Τρίτη 2 Απριλίου 2013

▪Πειραγμένο ή τίμιο ζάρι;

"Η Θεωρία των Πιθανοτήτων είναι το μοναδικό διαθέσιμο μαθηματικό εργαλείο για να χαρτογραφήσουμε το άγνωστο και το ανεξέλεγκτο. Ευτυχώς, αυτό το εργαλείο,αν και δύσκολο στο χειρισμό καμιά φορά, είναι θαυμαστά δυνατό και βολικό."
Μπενουά Μάντελμπροτ
α) Kατά μέσο όρο, πόσες φορές πρέπει να ρίξετε ένα κανονικό ζάρι ($6$-πλευρο) μέχρι να εμφανιστούν όλοι οι αριθμοί του, τουλάχιστον μία φορά;
Το ίδιο ερώτημα για ένα τυχαίο ζάρι με $ν$ πλευρές.
Τα ζάρια είναι "αμερόληπτα". Κάθε πλευρά έχει τις ίδιες πιθανότητες να εμφανιστεί με καθεμιά από τις υπόλοιπες.
β) (Δύσκολο!) Πρέπει με ένα ζάρι να φέρετε "διπλές" (οποιεσδήποτε διπλές. Άσσους ή δυάρες ή τριάρες ή..κλπ) . Έχετε να επιλέξετε μεταξύ ενός κανονικού αμερόληπτου ζαριού (με ν πλευρές) και ενός μη αμερόληπτου - "πειραγμένου". Να αποδειχτεί ότι πρέπει να επιλέξετε το πειραγμένο $ν$-ζάρι!
Σημείωση: 
Ως "πειραγμένο" ζάρι, νοούμε κάποιο ζάρι για το οποίο ισχύει πως οι πιθανότητες να έρθει $1$,ή $2$,...ή $ν$ δεν είναι ίδιες για όλους τους αριθμούς, αλλά $p_1, p_2, p_3...,p_ν$. (άγνωστες).
Ισχύει βεβαίως πάντα, το πατροπαράδοτο για ανεξάρτητα συμβάντα: 
$p_1+p_2+...+p_ν=1$.

15 σχόλια:

  1. Θα αρχίσω από το δύσκολο! Και γιατί είναι πρόκληση αλλά και επειδή
    σε ένα δύσκολο πρόβλημα δεν είναι και ντροπή να λαθέψουμε, ενώ στο εύκολο...
    αλλά καί επειδή η απάντηση στο συγκεκριμένο ερώτημα μου φαίνεται
    αυτονόητη, πως είναι δυνατόν να μην είναι πιο ευνοικά τα πειραγμένα
    πιό “εύκολα” θα “δένουν” οι όμοια πειραγμένες πλευρές,
    εννοώ το 1 με το 1, το 2 με το 2,.., το ν με το ν παρά με ανόμοιες πλευρές ,
    άρα και από τα ισοκατενεμημένα και ισοπίθανα ζάρια
    και επειδή μια Αρχή της Φιλοσοφίας αλλά και των Μαθηματικών
    λέει ότι τα αυτονόητα δεν χρειάζονται απόδειξη, άρα μέχρι εδώ το
    απέδειξα?!! Με λίγη προσπάθεια μάλλον βρήκα και αυστηρά μαθηματική απόδειξη

    ΕΥΝΟΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΏΣΕΙΣ με το ΤΙΜΙΟ ΖΑΡΙ
    p1=p2=...=pν =1/ν (p1+p2+...+pν =1)
    Σύνολο ευνοικών περιπτώσεων για “διπλές”
    Σδιπλή.τιμιου = ν*1/ν^2 =1/ν
    {(1/ν)*(1/ν)+(1/ν)*(1/ν)+..+(1/ν)*(1/ν)=ν/ν^2}

    ΕΥΝΟΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ με το ΠΕΙΡΑΓΜΕΝΟ ΖΑΡΙ
    Έστω p1, p2, p3,...,pν οι άγνωστες πιθανότητες να φέρουμε αντίστοιχα 1, 2, 3,...ν και
    Χ1, Χ2, Χ3,...Χν οι αποκλίσεις, οι διαφορές των
    p1, p2, p3,...,pν από το 1/ν του τίμιου ζαριού αντίστοιχα,
    δηλαδή θεωρώ τα (p1, p2, p3,...,pν) ως παρακάτω
    p1=X1 +1/ν
    p2=Χ2 +1/ν
    p3=Χ3 +1/ν
    ............
    pν=Χν +1/ν
    εννοείται ότι τα Χi, i=1,2,3,...n
    μπορεί να είναι είτε θετικά είτε αρνητικά.
    Επειδή p1+ p2 + p3+...+pν =1, αντικαθιστώντας έχω
    (Χ1+1/ν)+(Χ2+1/ν)+(Χ3+1/ν)+...+(Χν+1/ν)=1 =>
    (Χ1+ Χ2+ Χ3 +...+ Χν) +ν/ν(=1) =1 =>
    (Χ1+ Χ2+ Χ3 +...+ Χν) = 0
    Το σύνολο των ευνοικών περιπτώσεων για “διπλή”
    με το πειραγμένο ζάρι είναι
    Σδιπλή.περ = (1/ν+Χ1)^2 +(1/ν+Χ2)^2+..+(1/ν +Χν)^2=
    (1/ν)^2+Χ1^2 +2*Χ1*1/ν) +((1/ν)^2+Χ2^2 +2*Χ2*1/ν) +...+((1/ν)^2+Χν^2 +2*Χν*1/ν) =
    ν/ν^2 +ΣΧi^2 +Σ(2*Χi*1/ν) =
    1/ν + ΣΧi^2 +2*(1/ν)*ΣΧi
    και επειδή Σχi=0 =>
    Σδιπλή.πειρ = 1/ν + ΣΧi^2 > Σδιπλή.τιμιου
    καθότι όλα τα Χi^2 είναι θετικοί αριθμοί
    ανεξάρτητα από το πρόσημο του Χi
    Άρα συμφέρει το πειραγμένο ζάρι ο.ε.δ.

    Παρατήρηση Το πόσο συμφέρουν τα πειραγμένα ζάρια σε σχέση με τα τίμια,αν μπορεί να μετρηθεί, είναι ενδιαφέρον πρόβλημα και θα με απασχολήσει
    αργότερα.

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  2. Πολύ σωστά κύριε Αλεξίου!, συγχαρητήρια και για το διαισθητικό και κυρίως για το μαθηματικό μέρος της απόδειξης,που δεν ήταν και τόσο απλό κατά τη γνώμη μου (η σύλληψη της ιδέας δηλαδή x(i)=p(i)-1/n)).

    Mένει το εύκολο.. :-)

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  3. Προκύπτει με τύπο καολυθίας

    5!/(6)^6(1+(1/6)*(1+2+3+4+5)+(1/6)^2*(1+2+3+4+5)^2+....+(1+2+3+4+5)^ν*(1/6)^ν)=

    5!/(6)^6( 1+ (15/6)+(15/6)^2+(15/6)^3+....)


