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甲、乙两人用一副卡牌玩"抢宝藏"游戏, 卡牌包含若干对图案相同的普通牌和一张不能成对的宝藏牌, 在分配完卡牌, 双方丢弃手中所有已经成对的普通牌后, 恰好甲手中有 n(n∈N∗) 张没有成对的普通牌, 乙手中有 n 张没有成对的普通牌和 1 张宝藏牌, 现按以下规则游戏:

    1. 甲乙轮流抽对方一张牌,甲先抽 (甲乙抽对方牌均计入抽牌次数);
    1. 若抽取的牌是宝藏牌则将其保留在手中, 否则将手中与之成对的一张牌一并丢弃;
    1. 直到有人手中没有牌时游戏结束, 手中只剩宝藏牌的玩家获胜;
  1. 若 n=5, 经过三次抽牌后, 求宝藏牌在甲手中的概率;
  2. 设游戏开始时甲手中有 n 张牌,游戏结束时乙获胜的概率为 pn, 由全概率公式得 p1=12+12(1−p1), 即 p1=23. 类似地, 求 p3,p5;
  3. 记 Xn 为这次游戏结束需要抽牌的次数, 期望为 E(Xn), 求证: E(Xn)<n+12ln⁡n2+54.(n∈N,n≥3)
解答

  1. 解 - 如果宝藏牌每次都发生了流转, 概率为 (16)3;

    • 如果宝藏牌只在第一次流转, 概率为 16⋅56⋅1;
    • 如果宝藏牌只在第三次流转, 概率为 56⋅1⋅14;

    因此, 概率是 1216+536+524=1954.

  2. 解 先求 p3. 如果第一回合甲抽中了宝藏牌, 则乙赢的概率就是甲输的概率 1−p3. 如果甲抽中了普通牌, 则拉扯一回合后转化为 n=1 的情形, 从而 p3=14(1−p3)+34p1⇒p3=35. 类似地, p5=16(1−p5)+56p3⇒p5=47.

  3. 证明 我们要模仿 2 找到类似的递推关系. 如果第一回合甲抽中了宝藏牌, 则问题完全划归为一个新的 n 情形问题, 此时总次数的期望变为 1+EXn; 否则, 甲摸中了普通牌. 此时需要讨论, 如果 n=1, 游戏结束; 如果 n=2, 乙下一次必摸一张普通牌从而游戏结束; 如果 n≥3, 拉扯一回合后变为 n−2 的情形, 期望为 2+EXn−2. 综上, {EXn=1n+1(EXn+1)+nn+1(EXn−2+2),n≥3,EX1=12(EX1+1)+12⋅1,EX2=13(EX2+1)+23⋅2, 从而 EXn=EXn−2+2+1n,n≥3;E1=2,E2=52. 看来我们要分奇偶讨论.

    • 当 n=2k, k≥2, 累加得 EX2k=EX2+∑i=2k(2+12i)=52+2(k−1)+12∑i=2k1i. 普通地注意到 ln⁡ii−1>1−i−1i=1i, 所以 EX2k<2k+12+12∑i=2kln⁡ii−1=n+12+12ln⁡n2<n+54+12ln⁡n2.
    • 当 n=2k−1, k≥3, 惊人地注意到 12ln⁡i+12i−12>12(1−i−12i+12)=12i+1, 所以 EX2k−1=EX1+∑i=2k(2+12i−1)=2k+13+∑i=2k−112i+1<2k+13+12∑i=2k−1ln⁡i+12i−12=n+43+12ln⁡n2−12ln⁡32, 所以只要证明 43−12ln⁡32<54, 即 16<ln⁡32. 而 ln⁡32>1−23>16, 所以得证.
    • 当 n=3, 直接代入后, 就是上一情形最后的 ln⁡32>16.

    这样我们完成了 n≥3 所有情况的证明.

这里我们疯狂使用了 ln⁡x≥1−1x 这一不等式. 对于 ∑i=1n1i 和 ln⁡n 这种形式的放缩, 常见的想法就是放缩成类似 ln⁡i+1i 的样子从而可以消去所有的中间项. 对于奇数的情况, 可以考虑换为 ln⁡i+12i−12 来凑出最后的 ln⁡n. 但是这里稍微有点放过了, 因此拿一项出来调整一下即可.