Beta verzia "Zbierky úloh z pravdepodobnosti" je live

Ešte pred dokončením našej zbierky úloh z pravdepodobnosti sme sa rozhodli, že urobíme malý experiment: jej odľahčenú internetovú verziu. Zatiaľ sme uverejnili zadania prvých štyroch podkapitol (asi 50 úloh; celkovo ich je v zbierke vyše 400) a budeme čakať, čo na to študenti. Využijú možnosť pýtať sa nás na detaily zadaní a diskutovať o riešeniach medzi sebou? Uvidíme a podľa toho sa zariadime v budúcnosti.

Každopádne, ak máte chvíľku čas, mohli by ste sa na našu zbierku pozrieť aj Vy a prípadne nám poradiť, čo by sa na nej podľa Vás dalo zlepšiť. Budeme veľmi povďační!

Ilustračný obrázok vľavo je môj návrh na obálku tlačenej verzie zbierky. Ak k nemu máte výhrady, sem s nimi. Ešte stále je čas všetko zmeniť :-)

PS: Ak by ste aj Vy chceli vyriešiť nejakú úlohu v zbierke, ale nepoznáte pravdepodobnostnú formalizáciu z našich prednášok, vyskúšajte napríklad takú úlohu 55. Ďalšie neformálne a nie celkom triviálne úlohy prídu neskôr.

Kombinatorická identita

Už takmer 12 hodín bez väčšej prestávky pracujem na zbierke príkladov z pravdepodobnosti. (Neverili by ste, koľko je s jej napísaním roboty; ale čím ďalej, tým viac sa ma zmocňuje pocit, že keď bude naša zbierka na svete, tak z nej budeme mať radosť.)

Práve som písal riešenie jedného príkladu, v ktorom som použil nasledovnú kombinatorickú identitu:


Hľadím na ňu už asi dvadsať minút a nenapadá ma, ako by som ju dokázal. Vedeli by ste mi pomôcť?

Ďalšia zapeklitá úloha z pravdepodobnosti

Už sa teším na obdobie, keď odovzdáme do tlače našu zbierku úloh z teórie pravdepodobnosti a budem sa môcť rozpísať napríklad o nedávnej návšteve "Univerza" v Brémach, alebo o množstve zaujímavých nových odkazov. Dovtedy však zo mňa nedostanete nič viac, ako len ďalšiu zapeklitú úlohu z pravdepodobnosti. Tentokrát je podľa mňa celkom pozoruhodná a ak sa ju niekomu podarí do týždňa vyriešiť nejakým jednoduchým trikom bez použitia náhodných premenných, má u mňa dve odmeny: jeho meno sa objaví v našej zbierke a darujem mu jeden exemplár zbierky aj s podpismi autorov :-)

Dokážte, že ak súčet pravdepodobností n-tice udalostí je viac ako k-1 (pre akékoľvek k od 1 do n), tak sa s nenulovou pravdepodobnosťou realizuje aspoň k spomedzi týchto udalostí.

Napríklad ak by sme mali skupinku piatich ľudí, pričom (pravdepodobnosť, že prvý z nich spraví skúšku) + (pravdepodobnosť, že druhý z nich spraví skúšku) + ... + (pravdepodobnosť, že piaty z nich spraví skúšku) > 3, tak potom s nenulovou pravdepodobnosťou sa stane to, že skúšku spravia aspoň štyria z týchto piatich ľudí. Pritom nepredpokladáme, že udalosti urobenia skúšky sú nezávislé. (Nakoniec, predpokladať úplnú nezávislosť vypracovávania písomnej časti skúšky by naozaj bolo značne naivné.)

Na ilustračnom obrázku sú štyri množiny (mesiačiky A,B,C a kruh D), pričom neexistuje prienik všetkých štyroch. To znamená, že ak by sme akokoľvek divoko hádzali šípkou do tohto obrázka, tak súčet pravdepodobností zasiahnutia jednotlivých oblastí nemôže byť väčší ako 3.

