第一个问题是,是否存在某个无限不循环的 01 串,使得对于任意一个正整数 n ,该 01 串中长度为 n 的子串都有且仅有 n + 1 种?

或许这个问题来得有些突然。让我们慢慢解释一下,这个问题是怎么来的。衡量一个 01 串的复杂程度有很多办法,比方说,我们可以去考察它的“子串复杂度”(subword complexity),即子串的种类有多丰富。我们用 pw(n) 来表示,在一个(有可能无限长的)数字串 w 当中,长度为 n 的子串一共有多少种。例如,对于无限 01 串 α = 000000… 来说,不管 n 是多少, pα(n) 永远都等于 1 ;而对于无限 01 串 β = 001001001… 来说,我们有 pβ(1) = 2 ,并且 pβ(2) = pβ(3) = pβ(4) = … = 3 。

注意,虽然 α 和 β 这两个 01 串都是无限的,但是当 n 的值变得很大时, pα(n) 和 pβ(n) 的值始终很小。当然,这一点也不奇怪,因为 α 和 β 是一种特殊的无限 01 串——无限循环 01 串。对于那些无限不循环的 01 串来说,这种事情就不大可能了。在数字串 γ = 01001000100001… 里,长度为 1 的子串只有 {0, 1} 共 2 种,长度为 2 的子串有 {00, 01, 10} 共 3 种,长度为 3 的子串有 {000, 001, 010, 100} 共 4 种,长度为 4 的子串有 {0000, 0001, 0010, 0100, 1000, 1001} 共 6 种……像这样继续计算下去,我们可以得到序列 pγ(1), pγ(2), pγ(3), pγ(4), … 的前面若干项:

2, 3, 4, 6, 9, 12, 16, 20, 25, 30, 36, 42, 49, 56, 64, 72, 81, 90, 100, 110, …

趋势非常明显:随着 n 的增加, pγ(n) 的值也会跟着增加,最终可以增加到任意大。换句话说, pγ(n) 的值没有一个上限。那么,能否找到某个无限不循环的 01 串 w ,使得 pw(n) 的值存在上限呢?不可能!下面我们就来说明,对于任意一个无限不循环的 01 串 w 来说,不管 n 是多少,不等式 pw(n) ≥ n + 1 始终成立。

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在 2048 里能够得到的最大的数是多少?

Michael Brand 在 Using your Head is Permitted 趣题站 2014 年 4 月的谜题中提出了一个这样的问题:在最近非常流行的小游戏 2048 中,你能得到的最大的数是多少?

在这里,我们简单描述一下游戏的规则。游戏在一个 4 × 4 的棋盘上进行,棋盘里填有一个个的“数块”,每个数块上都写有某个形如 2n 的正整数。每一步,你需要从上、下、左、右四个方向中选取一个方向,按下对应的方向键之后,所有的数块都会“落”到这个方向;若有两个同种的数块在此过程中发生碰撞,则它们的值会相加起来,并合成一个新的数块。然后,系统会在棋盘中随机选择一个空白位置,并在此生出一个新的数块,上面写有数字 2 或者数字 4 (两种情况之比为 9 : 1)。游戏开始时,棋盘上会自动生成两个随机的数块,你的目标就是通过有限步的操作,得出一个写有 2048 的数块。当然,即使得到了 2048 这个数块,游戏也不会自动结束,你还可以向更大的数发起挑战。于是就有了我们刚才的问题:理论上,这个游戏当中能够得到的最大的数是多少?

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