Red and Blue Hats in a Line


Table of Contents

题目

这次有\(n\)名囚犯,每个人会被随机戴上一顶红帽或黑帽(公平抛硬币决定)。

囚犯排成一列,每个人只能看到自己前方所有人的帽子,看不到自己的帽子。

他们从队尾到队首依次报出自己帽子的颜色,猜错者会被处决(是否猜对不会当场告知,处决在最后统一执行)。

具体地,队列中第\(i\)个人能看到\(1,2,\dots,i-1\)号的帽子,并能听到\(n,n-1,\dots,i+1\)号已经报出的答案。

囚犯可在游戏前共同制定策略,目标是在最坏情况下保证尽可能多的人存活。

问:最坏情况下最多能保证多少名囚犯存活?

分析

答案是:最坏情况下最多保证\(n-1\)人存活。

先给出可行策略(下界):

  1. 约定“红帽数奇偶校验”规则。把红帽记为\(1\),黑帽记为\(0\)
  2. 最后一个发言的人(队尾)先看见前面\(n-1\)人的帽子,计算其中红帽数的奇偶性。
  3. 若他看到的红帽数为偶数,就报“黑”;为奇数就报“红”。这句话不一定是他自己的真实帽色,但它把“前面\(n-1\)人红帽总数是偶还是奇”这个1比特信息传给后面所有人。
  4. 之后第\(i\)个人发言时(\(i<n\)),他知道:
    • 前面人的帽色(看得到);
    • 后面已发言者中,除队尾外,其余人都可视为已经报出真实帽色;
    • 队尾给出的总奇偶信息。

因此第\(i\)个人可以唯一推出自己的帽色,并保证自己猜对。

所以除队尾第一位外,其余\(n-1\)人都能保证正确。

再证最优性(上界):

  • 队尾第一位在发言时,看不到自己的帽子,也没有任何先前发言可参考。
  • 对他而言,存在两种仅“他自己帽色不同”的情形,而他接收到的信息完全相同,因此他的发言在这两种情形下必须一样。
  • 于是这两种情形中至少有一种会使他猜错。

所以不可能保证\(n\)人全活,最多只能保证\(n-1\)人。

综上,最坏情况下可保证的最大存活人数为\(n-1\)

Next