    =(5!/(6)^6)*Σ(15/6)^ν


    Γενικά για ν πλευρές προκύπτει


    Π=((ν-1)!/(ν)^ν)*Σ((ν-1)*ν/2)/ν)^κ

    κ=0,1,2,3....,'απειρο

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  4. Συμφωνώ μαζί σας για το μαθηματικό μέρος της απόδειξης, δεν είναι καθόλου απλό και εύκολο, αν με το σχόλιο μου άφησα να εννοηθεί κάτι τέτοιο, λάθος μου!
    Το διαισθητικό μέρος θεώρησα εύκολο και βέβαια
    έκανα και 2 απλά παραδειγματάκια αντιστοίχησης
    για να το διαπιστώσω
    Όσον αφορά το μαθηματικό μέρος, έχω πλήρη επίγνωση
    ποιας δυσκολίας και ποιότητας πρόβλημα έχω λύσει
    και ποιας δυσκολίας σύλληψη ιδέας έχω κάνει και μάλιστα μου ήρθε σχεδόν απρόσκλητη και επιτρέψτε μου να πω ενώ “βασανιζόμουνα”με την (α) ερώτηση και με ποιόν παρονομαστή πρέπει να διαιρέσω.
    Τα παραδειγματάκια που έκανα είναι τα παρακάτω
    Τους αριθμούς 2 και 2 (=4) αντί του τίμιου ζαριού
    και τους 1 και 3 (=4) αντί του πειραγμένου
    Δεν υπάρχει αντιστοιχία με τα Σpi = 1?
    Tί παρατηρούμε?
    2^2 +2^2 = 4+4=8
    1^2 +3^2 =1+9=10 (10>8)
    επίσης
    2+2+2 =6 => 2^2 +2^2 +2^2 =3*4=12
    1+2+3 =6 =>1+2^2 +3^2 =1+4+9=14 (14>12)
    Η διαίσθηση αρχίζει να γίνεται βεβαιότητα!

    Βέβαια από εδώ μέχρι την μαθηματική απόδειξη
    απείχε παρασάγγες αλλά πιθανόν να συνέβαλαν
    στην... απρόσκλητη έμπνευση και σύλληψη!

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  5. ήθελα να γράψω

    (5!/(6)^5)*(1+(1/6)*(1+2+3+4+5)+(1/6)^2*(1+2+3+4+5)^2+....+(1+2+3+4+5)^ν*(1/6)^ν)=

    (5!/(6)^5)*( 1+ (15/6)+(15/6)^2+(15/6)^3+....)


    =(5!/(6)^5)*Σ(15/6)^ν


    Γενικά για ν πλευρές προκύπτει


    Π=((ν-1)!/(ν)^(ν-1))*Σ((ν-1)*ν/2)/ν)^κ

    κ=0,1,2,3....,'απειρο

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  6. donaltie, wrong answer.. :-)
    Kαι τι στο διάτανο σημαίνει: (5!/(6)^6)*Σ(15/6)^ν (?)
    Ένα νουμεράκι θέλουμε ,π.χ "χρειάζονται τόσες ρίψεις για να εμφανιστούν και οι 6 πλευρές!"
    hint: μια και μιλάμε για "μέσο όρο" το "τόσες" δεν είναι αναγκαστικά ακέραιος.. :-)

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  7. Για το 6-πλευρο κατά μέσο είναι 6^6/6!
    αφού η πιθανότητα να όλοι οι αριθμοί του είναι 6!/6^6
    και το σκέφτηκα ως εξής: Για τον 1ο αριθμό μας κάνει ότι και αν έρθει άρα π1=1 ή 6/6 για τον τύπο που θα κάμουμε, για τον 2ο αριθμό μας κάνουν 5 από τους 6 αριθμούς, δεν μας κάνει μόνο ο πρώτος, άρα π2=5/6, για τον 3ο αριθμό ευνοικοί αριθμοί 4 στους 6, δεν κάνουν οι 2 προηγούμενοι, άρα π3=4/6,.π4=3/6, π5=2/6, π6=1/6 άρα συνολική πιθανότητα Π=π1*π2*..*π6=6!/6^2.
    Το ίδιο βγαίνει και αν πάμε κατευθείαν στις ρίψεις του ζαριού.
    1ος αριθμός μία ρίψη ότι και να έρθει, 2ος αριθμός(ζητούμενο 5 από 6), άρα 6/5 ρίψεις, 3ος αριθμός, μας κάνουν 4 από 6 αριθμούς, άρα απαιτούνται 6/4 ρίψεις, κ.ο.κ 4ος αριθμός 6/3 ρίψεις, 5ος 6/2 ρίψεις, 6ος 6/1 ρίψεις, αφού ζητούμενο είναι μόνο ένας από τους 6 αριθμούς.
    Άρα μ. ο. ρίψεων 6/6 *6/5* 6/4*..6/1 =6^6/6!
    Από αυτό και με τον ίδιο τρόπο σκέψης για ν-πλευρο ζάρι απαιτούνται κατά μέσο όρο ν^ν/ν! ρίψεις

