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抛硬币


理想化的硬币是由零厚度的圆形盘组成,当抛向空中并使其落下时,将以相等的概率正面朝上(“正面”H或“反面”T)或反面朝上。因此,硬币是双面骰子。尽管实际硬币的两面略有差异且厚度非零,但它们的抛掷分布很好地近似于p=1/2 伯努利分布

令人惊讶的是,旋转一美分硬币而不是抛掷它,正面朝上的时间仅约占 30% (Paulos 1995)。

Diaconis 等人 (2007) 提出,抛掷硬币会引入轻微的摆动,导致硬币在空中(落地前)花费更多时间,初始朝上的面朝上。 因此,引入了“同侧偏差”,使得硬币更可能在落地后初始朝上的那一面朝上。 Diaconis 等人 (2007) 基于“适量”的经验观察,估计公平抛掷硬币的“同侧”概率为 51%(而不是精确的 50%)。 Bartoš 等人 (2013) 的实验证实了这一预测,他们收集了总共 350,757 次抛掷硬币的数据,发现初始朝上的面在落地时朝上的概率为 50.8%,95% 置信区间为 50.6%-50.9%。 数据还显示没有正面-反面偏差的迹象,在 350,757 次抛掷中获得了 175,420 次正面,正面概率为 50.0%,95% 置信区间为 49.8%-50.2% (Bartoš et al. 2013)。

抛硬币有一些相当违反直觉的特性。 例如,对于公平的抛硬币,三重序列 TTHTHT 之前出现的可能性是其之后的两倍,而 THHHHT 之前出现的可能性是其之后的三倍。 此外,HTT 成为 HTTTTHTTT 中第一个出现的序列的可能性是其他序列的六倍 (Honsberger 1979)。 还有一些由 HT 组成的字符串 S,它们具有以下属性:看到字符串 S_1 的预期等待时间 W(S_1) 小于看到 S_2 的预期等待时间 W(S_2),但是先看到 S_1 再看到 S_2 的概率小于 1/2 (Gardner 1988, Berlekamp et al. 2001)。 例子包括

1. THTHHTHH,其中 W(THTH)=20W(HTHH)=18,但 THTHHTHH 之前出现的概率为 9/14 (Gardner 1988, p. 64),

2. W(TTHH)=W(THHH)=16, W(HHH)=14,但 TTHHHHH 之前出现的概率为 7/12,THHHHHH 之前出现的概率为 7/8 (Penney 1969; Gardner 1988, p. 66)。

CoinTossingEdgeProbability

有限厚度硬币边缘着陆的概率已由 Hernández-Navarro 和 Piñero (2022) 计算得出为

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

其中

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

是由半径为 r 和厚度为 h 的圆柱体(构成硬币)的临界角。 值得注意的是,此表达式与恢复系数无关。 使用此公式计算出的美国硬币边缘着陆的几率总结在下表中。

硬币直径 (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

对两次或多次相同抛掷的游程的研究已经很成熟,但考虑到基础过程的简单性,详细的处理却出奇地复杂。 例如,在 n 次抛掷中不会出现两个连续反面的概率由 F_(n+2)/2^n 给出,其中 F_k斐波那契数。 类似地,在 k 次抛掷中不会出现 n 个连续反面的概率由 F_(n+2)^((k))/2^n 给出,其中 F_l^((k))斐波那契 k 步数

反复抛掷一枚均匀的硬币,记录正面和反面的序列,并考虑所需的抛掷次数,使得所有长度为 n 的正面和反面的可能序列都作为抛掷的子序列出现。 最少的抛掷次数是 2^n+n-1 (Havil 2003, p. 116),前几项为 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, ... 的不同最小抛掷序列的数量为 2, 4, 16, 256, ... (OEIS A001146),这似乎只是 2^(2^(n-1))

据推测,随着 n 变大,获得所有长度为 n 的子序列所需的平均抛掷次数为 2^n(gamma+nln2),其中 gamma欧拉-马歇罗尼常数 (Havil 2003, p. 116)。


另请参见

伯努利分布, 伯努利试验, 扑克牌, 硬币, 骰子, 赌徒破产, 马丁格尔, 游程, 圣彼得堡悖论

使用 探索

参考文献

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. 数学游戏的制胜之道,第 1 卷:加法游戏,第 2 版。 Wellesley, MA: A K Peters, p. 777, 2001.Diaconis, P.; Holmes, S.; and Montgomery, R. "抛硬币中的动力学偏差。" SIAM Review 49, 211-235, 2007.Ford, J. "抛硬币有多随机?" Physics Today 36, 40-47, 1983.Gardner, M. "非传递悖论。" 时间旅行和其他数学谜题。 New York: W. H. Freeman, pp. 64-66, 1988.Havil, J. 伽玛:探索欧拉常数。 Princeton, NJ: Princeton University Press, 2003.Hernández-Navarro, L. Piñero , J. "弹跳物体的精确面着陆概率:抛硬币和三面骰子问题中的边缘概率。" Phys. Rev. E 105, L022201-1-6, 2022.Honsberger, R. "概率中的一些惊喜。" R. Honsberger 编辑的数学李子 第 5 章。 Washington, DC: Math. Assoc. Amer., pp. 100-103, 1979.Keller, J. B. "正面的概率。" Amer. Math. Monthly 93, 191-197, 1986.Paulos, J. A. 数学家读报纸。 New York: BasicBooks, p. 75, 1995.Penney, W. "问题 95。潘尼游戏。" J. Recr. Math. 2, 241, 1969.Peterson, I. 真理之岛:数学神秘之旅。 New York: W. H. Freeman, pp. 238-239, 1990.Sloane, N. J. A. “整数序列在线百科全书”中的序列 A000225/M2655, A001146/M1297, A050227, and A052944Spencer, J. "抛硬币的组合学。" Coll. Math. J., 17, 407-412, 1986.United States Mint. "硬币规格。" https://www.usmint.gov/learn/coin-and-medal-programs/coin-specifications.Whittaker, E. T. and Robinson, G. "抛硬币的频率分布。" 观测演算:数值数学论著,第 4 版,第 90 节。 New York: Dover, pp. 176-177, 1967.

在 上引用

抛硬币

引用为

Weisstein, Eric W. "抛硬币。" 来自 Web 资源。 https://mathworld.net.cn/CoinTossing.html

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