美女與硬幣問題


問題描述

酒吧里,一個美女問一個紳士要不要與她玩一個游戲,游戲描述如下:兩個各持一枚硬幣,並各自選擇硬幣的正反面展示,如果硬幣均為正面,紳士獲得2美元,如果均為反面,紳士獲得1美元,其他情況紳士付給美女2美元。紳士的盈虧狀況可以用下表來描述:

   反
+3 -2
-2 +1

如果兩人都是隨機(1/2的概率)出正反面,根據概率來看他們的期望都是0,也就是不賺不虧,游戲是公平的。但是,如果某個人一直按這個概率出被另一個人發現則會輸得很慘,因此這里就存在一個博弈的問題,期望會發生變化。

數學求解

 設紳士以 \(x\) 的概率出正面,則出反面的概率為 \(1-x\);

 設美女以 \(y\) 的概率出正面,則出反面的概率為 \(1-y\)。

 則紳士收入的數學期望為:

\( E=3xy+1\times (1-x)(1-y) - 2\times [(1-x)y + (1-y)x]=8xy-3x-3y+1\)

令\( E < 0\),即:

\(E=8xy-3x-3y+1<0\)

整理可得:

\(E=(8x-3)y-3x+1<0\)

討論:

若\( x = \frac{3}{8}\),則無論\(y\)為何值都有\(E<0\);

若\(x > \frac{3}{8}\),則可得\(y < \frac{3x-1}{8x-3}\),\( \frac{3x-1}{8x-3}\) 是一個減函數,在\(x=1\)(\(x\)是概率有最大值1)時取最小值 \(\frac{2}{5}\);

若\(x < \frac{3}{8}\),則可得\(y > \frac{3x-1}{8x-3}\),\( \frac{3x-1}{8x-3}\) 是一個減函數,在\(x=0\)(\(x\)是概率有最小值0)時取最大值 \(\frac{1}{3}\)。

綜上,無論紳士以何種概率出硬幣,美女可以以\(\frac{1}{3}< y < \frac{2}{5}\)的概率出正面獲得恆正的收益。

 


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