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  8. Χμ αυτό που λέω

    Με 6 ρίψεις (μίνιμουμ) έχουμε πιθανότητα (1*2*3*4*5)/6^5


    Άρα Ο μέσος όρος προκύπτει πολαπλάσιάζοντας με 6(ρίψεις)

    Για 7 ρίψεις έχουμε (5!/6^6)*(1+2+3+4+5)

    Για 8 ρίψεις (5!/6^7)*(1+2+3+4+5)^2

    Με 7 και 8 τις παραπάνω

    κλπ

    Αθροίζοντας αυτές τις ποσότητες δεν βγάζουμε το μέσο όρο?Που κάνω λάθος?


    Ας πούμε για 6 ζαριές έχουμε 1*(5/6)*(4/6)*(3/6)*(2/6)*(1/6)

    Για 7 ζαριές υπάρχουνε 5 δυνατές περιπτώσεις

    1*(1/6)*(5/6)*(4/6)*(3/6)*(2/6)*(1/6)

    ή

    1*(5/6)*(2/6)*(4/6)*(3/6)*(2/6)*(1/6)

    κλπ

    Εξού και το (1+2+3+4+5) που βγαίνει σαν κοινός παράγοντας

    Είναι κάτι πολύ πιο απλό?

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  9. ΥΓ ΤΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΓΙΑ 6-ΠΛΕΥΡΟ ΖΑΡΙ

    6^6/6! =64,8 ρίψεις

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  10. Αγαπητοί φίλοι donaltie $ E.Aλεξίου, αντιμετωπίζετε το ζητούμενο με λαθος σκεπτικό.
    Προσέξτε οτι το ζητούμενο ΔΕΝ είναι μια πιθανότητα ,αλλά ένας μέσος αριθμός ρίψεων! Δηλαδή μια "μαθ. ελπίδα" (expectation) και όπως έχουμε δει (και έχετε και οι 2 αντιμετωπίσει με θαυμαστη επιτυχία) σε παλιότερα προβλήματα, ισχύει η "προσθετική φύση" στην μαθ. ελπίδα.
    Κάνω μια αρχή ,σαν βοήθεια (αν είναι περιττή ,συχωρέστε με!)
    Καταρχάς ρίχνουμε σίγουρα 1 φορά. Εμφανίζεται μία πλευρά-αριθμός. Κατόπιν ρίχνουμε ώσπου να εμφανιστεί διαφορετικός αριθμός. Εφόσον οι διαφορετικοι είναι 5 , η πιθανότητά μας είναι 5/6 ΟΠΟΤΕ για να πετύχουμε διαφορ. αριθμό η αναμενόμενη μέση τιμη ρίψεων είναι 1/(5/6)=6/5 ριξίματα!
    Μετά, ρίχνουμε για να φερουμε κάποιον απο τους υπολοιπους 4. σωστά;
    Πιθαν=4/6 άρα η μέση τιμή ρίψεων=1/(4/6)=6/4
    Αν σταματάγαμε εδώ (με βαση την προσθετικη φυση που προείπα) ποια είναι η συνολική μέση τιμή; πάντως όχι 1*(6/5)*(6/4) αλλά 1... :-)


