金刚坐飞机问题 - 编程之美4.1


http://www.cppblog.com/flyinghearts/archive/2013/09/18/123545.html
现在有一班飞机将要起飞,乘客们正准备按机票号码(1, 2, 3, …N)依次排队登机。突然来了一只大猩猩(对,他叫金刚)。他也有飞机票,但是他插队第一个登上了飞机,然后随意地选了一个座位坐下了。根据社会的和谐程度,其他的乘客有两种反应:
    1.乘客们都义愤填膺,“既然金刚同志不遵守规定,为什么我要遵守?”他们也随意地找位置坐下,并且坚决不让座给其他乘客。
    2.乘客们虽然感到愤怒,但还是以“和谐”为重,如果自己的位置没有被占领,就赶紧坐下,如果自己的位置已经被别人(或者金刚同志)占了,就随机地选择另一个位置坐下,并开始闭目养神,不再挪动位置。
    那么,在这两种情况下,第i个乘客(除去金刚同志之外)坐到自己原机票位置的概率分别是多少?

(一)先看第一问,我认为作者总结的公式太抽象了,至少能看懂那个公式的人不多。
    遇到这样的问题,就是枚举,猜出公式,然后数学归纳法。
    假设N=3,即1、2、3。
        先来分析第一个人的概率:
        如果金刚占了1,概率1/3,那么第1个人永远没机会坐到自己座位,概率为0。
        如果金刚不占1(占了2或3)——概率2/3,这种情况下,第1个人可以在1和另一个座位(2或3)中进行选择,概率1/2,即P=2/3 * 1/2 = 1/3。
        合计:1/3——这是第一个人坐到自己座位的概率。

        再来分析第2个人的概率:
        果金刚占了2,概率1/3,那么第2个人永远没机会坐到自己座位,概率为0。
        如果金刚不占2(占了1或3),——概率2/3,这种情况下,我们要看第1个人,分2种情况:
第1个人占2的概率为1/2(因为还剩2个位子),那么第2个人永远没机会坐到自己座位,即P=0
第1个人不占2的概率也是1/2,那么最后一个位子肯定是2,概率为1。则P=2/3*1/2 * 1=1/3
合计:1/3

        第3个人的概率就不要算了,因为没有位子了(N+1个人,N个位子,最后一个人肯定没位子)。
观察得到结论:对于第i个人,我们先计算出金刚、以及第1个人、第2个人……第(i-1)个人——她们不占第i个位置的概率,分别是(N-1)/N、(N-2)/(N-1)、(N-3)/(N-2)直到(N-i)/(N-i+1),然后计算出第i个人在剩余的N-i个位子中占到第i个位子的概率,也就是1/(N-i),把以上这些概率相乘,乘积为1/N,这就是最后的结果。
当然,当i=N的时候,概率永远为0,因为最后一名没有位子选了。

http://hi.baidu.com/maxint/item/209b9b2cea491e9db6326342
第二题:用 F(i, n) 表示当座位总数为n时,第 i 个乘客坐到自己原位置的概率。根据全概率公式,得

其中 P(K=j) 表示金刚坐在位置 j 上,P(i | K=j) 是条件概率,表示当金刚坐在位置 j 上时,第 i 个乘客坐到自己原位置的概率。显然 P(K=j)=1/n,现在来分析 P(i | K=j)。
  1. 金刚若挑自己的座位或选的座位在第i个座位后(即 i < j),则第 i 个乘客肯定能坐到原来的座位。此时 P(i │ K=j) = 1;
  2. 金刚若挑选的座位在第 i 个座位前,(即 i > j),则第j个乘客除非坐到金刚的座位,不然就会抢其他人的座位,因为他的行为和金刚相似,可以将他当做金刚处理。去除前 j 个座位,剩下的座位和乘客再按原大小排序重新从1开始编号,则先前的第 i 个乘客,其座位号变为 i-j,新的总座位数变为 n-j。所以得 P(i │ K=j) = F(i-j, n-j)。
由上分析得:



再取 n+1 和 i+1 代入上式并与原式相减得:


