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小學(xué)數(shù)學(xué)故事:海盜分金問(wèn)題

來(lái)源:奧數(shù)網(wǎng) 2017-08-14 09:55:15

      小學(xué)數(shù)學(xué)故事:海盜分金問(wèn)題

  海盜,大家聽(tīng)說(shuō)過(guò)吧。這是一幫亡命之徒,在海上搶人錢財(cái),奪人性命,干的是刀頭上舔血的營(yíng)生。在我們的印象中,他們一般都瞎一只眼,用條黑布或者講究點(diǎn)的用個(gè)黑皮眼罩把壞眼遮上。他們還有在地下埋寶的好習(xí)慣,而且總要畫(huà)上一張藏寶圖,以方便后人掘取。不過(guò)大家是否知道,他們是世界上最民主的團(tuán)體。參加海盜的都是桀驁不馴的漢子,是不愿聽(tīng)人命令的,船上平時(shí)一切事都由投票解決。船長(zhǎng)的唯一特權(quán),是有自己的一套餐具--可是在他不用時(shí),其他海盜是可以借來(lái)用的。船上的唯一懲罰,就是被丟到海里去喂魚(yú)。

  現(xiàn)在船上有若干個(gè)海盜,要分搶來(lái)的若干枚金幣。自然,這樣的問(wèn)題他們是由投票來(lái)解決的。投票的規(guī)則如下:先由最兇猛的海盜來(lái)提出分配方案,然后大家一人一票表決,如果有50%或以上的海盜同意這個(gè)方案,那么就以此方案分配,如果少于50%的海盜同意,那么這個(gè)提出方案的海盜就將被丟到海里去喂魚(yú),然后由剩下的海盜中最兇猛的那個(gè)海盜提出方案,依此類推。

  我們先要對(duì)海盜們作一些假設(shè)。

  1)每個(gè)海盜的兇猛性都不同,而且所有海盜都知道別人的兇猛性,也就是說(shuō),每個(gè)海盜都知道自己和別人在這個(gè)提出方案的序列中的位置。另外,每個(gè)海盜的數(shù)學(xué)和邏輯都很好,而且很理智。最后,海盜間私底下的交易是不存在的,因?yàn)楹1I除了自己誰(shuí)都不相信。

  2)一枚金幣是不能被分割的,不可以你半枚我半枚。

  3)每個(gè)海盜當(dāng)然不愿意自己被丟到海里去喂魚(yú),這是最重要的。

  4)每個(gè)海盜當(dāng)然希望自己能得到盡可能多的金幣。

  5)每個(gè)海盜都是現(xiàn)實(shí)主義者,如果在一個(gè)方案中他得到了1枚金幣,而下一個(gè)方案中,他有兩種可能,一種得到許多金幣,一種得不到金幣,他會(huì)同意目前這個(gè)方案,而不會(huì)有僥幸心理。總而言之,他們相信二鳥(niǎo)在林,不如一鳥(niǎo)在手。

  6)最后,每個(gè)海盜都很喜歡其他海盜被丟到海里去喂魚(yú)。在不損害自己利益的前提下,他會(huì)盡可能投票讓自己的同伴喂魚(yú)。

  現(xiàn)在,如果有10個(gè)海盜要分100枚金幣,將會(huì)怎樣?

  要解決這類問(wèn)題,我們總是從最后的情形向后推,這樣我們就知道在最后這一步中什么是好的和壞的決定。然后運(yùn)用這個(gè)知識(shí),我們就可以得到最后第二步應(yīng)該作怎樣的決定,等等等等。要是直接就從開(kāi)始入手解決問(wèn)題,我們就很容易被這樣的問(wèn)題擋住去路:"要是我作這樣的決定,下面一個(gè)海盜會(huì)怎么做?"

