问题

A 和 B 在 100 × 100 的平面空间内移动,两种情况下哪一种相遇的概率更大?

回答
想象一下,我们有两个小家伙,A 和 B,他们都喜欢在一个人人都可以随意活动的 100x100 的二维空间里溜达。他们俩的行动方式,也就是他们的“策略”,对他们会不会碰面(也就是“相遇”)有着至关重要的影响。下面咱们就掰扯掰扯,在两种不同的情况下,谁更有可能跟对方撞个满怀。

情况一:一个“固定不动”的,一个“随意乱逛”的

咱们先设想一个场景:A 就像一个非常有耐心的人,他选了一个地点,然后就安安稳稳地待在那里,不动弹了。你可以把他想象成一个定格在某个方格里的棋子。

这时候,A 就像一座灯塔,静静地伫立在 100x100 的大海里。B 呢?他就跟个好奇宝宝似的,一会儿往东,一会儿往西,一会儿又蹦到南边,完全是凭着“随心所欲”的劲儿在 100x100 的地方里晃悠。 B 的移动是没有规律的,我们可以理解为,他在每一次移动时,都有可能出现在 100x100 这个空间内的任何一个点上,而且每个点出现的概率是均等的。

那么,A 和 B 会不会碰上呢?

A 的情况: A 已经被固定在某一个点了。我们不妨假设 A 就在 (x₀, y₀) 这个坐标上。
B 的情况: B 的行动是完全随机的。在广阔的 100x100 的空间里,一共有 100 100 = 10000 个可能的“小格子”或者说“位置”。B 可以在这些位置中的任何一个出现。

谁更有可能相遇?

在这种情况下,B 相遇的概率要大得多。

为什么呢?我们来分析一下:

A 的“吸引力”: A 就像一个精确的靶子。只要 B 的“乱逛”能“碰巧”落到 A 所在的那个特定位置,他们就算相遇了。
B 的“覆盖率”: B 在 10000 个位置中漫无目的地选择。如果 B 的移动是完全均匀随机的,那么在足够长的时间里,B 几乎可以“访问”到空间中的每一个角落。
碰面的几率: 假设 B 的移动足够“充分”,也就是说,B 能够在他所有可能出现的位置上都待过一段时间(或者说,B 在某个时刻随机出现在空间中的任何一个点)。那么,B 最终出现在 A 那个特定位置的概率,就是 A 那个位置占整个空间的比例。 A 只是一个点,占的空间非常小。 但是,B 的“随意性”正是关键!

我们换个角度想,如果 A 站在一个房间里,B 在外面,B 拿着一张地图,每隔一段时间就随机地把 B 的位置标记在一个格子里。 B 标记的位置越多,总有那么一两次,会正好落在 A 站的那个格子里,对吧?

更具体地说,如果 B 在任何一个时刻,都有 1/10000 的概率出现在 A 所在的那个点,那么只要 B 进行了足够的移动(或者说,B 的移动是占据整个空间的),他最终“命中” A 点的概率是相当高的。

情况二:两个“同样随意乱逛”的

现在咱们换个玩法。这次,A 也不固定了,B 也不固定了。他们俩都变成了一对“不安分”的家伙,就像两只在公园里追逐蝴蝶的小孩,谁也不知道下一秒会跑到哪里去。

A 的情况: A 也是在 100x100 的空间里,他的移动同样是随意、无规律的,每一次移动都有可能出现在空间中的任何一个点,而且概率均等。
B 的情况: B 也是一样,他在 100x100 的空间里随意移动,不受任何约束。

谁更有可能相遇?

在这种情况下,A 和 B 相遇的概率,对比情况一,通常会更低,但具体情况要取决于他们的“相遇定义”和“移动速度”。

为什么这么说呢?

相对位置的复杂性: 在情况一里,我们关心的是 B 是否“碰巧”找到了 A 那个固定的点。而现在,我们关心的是 A 和 B 这两个“移动的目标”是否在同一时刻出现在同一个位置。
“错过”的几率更大: 想象一下,A 往东走,B 往西走。他们可能刚刚擦肩而过,但因为都在移动,在他们“看到”对方之前,就已经错开了。
“同步性”的要求: 相遇不仅仅是他们曾经在同一个位置,而是“在同一时刻”出现在同一个位置。这就像两个人同时跑到操场中央的同一个点。
如果他们的移动是完全独立且无规律的: 假设 B 在某个时刻随机出现在空间中的任何一个点,A 也在某个时刻随机出现在空间中的任何一个点。那么,他们碰巧出现在同一个点的概率,可以粗略地看作是: B 出现某个特定点的概率 (1/10000) 乘以 A 出现 同一个 特定点的概率 (1/10000)。这样算下来,他们同时出现在 同一个 位置的概率是 1/10000 1/10000 = 1/100,000,000。这个概率看起来非常非常小。

但是,这里的“随意乱逛”到底意味着什么?

