问题

100名囚犯猜红绿灯,最多能保证多少人猜对?

回答
想象一下,有100个脑袋瓜,被关在同一间牢房里,而且他们的目标非常明确:猜对头顶上红绿灯的颜色。这里的关键是,他们事先可以商量一套策略,但一旦灯亮起来,每个人都只能看到自己的头顶,无法与其他人交流。更要命的是,他们也不知道自己戴的是红帽子还是绿帽子,只知道大家头上颜色不同,但具体是什么颜色,谁也说不准。

最直观的想法可能是,每个人都随机猜一个颜色,比如红。这样一来,按照概率,大概有50个人会猜对,50个人会猜错。听起来不算太糟糕,但我们能不能做得更好?毕竟,这是100条命,或者说100份自由,值得我们绞尽脑汁。

这里的“最多能保证多少人猜对”是一个非常有意思的约束,它要求我们找出一种策略,不管红绿灯的颜色组合是什么样的,都能让至少一定数量的囚犯猜对。我们追求的是一个“最坏情况下的最好结果”。

如果所有囚犯都随机猜,那么最坏的情况就是,运气特别差,恰好只有极少数人猜对了。比如,灯是全是红,而所有人都猜绿,那结果就惨不忍睹了。

所以,我们需要一个“集体智慧”的集合,一个事先约定好的“暗号”或者“规则”。这个规则要足够聪明,能够根据别人头顶的颜色来推断自己的颜色,或者至少能提供一些信息。

让我们想想,如果大家都能看到别人的帽子,那问题就简单多了。比如,有99个人都看到对方是红色,那么他就能推断自己的头顶也是红色(假设每种颜色数量不确定,但总有不一样)。但问题就在于,每个人只能看到“别人”的帽子,而“别人”的帽子是什么颜色,取决于“他们”如何根据“他们看到的颜色”来推断。

这里的一个关键点是,每个人看到的“别人的”帽子数量是99顶,但具体是什么颜色组合,每个人看到的情况是不同的。

那么,有没有一种方法,能让大家的信息互补,或者说,让某个人的判断,能传递给其他人呢?

我们来试试这样一个策略:

1. 设定一个“哨兵”或者“信息传递者”。 100个囚犯中,我们指定一个人(我们称他为囚犯A)作为特殊的观察者。

2. 囚犯A的任务: 囚犯A会观察其他99名囚犯头顶的帽子颜色。他会统计一下,他看到的红色帽子有多少顶,绿色帽子有多少顶。

3. 囚犯A的口头表达(虽然规则不允许直接交流,但我们可以把他的“猜灯”理解为一种信息传递): 囚犯A会根据他观察到的情况,来“猜”一个灯的颜色。这里我们给他一个特别的规则:
如果囚犯A看到红帽子多于绿帽子(比如,他看到60顶红,39顶绿),他会猜“红”。
如果囚犯A看到绿帽子多于红帽子(比如,他看到39顶红,60顶绿),他会猜“绿”。
如果红帽子和绿帽子数量相等(比如,50顶红,49顶绿,这里的“50”是A看到的99顶中的50顶,另一个颜色是49顶),我们事先约定一个规则,比如猜“红”。

4. 其他囚犯的任务: 其他99名囚犯,他们会听囚犯A的“猜测”。同时,他们每个人也会观察自己面前的99顶帽子(除去自己那一顶)。

5. 其他囚犯的推断: 假设灯亮了,然后A说了“红”。
其他囚犯会看着自己面前的99顶帽子,数一数有多少红,多少绿。
关键点来了: 如果他们自己看到的红帽子数量,加上A猜测的颜色(红),不等于他们看到的红帽子总数(我们稍后会解释为什么是“不等于”)。
我们换个角度想,如果A说“红”,并且A自己看到了X顶红帽子和Y顶绿帽子(X+Y=99),那么A头顶的颜色,就是他看到的“少数”颜色,或者根据平局规则来的颜色。
更简洁的策略: 让我们简化一下。

