玩不够的数学2:当数学遇上游戏
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最大胜率

四枚骰子能达到2/3的胜率,三枚骰子能达到7/12的胜率(不需要加上从1到18的数字全部各用一次的限制),有没有可能做得更好?如果我们能使用更多的骰子,每枚骰子可以超过六个面,那么我们所知的最大可能优势又是什么呢?

奇怪的是,所有这些一般性问题的答案早已出现在扎尔曼·乌西斯金于1964年发表的一篇文章中,而那时埃弗龙的骰子还没有扬名天下。这篇文章的框架更为广泛,但也包括了多枚骰子的游戏。对于三枚骰子来说,最大胜率只能达到黄金分割常数的倒数。对于四枚骰子来说,可能的最大胜率是2/3 = 0.6666...(埃弗龙的骰子达到了这个胜率)。对于五枚骰子来说,胜率不超过0.692,这是方程的解。

乌西斯金解释了如何对超过五枚的骰子进行计算,并证明了当非传递性链条中骰子数目增加时,每枚骰子相比下一枚的优势可以任意接近3/4,但永远达不到这个数值。

在1994年,理查德·萨维奇证明了一个关于三枚非传递性骰子的漂亮结论,其中也牵涉到了黄金分割。萨维奇研究的是有个面的骰子,限定了每个面的数字都在1和之间,而且每个数字都恰好用到一次,就像骰子A'、B'和C'那样。萨维奇计算了一枚骰子能战胜下一枚的最低胜率,然后想办法让这个最小值取到最大的可能值,这样的话,当玩家提出类似巴菲特和盖茨之间的那个用三枚骰子进行的赌局时,就能获得最大的收益。萨维奇证明了,如果取用拥有很多个面的骰子的话,那么我们可以任意接近这个极限,其中是黄金分割常数,而乌西斯金证明了这个极限是不可逾越的(同时要满足从1到每个数都恰好用一次的限制)。于是,我们能继续提升六面骰子的最优值,不断接近,想要多近就有多近,前提是要用一组超过六面的骰子。

还有个值得一提的一般性结论。马克·芬克尔斯坦和爱德华·索普曾经研究了所谓的“可接受”骰子。如果一枚面的骰子,每个面上的数字都在1和之间(同一个数字可以多次出现,也不要求所有数字都出现),而且所有面上的数字之和跟面上写有的标准面骰子相同(也就是),那么它就是可接受的。芬克尔斯坦和索普的美妙定理断言,如果大于3,那么对于任意可接受面骰子,只要不同于标准面骰子,都存在能打败它的另一枚可接受面骰子;另外,标准面骰子与任意一枚可接受面骰子都不分胜负。这个定理的推论之一,就是对于所有的情况,都存在由可接受面骰子组成的非传递性链条。

对于(也就是正四面体骰子),除了标准骰子[1, 2, 3, 4]以外,只存在四种可接受骰子:。它们对战的结果是:

在这个极端情况下,只存在两条非传递性链条:第一条的长度是4,由组成;另一条的长度是3,由组成。

我们可能会以为,那8组A'、B'、C'的三枚骰子,或者由三枚或四枚可接受四面体骰子组成的非传递性链条,就已经是这种矛盾美感的顶点了。没这回事,蒂姆·罗伊特在2002年给出了一组三枚骰子,让之前的悖论更迷离。我们将会看到,这组骰子除了组成了非传递性链条以外,对于打赌还有个出人意料的有趣性质,恐怕连盖茨都料不到。

4.可接受骰子

等概率的五面骰子不存在,但取1枚等概率的十面骰子(比如将两个底为正五边形的锥体底靠底粘在一起),然后每个面上的数字都成对出现的话,就相当于1枚等概率的五面骰子。有12种可接受五面骰子。根据定义,可接受骰子所有面的数字之和应该跟标准五面骰子一样,也就是1 + 2 + 3 + 4 + 5 = 15,而且每个面都只用到从1到5的整数。对于可接受骰子,六个面的有32种,七个面的有94种,而八个面的有289种。

下面的表格列出了所有12枚可接受五面骰子,用五角星表示:

这个表格在第行和第列的交点给出了的取胜概率。我们能观察到几件有趣的事情:一、标准骰子(也就是骰子)跟所有其他可接受骰子都打成平手;二、每枚可接受骰子都会被另一枚打败;三、存在许多非传递性链条,比如或者

马克·芬克尔斯坦和爱德华·索普在2006年对面可接受骰子进行的一般性研究表明,性质一、二和三对于所有的情况都成立,所以作为推论,对于所有,都存在由面骰子组成的非传递性链条。

5.西歇尔曼的骰子

乔治·西歇尔曼是一位美国上校,他提出了一个奇怪的问题:“是否存在两枚骰子,它们跟通常用的骰子(面上刻有数字1、2、3、4、5和6)不同,但一起掷出的话,跟通常的骰子得到的数字和一样,而且概率也相同?”它得到2的概率应该是1/36,3的概率是2/36,4的概率是3/36,5的概率是4/36,6的概率是5/36,7的概率是6/36,8的概率是5/36,9的概率是4/36,10的概率是3/36,11的概率是2/36,而12的概率是1/36。

出人意料的是,西歇尔曼找到了这样的两枚骰子:[1, 2, 2, 3, 3, 4]和[1, 3, 4, 5, 6, 8]。用旁边的表格,我们可以验证所有36种数字和跟通常用的骰子完全一致。西歇尔曼的解答对于六面骰子来说是唯一的,但也有人推广了西歇尔曼骰子。