问题
设个人(
)准备依次坐
个位置,假定第
个人原本的位置是第
个位置。现在,第一个人等可能地从
个位置中随机挑选一个坐,此后的所有人将:
- 如果他原本的位置是空的,那么他将做到他原本的位置
- 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,即第个人,恰好坐在第
个位置的概率有多大。
解决
方法一
我们将位置编号,并设第个位置为
。对于第
个人而言,他的选择有三种情况:
- 坐在
- 坐在
- 坐在
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,那么对于第
这
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
个人,因为
已经被第一个人占据,他可以选择的位置只有
这
个位置,此时依然有三种情况:
- 如果他坐在
,那么此后所有人都将按照原本的位置坐下
- 如果他坐在
,那么无论如何最后一个人都无法坐在原本的位置上
- 如果他坐在
我们会发现此时,对于第个人,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
变为了
。那么我们实际上可以等价的认为:当第
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
,然后让第1个人自己重新挑选。也就是说,我们将第
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
。
方法二
设事件:当第
个人要入座时发现座位
已经被占据。此时只可能是被第
个人所占据。于是该事件的一个划分是
,其中
表示第
个人占据了第
个位置。于是令
,则有
我们现在来考虑
。注意到
,因此如果第
个人要占据
,则有:
- 他入座时发现
已经被占据,这对应着事件
- 在
发生的条件下,他会在剩下的
个座位中等可能随机挑选一个,而他挑选到了
。
设事件表示第
个人在剩下的位置中随机挑选到了
,显然有
故而事件
的概率是一个条件概率:
此外还需单独考虑到
,因为按照定义,
(第1个人要入座时都是空座位,因此不可能有人占据
),按照条件概率公式就会求出
,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
于是,对于
,有
我们接下来证明
,采用数学归纳法:
- 当
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)
- 假设
时成立,即
- 则对于
,有
于是也成立
现在,我们已知第个人入座时,他的原本的座位被人占据的概率是
从而他能够坐在原本的位置的概率
是
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