赌徒破产问题

1. 概述

比特币白皮书中使用了该理论去证明作恶者的攻击难度,但是阅读白皮书的过程中对相应的概率存有疑问,因此又阅读了一些赌徒破产问题的文章,对相应过程做了推导。

2. 问题和求解

2.1. 问题描述

一个赌徒有h枚金币,每次有概率a赢得一枚金币或者概率b输掉一枚金币,直到其所有的金币总数达到N或者0,则游戏结束,求赌徒最终赢得N枚金币的概率P(N|h)。

2.2. 问题求解

我们很容易确定P(N|N) = 1、P(N|0) = 0。同时有以下状态转移公式:
P(N|h) = a*P(N|h+1) + b*P(N|h-1)
根据 a+b = 1 可得:
aP(N|h) + bP(N|h) = aP(N|h+1) + bP(N|h-1)\\ aP(N|h+1) - aP(N|h) = bP(N|h) - bP(N|h-1)\\ P(N|h+1) - P(N|h) = \frac{b}{a}[P(N|h) - P(N|h-1)]
从而,我们继续推导可得:
P(N|h) - P(N|h-1) = \frac{b}{a}[P(N|h-1) - P(N|h-2)] \\ P(N|h-1) - P(N|h-2) = \frac{b}{a}[P(N|h-2) - P(N|h-3)] \\ . \\ . \\ . \\ P(N|3) - P(N|2) = \frac{b}{a}[P(N|2) - P(N|1)] \\ P(N|2) - P(N|1) = \frac{b}{a}[P(N|1) - P(N|0)] \\
由以上公式,以及P(N|0) = 0,可得:
P(N|h) - P(N|h-1) = (\frac{b}{a})^{h-1}P(N|1) \\ P(N|h-1) - P(N|h-2) = (\frac{b}{a})^{h-2}P(N|1) \\ .\\ .\\ .\\ p(N|3) - P(N|2) = (\frac{b}{a})^{2}P(N|1) \\ p(N|2) - P(N|1) = \frac{b}{a}P(N|1)
将上述式子左右相加可得到:
P(N|h) = P(N|1)[1 + \frac{b}{a} + (\frac{b}{a})^{2} + ... + (\frac{b}{a})^{h-2} + (\frac{b}{a})^{h-1}] \\ P(N|h) = \begin{cases} \frac{1 - (\frac{b}{a})^{h}}{1 - \frac{b}{a}}P(N|1) \quad 如果 \frac{b}{a} \neq 1 \\ hP(N|1) \quad 如果 \frac{b}{a} = 1 \\ \end{cases}
由P(N|N) = 1,可得:
P(N|1) = \begin{cases} \frac{1 - \frac{b}{a}}{1 - (\frac{b}{a})^{N}} \quad 如果 \frac{b}{a} \neq 1 \\ \frac{1}{N} \quad 如果 \frac{b}{a} = 1 \\ \end{cases}
所以得:
P(N|h) = \begin{cases} \frac{1 - (\frac{b}{a})^{h}}{1 - (\frac{b}{a})^{N}} \quad 如果 \frac{b}{a} \neq 1 \\ \frac{h}{N} \quad 如果 \frac{b}{a} = 1 \\ \end{cases}
当N趋于无穷大时,如果a>b,有(\frac{b}{a})^N\rightarrow0\frac{1}{N}\rightarrow0,如果如果a\leq b,那么有P(N|h) = 0,综合可得:
P(N|h) = \begin{cases} 1 - (\frac{b}{a})^{h} \quad 如果 a > b \\ 0 \quad 如果 a \leq b \\ \end{cases}

所以:

  • 当 a <= b 时,赌徒是无法赢得目标筹码数目的
  • 当 a > b 时,a 相同时,赢钱目标越大,赌徒赢取的概率越大

但实际情况是,庄家的筹码往往多余赌徒,并且赌场上玩法一般是不公平的,所以一般都是a<b,从而赌徒赢钱就是一个美梦了。

从而,我们也可以得到,赌徒输了的概率为 1 - P(N|h),所以,赌徒输了的概率为:
P(N|h) = \begin{cases} (\frac{b}{a})^{h} \quad 如果 a > b \\ 1 \quad 如果 a \leq b \\ \end{cases}

本文参考文章:
https://www.jianshu.com/p/7df33ae5fb56https://blog.csdn.net/solotzg/article/details/48655355https://www.mathpages.com/home/kmath084/kmath084.htm

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