124. Peek Advantage


你马上要就一副充分洗匀的扑克牌最上面那张牌的颜色押上100美元。颜色由你自己挑;猜对了赢100美元,猜错了输同样多。

偷看一眼牌堆最底下那张牌,对你来说值多少钱?如果偷看的是最底下两张牌,又能多值多少?

(一副牌有26张红牌、26张黑牌。)

答案:偷看一张底牌值\(\frac{100}{51}\)美元(约\(1.96\)美元);而多看第二张底牌一分钱都不多值——偷看两张牌的总价值仍然是\(\frac{100}{51}\)美元。

不看底牌时,顶牌红黑各半,随便押哪一色期望收益都是\(0\)。所以“偷看”的价值,就等于用了偷看来的信息之后下注的期望收益。

设看到的底牌颜色为\(C\)。此时顶牌\(T\)在其余\(51\)张牌中等可能地取一张,其中\(25\)张与\(C\)同色、\(26\)张与\(C\)异色,所以

  • \(T\)与\(C\)同色的概率是\(\frac{25}{51}\);
  • \(T\)与\(C\)异色的概率是\(\frac{26}{51}\)。

显然应该押与\(C\)相反的颜色,于是赢的概率为\(\frac{26}{51}\),下注的期望收益是

\[ 100\times\left(\frac{26}{51}-\frac{25}{51}\right)=\frac{100}{51}\approx 1.96.\]

也就是说,押“顶牌与底牌颜色不同”能赢\(\frac{26}{51}\);这正是偷看一张底牌的价值。

关键观察:看两张时,你仍然可以(而且最优地)只押“与最底下那张\(B_1\)相反的颜色”——这正是看一张时的策略。第二张牌\(B_2\)看到什么,都不会让这个决定变得不明智:

  • \(B_2\)与\(B_1\)同色:两张同色只会让你更确定要押相反的颜色,决定和看一张时完全一样;
  • \(B_2\)与\(B_1\)异色:两张牌的信息相互抵消,剩下的\(50\)张牌正好\(25\)红\(25\)黑,顶牌红黑各半,此时怎么押都一样,“押与\(B_1\)相反的颜色”不会更差。

既然看两张时的最优策略可以和看一张时完全相同,能拿到的最大胜率也就相同:

\[ \Pr[\text{顶牌}\ne B_1]=\frac{26}{51},\]

价值同为\(\frac{100}{51}\)美元。多看第二张底牌,一分钱也不多值。

记看最底下\(k\)张牌的价值为\(V_k\)。一般地有

\[ V_k=100\cdot\frac{\mathbb{E}|D_k|}{52-k},\]

其中\(D_k\)是这\(k\)张牌里“红牌张数减黑牌张数”。看到\(D_k=d\)后,剩下\(52-k\)张牌的红黑之差是\(-d\),押牌多的那一色,赢面就是\(\frac{1}{2}+\frac{|d|}{2(52-k)}\),对应的期望收益即上式。

由这个公式还能看出一个漂亮的规律:看\(2m\)张的价值总等于看\(2m-1\)张的价值(\(m=1,2,\dots\))。道理很简单:\(2m-1\)张牌里红黑之差\(D_{2m-1}\)必是奇数、不可能为\(0\),设它等于\(t\ne0\),则再多看的那一张“是红牌”与“是黑牌”的概率之差恰好是\(\frac{-t}{53-2m}\),直接算得

\[ \mathbb{E}|D_{2m}|=\frac{52-2m}{53-2m}\,\mathbb{E}|D_{2m-1}|,\]

代入价值公式即得\(V_{2m}=V_{2m-1}\)。本题“看两张与看一张同价”就是\(m=1\)的情形。

最后,本题只用到“整副牌红黑张数相等”这一条对称性:把100换成任何赌注、把52张换成红黑两色张数相等的任何一副牌,结论的形状都不变。

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