玩不够的数学2:当数学遇上游戏
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第1章 埃弗龙的古怪骰子

有些骰子带来的胜负结局会很奇怪,与直觉完全不同,令人“误入歧途”。即便是同一个骰子,如果不是掷一次而是两次,那么胜负的结果可能就反过来了!

假如1比2好、2比3好……直到好,那么1当然要比好啊!但是,这不一定。在某些情况下,传递性不存在:1会输给

马丁·加德纳喜欢那些令人困惑又颠覆常识的小游戏。正是他广泛宣传了埃弗龙的非传递性骰子,后续精彩的派生游戏让最初的悖论扑朔迷离。在1970年《科学美国人》的每月专栏上,加德纳介绍了美国斯坦福大学的统计学家布拉德利·埃弗龙刚刚发明的四枚骰子:

我们将这些骰子写成A =[0, 0, 4, 4, 4, 4],B =[3, 3, 3, 3, 3, 3],C =[2, 2, 2, 2, 6, 6],D =[1, 1, 1, 5, 5, 5]。我们假设这些骰子没做过手脚,每个面朝上的概率都是1/6。同时掷下骰子A和骰子B,点数大的算赢的话,一共有6×6=36种概率相同的可能性,其中有12种是“A掷到0而B掷到3”,而有24种“A掷到4而B掷到3”。于是骰子A赢了的情况有24种,而骰子B赢的情况只有12种。骰子A在三分之二的情况下都能胜利,自然更好。

比较骰子B和骰子C的话,会发现B也能在三分之二的情况下战胜C;同样,C在三分之二的情况下能战胜D。惊人的是,D也能在三分之二的情况下战胜A。

我们把这叫作“长度为4的非传递性链条”,并且如右图那样表达这些结果。

这很令人惊讶,但这个表面上的矛盾有一个简单的解释:我们错误地相信了“骰子X比骰子Y厉害”这个关系是有传递性的。一枚骰子有多厉害,不能用单一的参数来衡量,不像跑步运动员那样可以用速度来比较,也不像汽车那样可以用售价来比较。一枚骰子有多厉害,取决于每一次对决,依赖于另一枚骰子创造的环境。

骰子掷出的平均结果,也就是所有面的数字总和除以6,本来可成为衡量骰子的唯一参数,然而它不是。实际上,对于之前的骰子A、B、C、D,平均值分别是2.66、3、3.33和3。尽管骰子A的平均值比骰子B要小,却能在三分之二的情况下打败骰子B!同样,骰子B的平均值比骰子C要小,但在两者的对决中占了上风(在这里,大于号表示前者能赢后者):

在这里,不论是骰子的平均值还是别的整体参数,都无法完整地衡量骰子有多强。

1.奇迹般的逆转

蒂姆·罗伊特提出了一个新的悖论:胜者的逆转。例如,当我们考虑骰子时,就会有以下看似不可能的性质:如果每枚骰子只掷一次的话,那么能以7/12的概率战胜,骰子看上去更强;但如果掷两次,然后将各自的点数加起来,那么这回胜利的就是,胜利概率是765/1296,大概就是0.5903。将占上风的骰子掷两次,就变成落下风了!实际上,罗伊特发现的悖论更加厉害。如果我们再考虑骰子,就会出现非传递性链条;而如果掷两次的话,链条就完全反过来了,变成