  以這個(gè)思路,先考慮只有2個(gè)海盜的情況(所有其他的海盜都已經(jīng)被丟到海里去喂魚(yú)了)。記他們?yōu)镻1和P2,其中P2比較兇猛。P2的最佳方案當(dāng)然是:他自己得100枚金幣,P1得0枚。投票時(shí)他自己的一票就足夠50%了。

  往前推一步,F(xiàn)在加一個(gè)更兇猛的海盜P3。P1知道--P3知道他知道--如果P3的方案被否決了,游戲就會(huì)只由P1和P2來(lái)繼續(xù),而P1就一枚金幣也得不到。所以P3知道,只要給P1一點(diǎn)點(diǎn)甜頭,P1就會(huì)同意他的方案(當(dāng)然,如果不給P1一點(diǎn)甜頭,反正什么也得不到,P1寧可投票讓P3去喂魚(yú))。所以P3的最佳方案是:P1得1枚,P2什么也得不到,P3得99枚。

  P4的情況差不多。他只要得兩票就可以了,給P2一枚金幣就可以讓他投票贊同這個(gè)方案,因?yàn)樵诮酉聛?lái)P3的方案中P2什么也得不到。P5也是相同的推理方法只不過(guò)他要說(shuō)服他的兩個(gè)同伴,于是他給每一個(gè)在P4方案中什么也得不到的P1和P3一枚金幣,自己留下98枚。

  依此類推,P10的最佳方案是:他自己得96枚,給每一個(gè)在P9方案中什么也得不到的P2,P4,P6和P8一枚金幣。

  下面是以上推理的一個(gè)表(Y表示同意,N表示反對(duì)):

  P1P2

  0100

  NY

  P1P2P3

  1099

  YNY

  P1P2P3P4

  01099

  NYNY

  P1P2P3P4P5

  101098

  YNYNY

  ……

  P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10

  01010101096

  NYNYNYNYNY

  現(xiàn)在我們將海盜分金問(wèn)題推廣:

  1)改變一下規(guī)則,投票中方案必須得到超過(guò)50%的票數(shù)(只得到50%票數(shù)的方案的提出者也會(huì)被丟到海里去喂魚(yú)),那么如何解決10個(gè)海盜分100枚金幣的問(wèn)題?

  2)不改變規(guī)則,如果讓500個(gè)海盜分100枚金幣,會(huì)發(fā)生什么?

  3)如果每個(gè)海盜都有1枚金幣的儲(chǔ)蓄,他可以把這枚金幣用在分配方案中,如果他被丟到海里去喂魚(yú),那么他的儲(chǔ)蓄將被并在要分配的金幣堆中,這時(shí)候又怎樣?

  通過(guò)對(duì)規(guī)則的細(xì)小改變,海盜分金問(wèn)題可以有許多變化,但是最有趣的大概是1)和2)(規(guī)則仍為50%票數(shù)即可)的情況,本帖只對(duì)這兩種情況進(jìn)行討論。

  首先考慮1),F(xiàn)在只有P1和P2的情形變得對(duì)P2其糟無(wú)比:1票是不夠的,可是就算他把100枚金幣都給P1,P1也照樣會(huì)把他丟到海里去。可是P2很關(guān)鍵,因?yàn)槿绻鸓3進(jìn)行分配方案的話,即使他一枚金幣也不給P2,P2也會(huì)同意,這樣一來(lái)P3就有P2這張鐵票!P3的最佳方案就是:獨(dú)吞100枚金幣。

  P4要3張票,而P3是一定反對(duì)他的,而如果不給P2一點(diǎn)甜頭,P2也會(huì)反對(duì),因?yàn)镻2可以在P3的方案中得救,目前為什么不把P4丟到海里呢?所以要分別給P1和P2一枚金幣,這樣P4就有包括他自己1票的3票。P4的方案為:P1,P2每人1枚金幣,他自己98枚。

  P5的情況要復(fù)雜點(diǎn),他也要3票。P4是會(huì)反對(duì)他的,所以不用給,給P3一枚金幣就能使他支持自己的方案,因?yàn)樵诮酉聛?lái)的P4方案中他什么也得不到。問(wèn)題是P1和P2:只要其中有一個(gè)支持就可以了?墒侵唤o1枚金幣是不行的,P4方案中他們一定有1枚金幣可得,所以只要在他們中隨便選一個(gè),給2枚金幣,另一個(gè)就對(duì)不起了,不給。這樣P5的方案是:自己97枚,P3得1枚,P1或P2得2枚。

  P6的方案建立在P5的上面,只要給每個(gè)P5方案中不得益的海盜1枚金幣。要注意的是,P1和P2都應(yīng)該看作在P5方案中不得益的:他們可能得2枚,可是也可能1枚不得,所以只要P6給他們1枚金幣,根據(jù)"二鳥(niǎo)在林,不如一鳥(niǎo)在手"的原則,就可以讓他們支持P6的方案。所以P6的方案是唯一的:P1,P2,P4每人1枚金幣,P6自己拿97枚。