    ΑπάντησηΔιαγραφή
  11. Αγαπητέ κ. Ριζόπουλε ειλικρινά δεν καταλαβαίνω γιατί γράψατε
    και μάλιστα ρωτάτε “σωστά?” το
    “Καταρχάς ρίχνουμε σίγουρα 1 φορά. Εμφανίζεται μία πλευρά-αριθμός. Κατόπιν ρίχνουμε ώσπου να εμφανιστεί διαφορετικός αριθμός. Εφόσον οι διαφορετικοι είναι 5 , η πιθανότητά μας είναι 5/6 ΟΠΟΤΕ για να πετύχουμε διαφορ. αριθμό η αναμενόμενη μέση τιμη ρίψεων είναι 1/(5/6)=6/5 ριξίματα!
    Μετά, ρίχνουμε για να φερουμε κάποιον απο τους υπολοιπους 4. σωστά;”
    Δεν είναι ΟΛΟΙΔΙΟ με αυτό που ήδη έχω γράψει?
    “Το ίδιο βγαίνει και αν πάμε κατευθείαν στις ρίψεις του ζαριού.
    1ος αριθμός μία(1) ρίψη ότι και να έρθει, 2ος αριθμός(ζητούμενο 5 από 6), άρα 6/5 ρίψεις, 3ος αριθμός, μας κάνουν 4 από 6 αριθμούς, άρα απαιτούνται 6/4 ρίψεις, κ.ο.κ 4ος αριθμός 6/3 ρίψεις, 5ος 6/2 ρίψεις, 6ος 6 ρίψεις, αφού ζητούμενο είναι μόνο ένας από τους 6 αριθμούς. “
    Με ρωτάτε αν συμφωνώ με κάτι που ήδη έχω σκεφτεί?
    Χρήσιμο βέβαια είναι, και μόνο αυτό,
    το “ισχύει η "προσθετική φύση" στην μαθ. ελπίδα.“

    Άρα και χωρίς 2η σκέψη
    Ρίψεις (Μ.Αρ.) που πραγματοποιούνται για τους 6 αριθμούς
    1+6/5+6/4+6/3+6/2+6=(60+72+90+120+180+360/60 =14,7

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  12. Άρα μέση τιμή (1/5+1/4+1/3+1/2+1)*6+1 =2,28*6+1=14,68 ρίψεις

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  13. Μου διέφυγε το ν-πλευρο ζάρι
    ν/ν +ν/(ν-1) +ν/(ν-2)+...+ν/2 +ν , προφανώς θα υπάρχει πιο μαζεμένος τύπος

    ΥΓ Δεν σας είπα ότι αποφεύγω τα..εύκολα γιατί την..πατάω, αφού βαριέμαι
    να σκεφτώ ? Και μία αντιστοίχιση από την πραγματικότητα. Έστω ότι ταξιδεύουμε με το αμάξι στην μία περίπτωση με 60 χλμ/ώρα και στην άλλη, ως συνήθως με 150 χλμ/ώρα.
    Πότε είναι πιο πιθανό να συμβεί τροχαίο ατύχημα?
    Πιστεύω ακράδαντα με τα 60 χλμ, αφού θα χαζεύουμε ενώ με τα 150+ θα είμαστε
    στην τσίτα! Βέβαια αν συμβεί με τα 150+ χλμ.....
    Πολλαπλασιασμό!, πως το σκέφτηκα! Και με προβλημάτιζε μόνο η διαίρεση (ο παρανομαστής)!
    Έναν απλό έλεγχο να έκανα πχ ρίχνουμε τρεις φορές ένα νόμισμα,
    δυνατοί συνδυασμοί 8 p(KKK) =1/8 ρίψεις 1/1/8 =8???, αφού είναι 3!!!

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  14. Έκανα τη ζωή μου δύσκολη χωρίς λόγο.Τόσο απλό ήταν...

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  15. Aπάντηση α(για v=6):
    1 + 6/5 + 6/4 + 6/3 + 6/2 + 6/1 = 147/10 = 14,7

    Aπάντηση α (για ν=κ):
    1 + ν/(ν-1) + ν/(ν-2)+...+ν/1 =
    Σ(κ=1 έως ν)[ν/κ]= ν*Σ(κ=1 έως ν)1/κ
    Για μεγάλα ν , ο μέσος αριθμός ρίψεων για να έχουμε και τις ν πλευρές είναι περίπου:νlogν

    ΑπάντησηΔιαγραφή