Telepat II

Tentokrát nášmu telepatovi zaplatíme za každý uhádnutý symbol 1 euro. Telepat si postupne prikladá na čelo jednotlivé obálky, pričom vždy po chvíľke telepatovania danej obálky povie svoj tip, čo by sa v nej malo nachádzať. Vypočítajte strednú hodnotu jeho zisku, ak nemá žiadne telepatické schopnosti, avšak má dokonalú pamäť a pritom používa optimálnu stratégiu tipovania. Uvažujeme nasledovné spresnenia:

a) Počas tipovania nedostáva telepat žiadnu informáciu o obsahu obálok, t.j. všetky obálky sa otvoria až po ukončení jeho tipovania. b) Po každom tipe sa daná obálka otvorí a telepat sa dozvie, ktorý symbol v nej bol. c) Po každom tipe prezradíme telepatovi len to, či uhádol, alebo neuhádol, avšak nie to, ktorý konkrétny symbol sa v danej obálke nachádzal.

Riešenie ani jednej z týchto troch úloh nie je úplne triviálne (pokiaľ človek nenájde správny trik), preto sú veľmi vítané akékoľvek nápady, riešenia pre malé n, prípade simulačné výsledky.

Namiesto ilustračného obrázku mám dnes pre Vás link od Juraja.

Poznámka 27.8.: Ak som sa nepomýlil, tak tie stredné hodnoty zisku pri optimálnej stratégii vychádzajú vo všetkých troch prípadoch celkom pekne. Ak si s tým problémom neviete poradiť, pokúste sa aspoň odhadnúť, či pre rastúce n (n je počet rôznych symbolov, t.j. aj počet obálok) ide stredná hodnota zisku pri optimálnej stratégii do nekonečna, alebo naopak, či existuje hranica, ktorú stredná hodnota zisku nepresiahne pre žiadne n ani pri tej najlepšej stratégii. Čo hovorí Vaša intuícia?

Telepat

Tieto dni je mojou hlavnou pracovnou náplňou dokončovanie zbierky príkladov z teórie pravdepodobnosti, ktorú musíme čoskoro odovzdať do tlače. Pri spisovaní riešenia jedného príkladu ma napadla takáto netechnická formulácia vhodná aj na náš blog:

Telepat bez akýchkoľvek telepatických schopností, ktorému bolo navyše nečakane znemožnené podvádzať, sa snaží určiť n rôznych symbolov nachádzajúcich sa na kartách v n nepriehľadných obálkach. (Telepat vopred vie, aké symboly boli náhodne rozdistribuované do obálok; nevie len to, v ktorej obálke je ktorý symbol. Telepat teda priradí obálkam n-ticu symbolov úplne náhodne a až potom sa všetky obálky otvoria, aby sa zistilo, koľko symbolov uhádol.) Čo je pravdepodobnejšie: to, že neuhádne ani jeden symbol, alebo to, že uhádne práve jeden symbol?

Na ilustratívnom obrázku sú takzvané Zenerove karty, ktoré sa často používajú na testovanie proklamovaných telepatických schopností. V našom zadaní je však počet kariet všeobecné n, t.j. nielen 5. Teším sa na Vaše riešenia.

7+7=12

Ak sa Vám zdali posledné úlohy príliš matematicky technické, ponúkam Vám pre zmenu jeden detský hlavolam, ktorý však môže spôsobiť polhodinovú frustráciu aj učiteľovi na matfyze. Viem to z vlastnej skúsenosti :-) Na túto úlohu som natrafil v jednej z mojich nových kníh, ale jej názov uvediem až keď budeme mať riešenie.

Viete dokázať, že sedem je polovica z dvanástich?