  這樣繼續(xù)下去,P9的方案是:P3,P5,P7每人1枚金幣,然后在P1,P2,P4,P6中任選一人給2枚金幣,P9自己得95枚。最后,P10的方案是唯一的:P1,P2,P4,P6,P8每人1枚金幣,P10自己得95枚。

  2)是最有趣的(提醒:我們回到50%票即可的規(guī)則)。原題解中的推理過(guò)程直到200個(gè)海盜都是成立的:P200給每個(gè)偶數(shù)號(hào)的海盜1枚金幣,包括他自己,其他海盜什么也得不到。從P201開(kāi)始,繼續(xù)推理就變得有點(diǎn)困難了:P201為了不被丟到海里去,必須什么也不留給自己,而給從P1到P199中所有奇數(shù)號(hào)海盜每人1枚金幣,從而爭(zhēng)取到100票,加上他自己1票,逃過(guò)一劫。P202也什么都得不到,他必須用這100枚金幣買通100個(gè)從P201的方案中什么也得不到的海盜,要注意到現(xiàn)在這個(gè)方案不是唯一的:P201的方案中得不到金幣的海盜是所有奇數(shù)號(hào)的海盜,有101個(gè)(包括P201),所以有101種方案。

  P203必須得到102票,除了自己的1票外,他只有100枚金幣,所以只能買到100票,所以可憐的家伙就被丟到海里喂魚(yú)了。但是,P203是個(gè)很重要的角色,因?yàn)镻204知道如果自己的方案不被通過(guò),P203也一樣會(huì)完蛋,所以他有P203的一張鐵票。所以P204可以大出一口氣:他自己一票,加上P203一票,然后加上用100枚金幣買的確100票,他就得救了!100個(gè)有幸得到1枚金幣的海盜,可以是P1到P202中任何100個(gè):因?yàn)槠渲械呐紨?shù)號(hào)的從P202的方案中什么也得不到,如果P204給他們中某個(gè)海盜1枚金幣,這個(gè)海盜一定會(huì)贊同這個(gè)方案;而編號(hào)為奇數(shù)的海盜呢,只是有可能從P202的方案中得益罷了(可能性為100/101),所以根據(jù)"二鳥(niǎo)在林,不如一鳥(niǎo)在手"的原則,如果能得到1枚金幣,他也會(huì)贊同這個(gè)方案。

  接下去P205是不能把希望放在P203和P204這兩張票上的,因?yàn)榫退闼粊G到海里去,P203和P204還可以通過(guò)P204的方案機(jī)會(huì)活下來(lái)。P206雖然可以靠P205的鐵票,加上自己1票和100枚金幣搞到的100票,只有102票,所以他也被丟到海里喂魚(yú)。P207好不了多少,他需要104票,而他自己以及P205和P206的鐵票加上100枚金幣搞到的100票只有103票--只好下海。

  P208運(yùn)氣比較好,他同樣也要104票,可是P205,P206,P207都會(huì)投票贊成他的方案!加上他自己的1票和買來(lái)的100票,他終于逃脫了做魚(yú)食的命運(yùn)。

  這樣我們就有了一種可以一直推下去的新邏輯。海盜可以什么也不留給自己,買上100票,然后依靠一部分一定會(huì)被丟下海的海盜的鐵票,從而讓自己的方案通過(guò)。有這樣運(yùn)氣的海盜分別是P201,P202,P204,P208,P216,P232,P264,P328和P456……我們看到這樣的號(hào)碼是200加上一個(gè)2的次冪。

  哪些海盜是受益者呢,顯然鐵票是不用(不能)給金幣的。所以只有上一個(gè)幸運(yùn)號(hào)碼及他以前的那些海盜才有可能得到1枚金幣。于是我們得到500海盜分100枚金幣的結(jié)論是:前44個(gè)最兇猛的海盜被丟進(jìn)海里,然后P456給P1到P328中的100個(gè)海盜每人1枚金幣。

  就這樣,最兇猛的海盜被丟進(jìn)海里,而比較兇猛的什么也得不到,而只有最溫柔的那些海盜,才有可能得到1枚金幣。正如《馬太福音》所說(shuō):"溫柔的人有福了,因?yàn)樗麄儽爻惺艿赝粒?quot;

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