مساله ۲۷. جعبه‌های جادویی

توی یه بازی به شما هزارتا سکه داده شده که توی دو تا جعبه جادویی قرار بدید. شما میتونید سکه ها را بین این دو جعبه تقسیم کنید. بعد از بستن جعبه ها برای هر جعبه یک سکه جدا میندازیم.

اگر سکه جعبه اول شیر اومد تعداد سکه های توش دو برابر میشه. اگر خط اومد نصف میشه.

برای جعبه دوم اگر سکه شیر‌اومد تعداد سکه های توی جعبه ۱٫۵ برابر میشه. اگر‌خط‌ اومد تغییری نمیکنه.

در پایان هر تعداد سکه توی هر جعبه مونده بود مال شما میشه. شما‌ چطوری در این بازی بازی میکنید؟

اگر به جای دو سکه متفاوت، یک سکه‌ برای هر دو‌جعبه بندازیم (با قوانین مشابه) چطوری بازی میکنید؟

لینک مساله در توویتر: https://twitter.com/Riazi_Cafe/status/1692781066136731810

پاسخ صحیح این هست که برای حالتی که برای هر جعبه سکه جدا می‌اندازیم داریم ۹۰۰ تا سکه توی جعبه اول و ۱۰۰ تا سکه توی جعبه دوم قرار بدیم. در حالتی هم که فقط یک سکه می‌اندازیم همه را در جعبه اول میگذاریم.

در اینجا فقط جزییات حالت ۲ سکه جدا را می‌گوییم. حالت یک سکه هم شبیه همین حل می‌شود.

امید ریاضی مقدار نهایی به ازای هر سکه (یا میانگین حالات) برای هر دو جعبه برابر هست با ۱٫۲۵. پس فرقی نمیکنه چه تعداد در هر جعبه قرار بدیم و امید ریاضی ثابت خواهد بود. چون امید ریاضی برابر هست، پس پارامتر دومی‌ که کمینه شدن اون مطلوب هست وردایی یا واریانس هست که فرمول اون در اینجا معرفی شده: واریانس

اگر یک سکه در جعبه شماره یک قرار بدیم‌ واریانس تعداد سکه های نهایی در این جعبه برابر هست با ۰٫۱۲۵ و اگر یک سکه در جعبه شماره دو قرار بدیم واریانس تعداد سکه های نهایی در این جعبه برابر هست با ۱٫۱۲۵.

چون فرایند تصادفی به کار رفته برای هر دو جعبه مستقل هستند، پس با قرار دادن x سکه در جعبه اول و y سکه در جعبه دوم واریانس مجموع سکه ها برابر هست با \(x^2 \times 0.125 + y^2 \times 1.125\).

و‌ با توجه به توضیحات قبلی، ما از همه سکه ها استفاده میکنیم پس مقدار y برابر هست با \(1000-x\). پس واریانس پاسخ برابر هست با \(x^2 \times 0.125 + (1000-x)^2 \times 1.125\).

برای کمینه کردن این عبارت باید مشتق اون را برابر با ۰ قرار بدیم. مقدار مشتق این عبارت برابر هست با \(\frac{5x-4500}{2} \). که تنها در صورتی برابر با ۰ خواهد بود که مقدار x برابر با ۹۰۰ باشد.

آخرین بررسی که لازم به انجام هست این هست که مطمئن شویم‌ مقدار واریانس در این حالت کمینه (و نه بیشینه) می‌شود. دلیل این کار این هست که زمانی مشتق یک عبارت پیوسته برابر با ۰ می‌شود که یا در آن نقطه عبارت کمینه باشد یا بیشنه. چون با قرار دادن x=0 مقدار واریانس برابر با 125000 می‌شود اما با قرار دادن x=900 مقدار واریانس برابر می‌شود با 112500 پس در نقطه x=900 مقدار‌ واریانس‌ کمینه می‌شود.