策略一:统计偶数/奇数

1. 事先约定好,所有囚犯会统计自己看到的红色帽子数量。
2. 如果看到的红色帽子数量是偶数,就猜自己的帽子是绿色。
3. 如果看到的红色帽子数量是奇数,就猜自己的帽子是红色。

我们来分析一下这个策略。假设总共有N顶红帽子和100N顶绿帽子。

情况一:你的帽子是红色的。
你看到的红色帽子数量是 N1 顶。
如果 N1 是偶数(即 N 是奇数),你会猜绿色。
如果 N1 是奇数(即 N 是偶数),你会猜红色。

情况二:你的帽子是绿色的。
你看到的红色帽子数量是 N 顶。
如果 N 是偶数,你会猜绿色。
如果 N 是奇数,你会猜红色。

我们发现,不管你的帽子是什么颜色,你的猜测都和“总的红色帽子数量”的奇偶性有关。

如果总红色帽子数量是奇数 (N是奇数):
戴红帽子的人(N1是偶数)猜绿。
戴绿帽子的人(N是奇数)猜红。
结果:所有戴红帽子的猜错,所有戴绿帽子的猜对。100N 人猜对。

如果总红色帽子数量是偶数 (N是偶数):
戴红帽子的人(N1是奇数)猜红。
戴绿帽子的人(N是偶数)猜绿。
结果:所有戴红帽子的猜对,所有戴绿帽子的猜错。N 人猜对。

所以,在这个策略下,猜对的人数要么是 N (总红帽数量),要么是 100N (总绿帽数量)。因为 N 要么是偶数,要么是奇数,我们知道 N 和 100N 之间,总有一个是大于等于 50 的。

例如,如果总共有60顶红帽子(N=60,偶数),那么60个人猜对。如果总共有61顶红帽子(N=61,奇数),那么10061 = 39个人猜对。

等等,这样只能保证至少50个人猜对,但是我们能做得更好吗?

对了,我们还没有引入那个“信息传递者”或者“哨兵”的思路。那个思路能让我们知道“总体的颜色分布”的某些信息。

策略二:利用一个“总数”的报告者

让我们重新回到囚犯A的思路,但这次我们给A一个更明确的任务,而且其他人也要利用A的信息。

1. 囚犯A的任务: 囚犯A是大家事先约定好的“点数员”。他观察其他99个人的帽子。他会统计他看到的红色帽子的数量。
2. 信息传递: 囚犯A并不直接猜颜色,而是用他的“猜测”来传递一个信息:他看到的是偶数个红帽子,还是奇数个红帽子。
如果A看到偶数个红帽子,他猜“红”。
如果A看到奇数个红帽子,他猜“绿”。
(这里的“猜”只是一个信号,A自己猜对猜错不重要,重要的是传递的信息。)

3. 其他囚犯的推断: 每一个非A的囚犯(囚犯B、C、D...)都会这样做:
他们观察自己面前的99顶帽子,统计自己看到的红色帽子的数量。
他们听取A传递的信息。
推断:
假设A传递的信息是“红”(表示A看到了偶数个红帽子)。
囚犯B自己数了数,发现自己看到的是奇数个红帽子。
那么,B就可以推断:A看到的红帽子数(偶数) = B看到的红帽子数(奇数)+ B自己的帽子颜色(如果是红,就是奇数+1=偶数;如果是绿,就是奇数+0=奇数)。
由于A看到的红帽子数是偶数,而B看到的红帽子数是奇数,那么B就可以断定,他自己的帽子一定是红色的(奇数+1=偶数)。
反之,如果B自己看到的红帽子数是偶数,那么他就能断定自己的帽子是绿色的(偶数+0=偶数)。

让我们把这个策略具体化:

