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关于《三门问题》的多角度分析和蒙特卡洛模拟

2023-02-17 05:41 作者:Incubator4  | 我要投稿

Suppose you're on a game show, and you're given the choice of three doors: Behind one door is a car; behind the others, goats. You pick a door, say No. 1, and the host, who knows what's behind the doors, opens another door, say No. 3, which has a goat. He then says to you, "Do you want to pick door No. 2?" Is it to your advantage to switch your choice?

上述内容摘自维基百科,大意为 假设你在参加一个游戏,该游戏有三扇门

  • 其中一扇门后面为汽车,另外两扇门后面都是羊

  • 胜利的条件为选中有汽车的门

  • 当你进行了选择时,预先知道后面有什么的主持人会打开一个错误的门,而后问你“是否选择更换的门”


基于以上三个前提条件,延伸出来一个问题,玩家是否应该需要进行“换门”操作。


理论支持


考虑到当随意调换羊和门的位置时,概率不会发生变化,所以默认一号门二号门都是羊,而三号门是车

可以看到, 没有交换门赢的总概率是 1/3 , 交换门赢的总概率是2/3


贝叶斯公式

首先,贝叶斯公式的重点是,两者并不是独立事件,这里引用一下上面的图。当主持人操作打开门为前提条件下的概率公式

P(B)%20%3D%20%20%5Csum%20P(A_%7Bi%7D%20)%20%5Ccdot%20%20P(B%5Cvert%20A_%7Bi%7D%20)

E_%7Bi%7D%20来表示事件Event,i的序号标明车在哪个门后面

X_%7Bj%7D%20来表示玩家Play,j的序号标明玩家选择了几号门

H_%7Bk%7D%20来表示主持人Host, k的序号表明了主持人选择打开几号门

基于上述内容,可以简单得出一些常数

P(H_%7B3%7D%20%5Cvert%20%20E_%7B1%7D%2CX_%7B1%7D)%20%3D%201%2F2%0A

车在1,选择1,主持人打开3的概率是1/2

P(H_%7B3%7D%20%5Cvert%20%20E_%7B2%7D%2CX_%7B1%7D)%20%3D%201%0A

车在2,选择1,主持人打开3的概率是1(由于主持人一定会打开不是车的门,所以概率为1)

P(H_%7B3%7D%20%5Cvert%20%20E_%7B3%7D%2CX_%7B1%7D)%20%3D%200

车在3,选择1,主持人打开3的概率是0(由于主持人一定会打开不是车的门,所以概率为0)

P(E_%7Bi%7D)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%20

每一个Event发生的概率都为1/3

P(E_%7Bi%7D%2CX_%7Bj%7D)%20%3D%20P(E_%7Bi%7D)P(X_%7Bj%7D)

事件E和玩家的选择X互相独立,因此当“车在i门且玩家选择了j门”的概率为“车在i门”和“玩家选择j门”的概率乘积

P(H_%7B3%7D%5Cvert%20X_%7Bi%7D)%20%3D%201%2F2

这个表达式说明,当主持人开启3号门后,玩家会选择每扇门的概率都为1/2,由于不依赖事件E,自然只剩下两个门可以选择了。 特别的P(H_%7B3%7D%5Cvert%20X_%7B3%7D)%20%3D%200表明,由于主持人总是会打开错误的门,所以在“主持人打开3号门下” 条件成立时 “玩家打开3号门” 的概率为 0


考虑其中一种情况,当汽车在2号门后时,主持人打开了3号门且玩家打开了1号门的概率为

P(E_%7B2%7D%20%5Cvert%20H_%7B3%7D%2CX_%7B1%7D%20)%20%3D%20%5Cfrac%7BP(E_%7B2%7D%2CH_%7B3%7D%2CX_%7B1%7D%20)%20%7D%7BP(H_%7B3%7D%2CX_%7B1%7D%20)%20%7D%20%20%3D%20%20%5Cfrac%7BP(H_%7B3%7D%20%5Cvert%20E_%7B2%7D%2CX_%7B1%7D%20)%20P(E_%7B2%7D%2CX_%7B1%7D%20)%7D%7BP(H_%7B3%7D%2CX_%7B1%7D%20)%20%7D%20%3D%20%5Cfrac%7BP(E_%7B2%7D)P(X_%7B1%7D)%7D%7BP(H_%7B3%7D%5Cvert%20X_%7B1%7D)P(X_%7B1%7D)%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%2F3%7D%7B1%2F2%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B2%7D%7B3%7D



蒙特卡洛模拟


如果觉得概率论和图标风格反常识,反直觉,或者和事实不符,那我们使用最暴力的方式,用大量的频率来模拟概率。


模拟十次

1.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333176 ,获胜概率为 33.32%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666824 ,获胜概率为 66.68%

2.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333313 ,获胜概率为 33.33%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666687 ,获胜概率为 66.67%

3.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333672 ,获胜概率为 33.37%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666328 ,获胜概率为 66.63%

4.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333464 ,获胜概率为 33.35%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666536 ,获胜概率为 66.65%

5.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333311 ,获胜概率为 33.33%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666689 ,获胜概率为 66.67%

6.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333325 ,获胜概率为 33.33%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666675 ,获胜概率为 66.67%

7.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333207 ,获胜概率为 33.32%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666793 ,获胜概率为 66.68%

8.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333942 ,获胜概率为 33.39%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666058 ,获胜概率为 66.61%

9.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333874 ,获胜概率为 33.39%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666126 ,获胜概率为 66.61%

10.

在不更换选择的情况下,获胜次数为 333337 ,获胜概率为 33.33%

在更换选择的情况下,获胜次数为 666663 ,获胜概率为 66.67%



总结

无论用什么方法,都能得出换门的总概率2/3是大于不换的概率1/3的


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