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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 Wolfram|Alpha 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 Wolfram|Alpha 上引用

抛硬币

引用为

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

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