科普
数学
]
随机策略下合作能获得更多期望
$m+2$ 个人进行游戏。随机抛一枚均匀硬币 $n$ 次($n$ 为奇数),每个人都要作出 $n$ 次猜测正反。猜对次数最多的那些人会平分 $m+2$ 元。若无人猜对任何一次,则无人获奖。
由于正反均匀,所以 $m$ 个人均采取随机猜测。但是,有两人决定合作。他们的策略是其中一人随机猜测,另外一人的每次猜测都与他相反。最后,这两个人将获得 $X$ 元,求 $\mathbb E[X]$。
为了解决这一个问题,先去看另一个弱化版。
$n+1$ 个人进行游戏,每个人有 $p$ 概率赢。赢的那些人会平分 $1$ 元。若无人赢,则无人获奖。
首先,无人获奖代表所有人都输了。得到总获奖期望为 $1-(1-p)^{n+1}$。
由于游戏公平,所以每个玩家均分总获奖期望,即每个人期望得到 $\frac{1-(1-p)^{n+1}}{n+1}$。
设变量 $X$ 表示其中一名玩家获奖的期望,那么 $\mathbb E[X]=\frac{1-(1-p)^{n+1}}{n+1}$。
根据条件期望,$p\mathbb E[X\vert \text 赢]+(1-p)\mathbb E[X\vert 输]=\mathbb E[X]$,显然 $\mathbb E[X\vert 输]=0$,解得 $\mathbb E[X\vert \text 赢]=\frac{1-(1-p)^{n+1}}{(n+1)p}$。
注意如果已知一名玩家获胜,那么剩下的玩家符合参数为 $(n,p)$ 的二项随机变量 $B$,此时 $B+1$ 同时平分这 $1$ 元,即 $\mathbb E[X\vert \text 赢]=\mathbb E[\frac1{1+B}]$。
回到原问题,显然,合作的两人中,有且仅有一人的答对数量超过 $\frac n2$。
对于其他人,由于对于每次答对的的概率和答错的概率相等,而答对数不可能等于答错数(因为 $n$ 是奇数),所以答对超过 $\frac n2$ 的概率就是 $\frac12$。即其他 $m$ 个人答对数量超过 $\frac n2$ 的人数为参数是 $(m,\frac12)$ 的二项随机变量 $B$。
只有答对数量超过 $\frac n2$ 的人才可能平分 $m+2$ 元,所以一共有 $B+1$ 人有可能平分 $m+2$ 元。
由于游戏公平,这 $B+1$ 人平分 $m+2$ 元,如果设合作者一共获得 $X$ 元,那么
我们在上面已经算出 $\mathbb E[\frac1{B+1}]$ 了,带入
\[\begin{aligned} \mathbb E[X]&=(m+2)\frac{1-(\frac12)^{m+1}}{(m+1)\frac12}=\frac{2(m+2)}{(m+1)}(1-(\frac12)^{m+1})\\ &=-\frac{2^{-m}m}{m+1}+\frac{2 m}{m+1}-\frac{2^{1-m}}{m+1}+\frac{4}{m+1}\\ &=2+\frac2{m+1}-\frac{2^{-m} m}{m+1}-\frac{2^{1-m}}{m+1}\\ &>2 \end{aligned}\]也就是说,合作能够带来更大的期望。
要是有 $m+4$ 人,其中 $4$ 个人选择了合作,组成两队呢?
类似的,得去计算 $\mathbb E[\frac1{B+2}]$,仍然采取条件概率去钦定两个人赢,$B$ 是参数为 $(n,p)$ 的二项随机变量。
带入 $k=2$,$\mathbb E[\frac1{B+1}]$ 去解 $\mathbb E[\frac1{B+2}]$。
\[\mathbb E[\frac1{B+1}]=\frac{1-(1-p)^{n+1}}{(n+1)p}\]eb1 = (1 - (1 - p)^(n + 1))/(n + 1)/p
Solve[2 p (1 - p) eb1 + 2 p^2 eb2 ==
2 (1 - (1 - p)^(n + 1))/(n + 2), {eb2}]
\[\mathbb E[\frac1{B+2}]=\frac{(n p+2 p-1) \left(p (1-p)^n-(1-p)^n+1\right)}{(n+1) (n+2) p^2}\]
记 $X$ 为其中一对合作者获得的钱。
\[\begin{aligned} \mathbb E[X]=\frac{2m(m+4)}{(m+1)(m+2)}((\frac12)^m+1)>2 \end{aligned}\]也就是说,有两队合作时,合作仍然能够带来更大的期望。