Riešenie podobných hlavolamov sa zakladá na tom, že sa nájde nejaký nečakaný vysvetľujúci uhol pohľadu (ktorý by niekto mohol nazvať aj "podfuk"). Takýchto uhlov pohľadu existuje obvykle viac, avšak za správny sa považuje ten, o ktorom väčšina ľudí retrospektívne cíti, že je najjednoduchší, alebo najkrajší. V tomto zmysle nepovažujeme za správne riešenie ani to, čo som načrtol na ilustratívnom obrázku, ale ani odpovede typu "7+7=12 v dvanástkovej sústave". Správne riešenie je úplne iného typu.

Ondrova-Misofova rekurencia

Predchádzajúcu zaujímavú úlohu od Ondra by sme mali vyriešenú, ak by sa nám podarilo dokázať jednu celkom pozoruhodnú domnienku, ktorú v komentároch formuloval misof a ktorú je možné zapísať v nasledovnom tvare:


Nech Q₁=0, Q₂=1/3 a pre n=3,4,5,... nech


Potom

Numericky táto domnienka sedí natoľko presne, že jej platnosť je prakticky istá. Ide len o jej formálny dôkaz...

Ja sa do rekurencií veľmi nevyznám, ale všimol som si, že Ondrova-Misofova rekurencia spĺňa jednu peknú vlastnosť: Člen Q_n je váženým priemerom členov Q₁, Q₂,...,Q_n-2. Z toho je napríklad okamžite jasné, že všetky členy postupnosti budú medzi číslami Q₁ a Q₂. Je ale možné toto pozorovanie použiť na dôkaz skutočnosti, že postupnosť hodnôt Q_n konverguje, prípadne dokonca toho, že konverguje práve k číslu e^-2? Vyzerá to byť pekná a netriviálna matematická úloha...

Šialení diktátori

Nasledovnú úlohu nám poslal Ondro Budáč z letnej brigády v Oxforde, kde programuje simulácie istých fyzikálnych dejov. (Inak vy sa teda máte s takýmito fajnovými brigádami; ja som chodil kopať jamy na bazény.) Pôvodná Ondrova formulácia obsahuje len rad guličiek, tak som sa ju rozhodol trochu zdramatizovať.

Okolo istej hviezdy obieha na kruhovej obežnej dráhe rovnakou rýchlosťou n planét, pričom ich stredy tvoria vrcholy pravidelného n-uholníka. Každá z týchto planét vlastní atómovú bombu, ktorá je schopná zasiahnuť a zlikvidovať ktorúkoľvek z dvoch najbližších planét, nie však vzdialenejšie planéty. Z času na čas sa na niektorej z planét náhodne dostane k moci šialený diktátor, ktorý sa rozhodne zničiť niektorého zo susedov (samozrejme len ak ho ešte nezlikvidoval druhý sused). Avšak ešte skôr ako atómová bomba zasiahne napadnutú planétu, s istotou stihne aj ona vystreliť atómovú bombu na agresora a obe planéty sa tak zničia navzájom. (Pozn.: Predpokladáme, že od okamihu vystrelenia bomby na napadnutú planétu až po dopad druhej bomby na planétu agresora sa ostatné planéty zdržia konfliktov.)

Otázka znie, aká je stredná hodnota E_n planét, ktoré sa takto zlikvidujú. Zaujíma nás najmä pomer E_n/n pre n idúce do nekonečna.

Jeden možný priebeh atómových konfliktov, v ktorých sa zo 100 pôvodných planét navzájom eliminovalo 86, ilustruje nasledovné video.



Podotýkam, že tento problém je ťažký, pretože ani Ondrovi, ani mne sa ho zatiaľ nepodarilo vyriešiť (hoci je pravda, že príliš veľa času sme nad ním zatiaľ nestrávili). Kto nájde analytické vyjadrenie tajomnej konštanty, ku ktorej sa blíži E_n/n, ten má môj obdiv.

Poznámka: Ak Vám nie je zadanie úplne jasné, tak možno nájdete odpoveď na svoju otázku komentároch.