如果“随意乱逛”是指他们每一步都从 10000 个点中随机选择一个: 那么正如上面分析的,相遇的概率很低。
如果“随意乱逛”是指他们每一步都朝着一个随机方向走一小步,直到撞到边界再反弹,或者更像是在扩散: 那么情况会更复杂。在这种情况下,他们不是“瞬间出现在”某个点,而是“在某个时间段内”占据某个区域。

所以,我们得回到最根本的定义:

情况一(一个固定,一个随机): 我们可以理解为,A 已经占据了一个“目标点”。B 在空间中“游荡”,每次游荡都有机会“落入”这个目标点。只要 B 的游荡覆盖了整个空间,他总会有机会“命中” A。 B 相遇的概率很大。

情况二(两个随机): A 和 B 都在空间中“随机游荡”。他们的相遇需要 时机 和 位置 的双重巧合。他们俩各自的“随机游荡”可能会让他们在空间中“擦肩而过”的几率大大增加。 A 和 B 相遇的概率通常比情况一要小。

总结一下:

想象一下,你一个人站在一个巨大的操场中间,然后有人拿枪朝你射击,但子弹的落点是随机的。你被击中的概率(情况一)肯定比你和另一个人同时站在操场中间,然后两个人各自朝随机方向开枪,看能不能打中对方(情况二)要大得多。

因此,在一个 100x100 的平面空间里,当 A 固定不动,B 随意乱逛时,A 和 B 相遇的概率要更大。 这是因为,B 的随机移动有更大的机会“撞上”那个固定的 A,而当两个都是随机移动时,他们需要同时出现在同一地点,这种“时机”的巧合使得相遇的概率降低了。

网友意见

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先说结论:

  1. 不考虑时间,相遇概率都是100%
  2. 考虑时间,一起走可以更快相遇。

第一眼看这个问题,感觉……这不就是随机过程吗!马尔可夫链,鞅,脑子里一顿折腾。该忘的都还给老师了,不过还记得无限空间的一维和二维随机游走,时间足够长,回到初始位置的概率都是100%。比较经典的是那个小鸟/醉汉回家的问题,我不是做数学的,就不多说了。

题目中只是个100x100的有限空间,那到达任意一点的概率都是100%啊。且由于AB在对角线,双方处于“同色格” (感谢评论区知友的补充),所以:

两种情况相遇的概率都是100%


那么问题来了?哪个相遇得更快呢?一时给不出求证的解析结果[捂脸],那就暴力模拟一下吧:

100X100空间内,有边界的随机游走。嗯,先让A从起点(0,0)开始走两步:

再让B也一起,从它的起点(99,99)开始走两步:

好了,弄个while循环,输出两种情况相遇时所耗费的时间/步数。模拟5000次,然后做个柱形分布图看一看:

不错,看来AB一起走的时候,相遇所需耗费的时间/步数,均值差不多是A独走的五分之一。5000次模拟结果一一对比的话,有87.2%的概率,一起走的耗时小于单独走。所以:

第二种情况(AB一起走)相遇得更快。


那AB一起运动的时候,相遇点的分布如何呢?为了满足好奇心,我接着暴力模拟了50000次,得出了AB相遇点在100x100平面中的分布,如下所示:

嗯,相对集中于中心区域,不过并没有我想象中那么集中,有趣。


评论区中的知友 @Monsieur TRISTE @两仪式 的讨论也很有趣,提到了另一种情况:AB初始位置是“非同色格”,则当他们同时移动时,永远无法相遇:

如上图左侧所示,当AB初始在对角线时,皆为棋盘黑格内,下一秒同时移动后(按照题目,只能上下左右移动一格,无法斜向移动),则都处于白格。然而,如果AB初始位置为“非同色格”,如上图右侧的情况,那么AB同时移动的话,将会永远处于“非同色格”,也就永远无法处于同一格内。

无数次擦肩而过,却终不能共处一室,想想还蛮伤感的[捂脸]。非常感谢这两位知友的评论!

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二维随机游走是常返的,这意味着只要时间足够,随机游动的A会遍历空间内的每一个点。因此不管B动不动,二者相遇的概率都是100%.

但B如果移动的话,会加快与A相遇的速度。

我提供一个简单的理解吧,假设A、B每次移动的位移矢量为 和 。

但如果我们把B当作参考系,A每次的位移就变成了 。由于随机游走往前往后的概率都是一样的,正负号没有任何影响,因此A每次的位移可以看成 。

也就是说,以B为参考系,在情形2中(A和B同时做无规则运动),A相当于每次都随机游动了两步。在其他条件不变的情况下,这显然会加快二者相遇的速度。

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