主題
Search

拋硬幣


理想化的硬幣是由零厚度的圓形盤組成,當拋向空中並使其落下時,將以相等的機率正面朝上(“正面”H或“反面”T)或反面朝上。因此,硬幣是雙面骰子。儘管實際硬幣的兩面略有差異且厚度非零,但它們的拋擲分佈很好地近似於p=1/2 伯努利分佈

令人驚訝的是,旋轉一美分硬幣而不是拋擲它,正面朝上的時間僅約佔 30% (Paulos 1995)。

Diaconis 等人 (2007) 提出,拋擲硬幣會引入輕微的擺動,導致硬幣在空中(落地前)花費更多時間,初始朝上的面朝上。 因此,引入了“同側偏差”,使得硬幣更可能在落地後初始朝上的那一面朝上。 Diaconis 等人 (2007) 基於“適量”的經驗觀察,估計公平拋擲硬幣的“同側”機率為 51%(而不是精確的 50%)。 Bartoš 等人 (2013) 的實驗證實了這一預測,他們收集了總共 350,757 次拋擲硬幣的資料,發現初始朝上的面在落地時朝上的機率為 50.8%,95% 置信區間為 50.6%-50.9%。 資料還顯示沒有正面-反面偏差的跡象,在 350,757 次拋擲中獲得了 175,420 次正面,正面機率為 50.0%,95% 置信區間為 49.8%-50.2% (Bartoš et al. 2013)。

拋硬幣有一些相當違反直覺的特性。 例如,對於公平的拋硬幣,三重序列 TTHTHT 之前出現的可能性是其之後的兩倍,而 THHHHT 之前出現的可能性是其之後的三倍。 此外,HTT 成為 HTTTTHTTT 中第一個出現的序列的可能性是其他序列的六倍 (Honsberger 1979)。 還有一些由 HT 組成的字串 S,它們具有以下屬性:看到字串 S_1 的預期等待時間 W(S_1) 小於看到 S_2 的預期等待時間 W(S_2),但是先看到 S_1 再看到 S_2 的機率小於 1/2 (Gardner 1988, Berlekamp et al. 2001)。 例子包括

1. THTHHTHH,其中 W(THTH)=20W(HTHH)=18,但 THTHHTHH 之前出現的機率為 9/14 (Gardner 1988, p. 64),

2. W(TTHH)=W(THHH)=16, W(HHH)=14,但 TTHHHHH 之前出現的機率為 7/12,THHHHHH 之前出現的機率為 7/8 (Penney 1969; Gardner 1988, p. 66)。

CoinTossingEdgeProbability

有限厚度硬幣邊緣著陸的機率已由 Hernández-Navarro 和 Piñero (2022) 計算得出為

 P_c=(theta_c-sintheta_c)/(pi/2-(sintheta_c+costheta_c)),

其中

 theta_c=tan^(-1)(h/(2r))

是由半徑為 r 和厚度為 h 的圓柱體(構成硬幣)的臨界角。 值得注意的是,此表示式與恢復係數無關。 使用此公式計算出的美國硬幣邊緣著陸的機率總結在下表中。

硬幣直徑 (毫米)厚度 (毫米)P_c
一美分19.051.521/5900
五美分21.211.951/3800
一角17.911.351/7000
二十五美分24.261.751/8100

對兩次或多次相同拋擲的遊程的研究已經很成熟,但考慮到基礎過程的簡單性,詳細的處理卻出奇地複雜。 例如,在 n 次拋擲中不會出現兩個連續反面的機率由 F_(n+2)/2^n 給出,其中 F_k斐波那契數。 類似地,在 k 次拋擲中不會出現 n 個連續反面的機率由 F_(n+2)^((k))/2^n 給出,其中 F_l^((k))斐波那契 k 步數

反覆拋擲一枚均勻的硬幣,記錄正面和反面的序列,並考慮所需的拋擲次數,使得所有長度為 n 的正面和反面的可能序列都作為拋擲的子序列出現。 最少的拋擲次數是 2^n+n-1 (Havil 2003, p. 116),前幾項為 2, 5, 10, 19, 36, 69, 134, ... (OEIS A052944)。 n=1 的最小序列是 HT 和 TH,n=2 的最小序列是 HHTTH、HTTHH、THHTT 和 TTHHT。 n=1, 2, ... 的不同最小拋擲序列的數量為 2, 4, 16, 256, ... (OEIS A001146),這似乎只是 2^(2^(n-1))

據推測,隨著 n 變大,獲得所有長度為 n 的子序列所需的平均拋擲次數為 2^n(gamma+nln2),其中 gamma尤拉-馬歇羅尼常數 (Havil 2003, p. 116)。


另請參見

伯努利分佈, 伯努利試驗, 撲克牌, 硬幣, 骰子, 賭徒破產, 馬丁格爾, 遊程, 聖彼得堡悖論

使用 探索

參考文獻

Bartoš, F. et al. "Fair Coins Tend to Land on the Same Side They Started: Evidence From 350,757 Flips." 10 Oct 2023. https://arxiv.org/abs/2310.04153.Berlekamp, E. R.; Conway, J. H; and Guy, R. K. 數學遊戲的制勝之道,第 1 卷:加法遊戲,第 2 版。 Wellesley, MA: A K Peters, p. 777, 2001.Diaconis, P.; Holmes, S.; and Montgomery, R. "拋硬幣中的動力學偏差。" SIAM Review 49, 211-235, 2007.Ford, J. "拋硬幣有多隨機?" Physics Today 36, 40-47, 1983.Gardner, M. "非傳遞悖論。" 時間旅行和其他數學謎題。 New York: W. H. Freeman, pp. 64-66, 1988.Havil, J. 伽瑪:探索尤拉常數。 Princeton, NJ: Princeton University Press, 2003.Hernández-Navarro, L. Piñero , J. "彈跳物體的精確面著陸機率:拋硬幣和三面骰子問題中的邊緣機率。" Phys. Rev. E 105, L022201-1-6, 2022.Honsberger, R. "機率中的一些驚喜。" R. Honsberger 編輯的數學李子 第 5 章。 Washington, DC: Math. Assoc. Amer., pp. 100-103, 1979.Keller, J. B. "正面的機率。" Amer. Math. Monthly 93, 191-197, 1986.Paulos, J. A. 數學家讀報紙。 New York: BasicBooks, p. 75, 1995.Penney, W. "問題 95。潘尼遊戲。" J. Recr. Math. 2, 241, 1969.Peterson, I. 真理之島:數學神秘之旅。 New York: W. H. Freeman, pp. 238-239, 1990.Sloane, N. J. A. “整數序列線上百科全書”中的序列 A000225/M2655, A001146/M1297, A050227, and A052944Spencer, J. "拋硬幣的組合學。" Coll. Math. J., 17, 407-412, 1986.United States Mint. "硬幣規格。" https://www.usmint.gov/learn/coin-and-medal-programs/coin-specifications.Whittaker, E. T. and Robinson, G. "拋硬幣的頻率分佈。" 觀測演算:數值數學論著,第 4 版,第 90 節。 New York: Dover, pp. 176-177, 1967.

在 上引用

拋硬幣

引用為

Weisstein, Eric W. "拋硬幣。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/CoinTossing.html

主題分類