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n个人坐n个位置的问题

n个人坐n个位置的问题

作者: Azur_wxj | 来源:发表于2020-03-08 11:55 被阅读0次

问题

n个人(n\geqslant 2)准备依次n个位置,假定第i个人原本的位置是第i个位置。现在,第一个人等可能地从n个位置中随机挑选一个坐,此后的所有人将:

  1. 如果他原本的位置是空的,那么他将做到他原本的位置
  2. 如果他原本的位置已经被之前的占据了,则他将在剩下的空位中等可能随机挑选一个

问题是,最后一个人,即第n个人,恰好坐在第n个位置的概率有多大。

解决

方法一

我们将位置编号,并设第i个位置为S_i。对于第1个人而言,他的选择有三种情况:

  1. 坐在S_1
  2. 坐在S_n
  3. 坐在S_2\sim S_{n-1}

如果是第一种情况,那么此后所有人都将按照原本的位置坐下;
如果是第二种情况,那么无论如何最后一个人都无法坐在原本的位置上。
现在考虑第三种情况,我们假定他坐在了S_i,那么对于第2,3,\cdots,(i-1)(i-2)个人实际上是没有影响的(因为他们都可以坐在属于自己的位置上)。现在,对于第i个人,因为S_i已经被第一个人占据,他可以选择的位置只有S_1,S_{i+1},S_{i+2},\dotsc,S_n(n+1-i)个位置,此时依然有三种情况:

  1. 如果他坐在S_1,那么此后所有人都将按照原本的位置坐下
  2. 如果他坐在S_n,那么无论如何最后一个人都无法坐在原本的位置上
  3. 如果他坐在S_{i+1}\sim S_{n-1}

我们会发现此时,对于第i个人,他的选择所造成的结果与第一个人是完全相同的。只不过这次问题的规模由n变为了n+1-i。那么我们实际上可以等价的认为:当第i个人发现第1个人占据了他的位置后,他将第1个人赶走了,自己坐在S_i,然后让第1个人自己重新挑选。也就是说,我们将i个人看成了新的第1个人

这种等价思想所直接导致的后果是,可以认为第1个人就总在S_1,S_n这两个座位上随机挑选,与其他人无关,因为其他人都一定能坐在自己的位置上。因此,最终的结果是0.5

方法二

设事件A_k:当第k个人要入座时发现座位S_k已经被占据。此时只可能是被第1,2,\dotsc,k-1个人所占据。于是该事件的一个划分是A_k=\bigcup_{i=1}^{k-1}B_{i,k},其中B_{i,k}表示第i个人占据了第k个位置。于是令P_k=P(A_k),则有P_k=\sum_{i=1}^{k-1}P(B_{i,k})我们现在来考虑P(B_{i,k})。注意到i<k,因此如果第i个人要占据S_k,则有:

  1. 他入座时发现S_i已经被占据,这对应着事件A_i
  2. A_i发生的条件下,他会在剩下的n-i+1个座位中等可能随机挑选一个,而他挑选到了S_k

设事件C_{i,k}表示第i个人在剩下的位置中随机挑选到了S_k,显然有P(C_{i,k}|A_i)=\frac{1}{n-i+1}故而事件B_{i,k}的概率是一个条件概率:P(B_{i,k})=P(A_iC_{i,k})=P(A_i)P(C_{i,k}|A_i)=P_i\cdot\frac{1}{n-i+1}此外还需单独考虑到P(B_{1,k}),因为按照定义,P_1=0(第1个人要入座时都是空座位,因此不可能有人占据S_1),按照条件概率公式就会求出P(B_{i,k})=0,但是这显然是不合理的,因为第一个人与其他人不同,他是可以任意挑选的,所以应该有P(B_{1,k})=\frac{1}{n}于是,对于k\geqslant2,有P_k=\frac{1}{n}+\sum_{i=2}^{k-1}P_i\cdot\frac{1}{n-i+1}我们接下来证明P_k=\frac{1}{n+2-k}\;(k\geqslant2),采用数学归纳法:

  1. k=2时,显然成立(注意如果求和符号的上标小于下标则认为没有求和)
  2. 假设k=t时成立,即P_t=\frac{1}{n}+\sum_{i=2}^{t-1}P_i\cdot\frac{1}{n-i+1}=\frac{1}{n+2-t}
  3. 则对于k=t+1,有\begin{split} P_{t+1}&=\frac{1}{n}+\sum_{i=2}^{t}P_i\cdot\frac{1}{n-i+1}\\ &=\left(\frac{1}{n}+\sum_{i=2}^{t-1}P_i\cdot\frac{1}{n-i+1}\right)+P_{t}\cdot\frac{1}{ n+1-t }\\ &=P_t+P_{t}\cdot\frac{1}{ n+1-t }=P_t\cdot\frac{ n+2-t }{ n+1-t }\\ &=\frac{1}{n+2-t}\cdot\frac{ n+2-t }{ n+1-t }\\ &=\frac{1}{n+1-t}=\frac{1}{n+2-(t+1)} \end{split}于是也成立

现在,我们已知第n个人入座时,他的原本的座位被人占据的概率是P_n=\frac{1}{n}+\sum_{i=2}^{n-1}P_i\cdot\frac{1}{n-i+1}=\frac{1}{n+2-n}=\frac{1}{2}从而他能够坐在原本的位置的概率\bar{P_n}\bar{ P_ n }=1-P_n=1-\frac{1}{2}=\frac{1}{2}

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