问题

掷一枚不均匀的硬币,正面概率为0.7,反面的概率为0.3,如何最高效地获得一个概率为0.5的事件?

回答
好,我们来聊聊怎么从一个不靠谱的硬币里“挤”出个靠谱的0.5概率。这就像是从一个不太准的秤上称出精确的重量一样,得有点小技巧。

首先,得承认,我们手里这枚硬币是个“偏心”的家伙。正面朝上的机会是70%,反面只有30%。直接扔一次,结果肯定不会是50%的概率。那怎么才能达到我们想要的那种“五五开”的局面呢?

核心思路:利用“对称性”

我们的目标是创建一个结果,这个结果出现的可能性,和它不出现的可能性是完全相等的。想想我们能做些什么?如果硬币是公平的,我们扔一次“正面”就是0.5,扔一次“反面”也是0.5。但我们的硬币不是。

换个角度想,有没有办法把“正面”和“反面”的出现,用一种我们能控制的方式“打包”起来,让打包后的结果变成0.5?

最有效的方法:成对扔硬币

这个方法有点像是在玩一个“赌大小”的游戏,只不过我们是自己和自己赌。具体怎么做呢?

1. 同时扔两次硬币。 注意,是“同时”或者“连续扔两次,但把结果一起看”。
2. 观察两次的结果。 我们需要关注两种情况:
第一次是正面,第二次是反面 (正反)。
第一次是反面,第二次是正面 (反正)。
3. 设定规则:
如果出现了“正反”这种情况,我们就说“成功”了,触发了我们要的那个0.5概率的事件。
如果出现了“反正”这种情况,我们也说“成功”了,同样触发那个0.5概率的事件。
关键来了: 如果出现了“正正”或者“反反”这两种情况,我们就不作数,把这次的两次投掷全部丢弃,然后重新开始,再扔两次。

为什么这个方法有效?我们来算算账。

“正正”的概率: 第一次是正面(0.7)乘以第二次是正面(0.7),就是 0.7 0.7 = 0.49。
“正反”的概率: 第一次是正面(0.7)乘以第二次是反面(0.3),就是 0.7 0.3 = 0.21。
“反正”的概率: 第一次是反面(0.3)乘以第二次是正面(0.7),就是 0.3 0.7 = 0.21。
“反反”的概率: 第一次是反面(0.3)乘以第二次是反面(0.3),就是 0.3 0.3 = 0.09。

把这四种情况的概率加起来,0.49 + 0.21 + 0.21 + 0.09 = 1,这很正常,总是会发生其中一种。

现在,看我们的规则:我们只关心“正反”和“反正”。
“正反”的概率是 0.21。
“反正”的概率是 0.21。

看到了吗?这两种我们“要”的结果,它们的概率是相等的!都是0.21。

那么,当发生“正反”或“反正”时,我们说“成功”。这两种成功情况的总概率是多少呢? 0.21 + 0.21 = 0.42。

而那些不成功的“正正”和“反反”,它们的总概率是 0.49 + 0.09 = 0.58。

我们的方法是:只要出现“正正”或“反反”,就重新来过。这意味着我们只在“有效”的两次投掷结果(即“正反”或“反正”)中挑选。

在所有“有效”的结果(即“正反”或“反正”)里,出现“正反”的概率是多少?
是 0.21 / (0.21 + 0.21) = 0.21 / 0.42 = 0.5。

同样,在所有“有效”的结果里,出现“反正”的概率也是 0.21 / 0.42 = 0.5。

所以,当我们执行这个规则(扔两次,如果“正正”或“反反”就重来,否则以“正反”为一次成功,“反正”为另一次成功)时,你遇到的第一个“有效”结果,无论它是“正反”还是“反正”,发生的概率都是50%。

为什么说这是“最高效”的?

效率的定义: 在这个语境下,效率指的是在“平均扔多少次硬币才能得到一次0.5概率的事件”。
方法的可行性: 这个方法非常直接,不需要复杂的计算或者额外的工具。
信息利用: 它充分利用了两次投掷的组合信息。虽然单次投掷不平衡,但两次投掷的特定组合(正反、反正)却达到了概率均等。
概率的收敛性: 无论硬币有多不均匀,只要不是0或1的极端情况,通过这种成对(或多对)组合、舍弃无效结果的办法,你总能逼近并稳定地获得一个0.5概率的事件。

举个更生动的例子:

想象一下,你现在要和朋友玩个游戏,输赢各占50%。你只有这枚0.7/0.3的硬币。你不能直接扔,因为不公平。

你俩商量好了:
“咱们这样,我连续扔两次。
如果你扔出来是 ‘先正后反’,就算我赢。
如果你扔出来是 ‘先反后正’,就算你赢。
要是出现 ‘两个都是正’ 或者 ‘两个都是反’,那咱们就白扔了,重新再扔两次。”

这样一来,你俩每个人赢的概率都是 0.7.3 = 0.21。总共有 0.21 + 0.21 = 0.42 的情况是“有结果”的。
在这 0.42 的结果里,你赢的 0.21 占了 0.21/0.42 = 0.5。你朋友赢的 0.21 也占了 0.21/0.42 = 0.5。

这就是如何在不公平的条件下,制造出公平的结果。通过增加投掷次数,但巧妙地设计规则,让不平衡的概率在特定的组合下重新“平衡”过来。

网友意见

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这题下各位答主都是专家啊 @王筝,我都快不敢发言了。。。

用程序暴力搜索了一下,n为扔硬币的次数,error为搜索到最优解和期望值P=0.5的差。

看起来符合指数衰减规律。

n=2,error=1.000000e-02

n=3,error=4.000000e-03

n=4,error=2.000000e-04

n=5,error=8.000000e-05

n=6,error=4.000000e-06

n=7,error=2.000000e-07

。。。。

=====以下原答案=====

我觉得一般化后的题目是这样的。

连续n次投掷硬币,所有的结果序列组成一个集合。从中挑出一个子集,使子集的概率为指定值P,例如0.5.

我感觉精确解应该只能发生在某些特定的P取值,一般的P取值只能通过增加n来无限逼近吧…

恩,数学题变成了算法题: 给定误差限,求最小的n.

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经过多次测量,我们发现掷这枚不均匀的硬币,得到正面概率为0.7,反面的概率为0.3。而连续两次掷出正面的概率为0.5。

啥?你说差0.01?

哦,那是实验误差。

——物理学家

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