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.原載於數學傳播第一卷第一期
.作者當時任教於台大數學系;台北市市立中正高中

•註釋
 

投幣打賭與大數法則

姚景星;林聰勤

 
 


一、投幣打賭

現在我投一個自造的硬幣來賭輸贏,如果出現正面的話,我就給你 10 元,要是反面的話,你就要給我 2 元,(假設除了正、反兩面以外,不會有其他情況發生),這樣你是不是願意接受打賭呢?在這個問題�媕Y,要是硬幣的兩面都是均勻的,那麼正反兩面出現的機會應該一樣才對(我們把這種硬幣叫做公正的硬幣),也就是兩面出現的機率都各是 $\frac{1}{2}$,當然這並不表示每投兩次就必有一次正面及一次反面,也不表示「如果第一次是正面的話,那麼第二次就必定是反面的」,其實「正反兩面出現的機率都各是 $\frac{1}{2}$」的真正含意是說: 假設我們已賭了 l 次,而 l 很大很大,(譬如 l=1000),那麼我們就會發覺出現正面的次數 m 是約略等於 $\frac{l}{2}$ 的,而反面的次數 n=l-m 也約略是等於 $\frac{l}{2}$,(你不妨實際試試看)。像這樣,你如果賭 l 次下來,你輸贏的總和就等於 s = 10 x m + (-2) x n $ \doteq 10 \times (\frac{l}{2})-2 \times (\frac{l}{2}) = 4l$(元),因此平均每次你就可贏得期望值 $ E=\frac{s}{l} \doteq \frac{4l}{l} = 4$(元),或

\begin{displaymath}
E=\frac{s}{l}=10\cdot(\frac{m}{l})+(-2)\cdot(\frac{n}{l})\doteq 10\cdot\frac{1}{2}-2\cdot\frac{1}{2}
=4
\end{displaymath}

以上的計算也可用隨機變數的概念來表達,(就本例來看,隨機變數在這�堥瓣ㄞ鄋穛{出它的方便或功效,但在其他較複雜的場合�堙A就必須要用隨機變數的概念(或符號)才能表達得清楚)設隨機變數 X 表示每次賭博所得,則投出正面時 X=10,其機率表為 $P(X=10)=\frac{1}{2}$,反面時 X=-2,其機率表為 $P(X=-2)=\frac{1}{2}$,於是 X 的期望值

\begin{eqnarray*}
E(X)&=&10\cdot P(X=10)+(-2)\cdot P(X=-2)\\
&=&10\cdot\frac{1}...
...\mbox{({\fontfamily{cwM0}\fontseries{m}\selectfont \char 106}),}
\end{eqnarray*}


這樣子的賭法對你是很合算的!

但你該曉得這種如意算盤是建立在「公正」的假設上的。要是我把硬幣造得不均勻對稱,使反面出現率 q 遠比正面出現率 p 來得大,(譬如正面造得重一點,或在形狀上,結構上做一些手腳,這都是有可能的),這時候的情況是不是還對你有利呢?譬如使正面的出現率為 $p=P(X=10) = \frac{1}{20}$,那麼你平均每次所得的錢就會等於

\begin{eqnarray*}
E(X) &=& 10\cdot P(X=10)+(-2)\cdot P(X=-2)\\
&=& 10\cdot\fra...
...\mbox{({\fontfamily{cwM0}\fontseries{m}\selectfont \char 106})},
\end{eqnarray*}


也就是每次你要輸掉 1.4 元,要是賭得豪華一點的話,譬如作 10 萬元對一2萬元的打賭,那麼平均每次你就要輸掉 1.4 萬元,不消多久你就非破產不可了。但是,要是正面的出現率 p 大一點的話,譬如 $p=\frac{1}{5}$,這時候雖然還是比反面的出現率 $q=\frac{4}{5}$ 小得多,但

\begin{displaymath}
E(X)=10\cdot\frac{1}{5}-2\cdot\frac{4}{5}=\frac{2}{5} \; \mbox{({\fontfamily{cwM0}\fontseries{m}\selectfont \char 106})},
\end{displaymath}

你還是可以佔到便宜。因此要曉得這種賭博對你是不是合算,一定要先確知正面的出現率 p 才行。那你怎樣才能求知硬幣正面的出現率 p 呢?其實任何一個硬幣,它各面的出現率早已固定了,只是我們一時還不曉得而已。打賭的問題實際上就是決定 p 值的問題,下面我們來說一下。

 
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編輯:黃信元 最後修改日期:4/26/2002