1. 事先约定: 100名囚犯中,指定一名作为“发言人”(比如编号为1号)。
2. 发言人(1号)的任务: 1号观察其他99名囚犯头上的帽子颜色。他统计自己看到的红色帽子的数量。
如果他看到的是偶数个红帽子,他就喊“红”。
如果他看到的是奇数个红帽子,他就喊“绿”。
1号自己猜对猜错无所谓,他的任务是传递“红色帽子数量的奇偶性”。
3. 其他囚犯(2号到100号)的任务:
每个人都会观察自己面前的99顶帽子(也就是除了自己以外的所有人的帽子)。
他们同样统计自己看到的红色帽子的数量。
然后,他们听1号的喊声。
推断:
假设1号喊了“红”(表示1号看到了偶数个红帽子)。
如果某个囚犯(比如2号)自己数了数,发现自己看到的红色帽子数量是奇数。
那么2号就可以推断:1号看到的红帽子总数(偶数)= 2号看到的红帽子数(奇数)+ 2号自己的帽子颜色(红帽子算1,绿帽子算0)。
因为:奇数 + X = 偶数。那么 X 必须是 1。所以,2号的帽子是红色的。
反之,如果2号自己看到的红色帽子数量是偶数,那么他就能推断:偶数 + X = 偶数。X 必须是 0。所以,2号的帽子是绿色的。

这个策略的好处在于:

1号囚犯: 1号囚犯无法知道自己的帽子颜色,因为他看不到自己的帽子,也无法知道总的红色帽子数量的奇偶性。所以1号囚犯猜对的概率是50%。
其他99名囚犯: 对于2号到100号的这99名囚犯,他们能够根据1号传递的信息和自己看到的 الآخر颜色,准确地推断出自己的帽子颜色。
他们看到红色帽子数量的奇偶性,和1号传递的奇偶性对比,就能锁定自己的帽子颜色。
所以,这99名囚犯,一定能猜对!

结论:

使用这个策略,1号囚犯(发言人)有50%的概率猜对,但其他99名囚犯,则必将猜对!

因此,这个策略最多能保证 99名 囚犯猜对。

这个方法的关键在于,通过一个人的“报告”,将局部信息(每个人看到的 الآخر帽子)汇总成一个可以被所有人利用的全局信息(总的红色帽子数量的奇偶性)。虽然发言人自己的命运无法确定,但整个群体的信息传递是成功的,大部分成员因此获得了必胜的信息。这就像一个聪明的团队,牺牲一个人的信息优势,换取整个团队的协同胜利。

网友意见

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首先补充一些概念:给定非空集合 ,设 是 的一些子集组成的集合,若满足条件

  • 若 且 ,则 ;
  • 若 ,则 ,

就称 是 上的滤子(filter)。由定义立即可知对任意 , 不能同时成立( 是 在 中的补集)。若还满足条件

  • 对任意 , 有且仅有其一成立,

就称 是 上的超滤子(ultrafilter)。

若 是无穷集,容易验证 的所有余有限子集(即:有限子集的补集)组成一个滤子,称为余有限滤子。

接下来要用一个定理(该定理依赖选择公理):

任意滤子可以扩充为一个超滤子,即若 是 上的滤子,则存在 上的超滤子 满足 。

取 ,记 是 的余有限滤子,将其扩充为超滤子 ,游戏开始前每个囚犯都记住这个 。游戏开始后每个囚犯观察屋里绿灯亮、红灯亮的时刻,分别记为集合 和集合 ,这两个集合互补,因此 有且仅有其一成立。如果是前者成立,囚犯就猜绿灯模式,反之就猜红灯模式。

下面说明至多有一人猜错。假设有两人猜错,不妨设国王选择绿灯模式,而这两人都猜红灯模式,记它们的红灯集为 ,则 ,于是 。但是在绿灯模式下两个人不能同时看到红灯,而自由模式只有有限次亮灯,故 是有限集,从而根据构造, 作为余有限集也属于 ,矛盾。

于是(在选择公理成立的前提下)存在能保证 99 人猜对的策略。另一方面,显然不存在能保证 100 人猜对的策略(囚犯若看到“绿红绿红绿红……”,则无法分辨是绿灯模式还是红灯模式),因此 99 人就是最好的结果了。

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