结果有误,请注意!从推导过程来看,最后一步的 i 需大于1,无法取到1,所以不成立。重新思考后发现原题目有些不解的地方:如果金刚自己的位置在 i 上,则第 i 位乘客坐在他自己的位置上的概率为0还是1,即是否认为金刚也是乘客。如果是这样分析,上面的式子就要做调整了。如金刚不算乘客,F(2,2)=1/4,而不是书上说的1/2
http://www.cnblogs.com/Jax/archive/2009/11/26/1611603.html
(二)再看第2问:
image
    话说,这个答案是错的。
    仍然按照刚才的思路进行枚举:
    最简单的情况,令N=2,就是说,只有2个元素:1和2。
        我们先看i=1的情形,也就是第一个乘客的概率
        如果金刚选择1坐下,那么第一个乘客永远没机会,为0。
        如果金刚选择2坐下,概率1/2,那么只剩下第一个位置为第一个乘客,P=1/2 * 1 = 1/2。
        合计:f(1) = 1/2。

        我们再看i=2的情形
        还是那句话,最后一个人概率永远为0。

    但是,按照作者给出的公式:这两个值分别是f(1)=2/3和f(2) = 1/2。
    所以,我猜测,这个公式应该是F(i) = f(i) = (N-i)/(N-i+1)。很奇怪邹欣为什么没写几个TestCase来试试。 
    心里还是没底,毕竟作者是微软的,于是我分别测试了N=3和N=4情况下,i为2和3的情形。
    比如说N=4,i=2
    我发现,当金刚占了第1个位置,那么,第1个人不占2的概率是2/3(因为还剩下3个数),此时第2个人肯定可以占2。f(i) = 2/3

    比如说N=5,i=3:
        当金刚占了第1个位置,那么,接下来分只考虑第一个人不占3的两种情况:
            第一个人占2的概率是1/4,那么第2个人不占3的概率是2/3,则第3个人肯定占3。
            第1个人不占2也不占3的概率是1/2,此时第2个人肯定占2,第3个人肯定占3。
        计:1/4 * 2/3 + 1/2 = 2/3

        当金刚占了第2个位置,那么,第一个人肯定占1,第2个人不占3的概率是2/3,此时第3个人肯定可以占3。
        合计2/3

    将N和i(这里i>n)推而广之:
    当金刚占了第n个位置,那么不计第n-1个人以前的乘客,因为他们肯定能做到自己的位置。那么现在,还有第n个乘客,以及剩下的N-n个乘客(从第n+1到第N个)。
    于是问题退化为:第n个乘客化身为金刚,剩下的(N-n)个乘客按顺序登机,新的金刚插队第一个登机,随意在第n+1到第N个这(N-n)个位置中坐下……
    退化题目所得到的结果F(n)和原题目的结果f(n)是一样的(这里要说清楚,一定要使用数学归纳法)。
    所以,我相信,经过若干次退化后,因为n<i<N,所以n会先逼近i,也就是说,这个极限是,金刚占了第i-1个位置,然后第i-1个人不占i的可能性是(N-i)/(N-i+1),这个就是我们要计算的f(i)。

    综上所述:f(i) = (N-i)/(N-i+1)。
    然后进行计算,得到F(n)=(N-i)/(N-i+1)。这才是正确答案。
对问题二,答案和金刚的原来座位编号有关。不妨先去除金刚的座位,将乘客(根据机票号)和剩下的座位,按原大小顺序从1开始重新编号。F(in)表示在新排列中(共有n-1个乘客座位和金刚原来的座位),新的第i个乘客坐在其原来座位的概率,则在n个座位中:
① 金刚若挑自己的座位或选的座位在第i个座位后(共有n-i个座位满足这个条件),则第i个乘客肯定能坐到原来的座位;
② 金刚若挑选的座位在第i个座位前,不妨假设为j,则第j个乘客除非坐到金刚的座位,不然就会抢其他人的座位,因为他的行为和金刚相似,可以将他当做金刚处理。去除前j个座位,剩下的座位和乘客再按原大小排序重新从1开始编号,则先前的第i个乘客,其座位号变为i-j,新的总座位数变为n-j。因而可得公式:

 G(i, n)表示原排列中,第i个乘客坐到自己座位的概率,假设金刚的座位编号为j
 i<j 则   G(i,n)=F(i,n)= (n-i)/(n+1-i)
 i>j    G(i,n)=F(i-1,n)= (n+1-i)/(n+2-i) 

 
类似题:
“约瑟芬环:n个人,编号为0n-1,围成一圈,从编号为0的开始,从1开始报数,所有报到m的出列,下一个人从1开始继续报数。求最后一个人的编号。”
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