Магия математики: Как найти x и зачем это нужно - Артур Бенджамин 9 стр.

или примерно 20 % всех возможных комбинаций.

Логично спросить, сколько можно собрать вазочек с 3 шариками из 10 сортов, если можно повторяться (10³/6 – ответ неправильный, это ведь даже не целое число). Наиболее простой способ – рассмотреть 3 отдельных случая, взяв за отправную точку количество разных сортов в вазочке. Очевидно, что в случае с 3 шариками одного сорта получится 10 вазочек. Из сказанного выше понятно, что в случае с 3 шариками 3 сортов получится вазочек. А вазочек будут с 2 сортами мороженого, ведь 2 сорта мы можем выбрать способами. И лишь потом можно решать, какие 2 из 3 шариков будут именно этого сорта. Сложив все вместе, получим 10 + 120 + 90 = 220 вазочек.

Есть и другой способ прийти к этому ответу, не разбивая задачу. Каждую вазочку можно представить как комбинацию трех звездочек и девяти черточек. Если мы выбираем первый, второй и снова второй сорта, «перекодированная» вазочка будет выглядеть вот так:

Второй, снова второй и седьмой сорта – вот так:

А комбинация

будет означать, что наш выбор пал на сорта третий, пятый и десятый. То есть вазочка – это набор из 3 звездочек и 9 черточек. Всего получается 12 символов, 3 из которых обязательно должны быть звездочками. Следовательно, возможных комбинаций у нас будет Обобщая, можно сказать, что количество способов выбрать k объектов из множества n при произвольном порядке и с возможностью повторения равно количеству способов сочетания k звездочек и n – 1 черточек –

Подсчет сочетаний необходим в большинстве задач, в которых большую роль играет случайность. Представим себе лотерею, в которой вам нужно угадать 5 различных чисел от 1 до 47. Дополнительно вы выбираете еще одно, МЕГАчисло от 1 до 27 (можно выбирать любое, в том числе и одно из тех, которые уже встречались в пятерке). У нас есть 27 вариантов выбора дополнительного числа, и вариантов выбора основных 5 чисел. Таким образом, общее количество равно

Другими словами, ваш шанс выиграть главный приз в такой лотерее – примерно 1 из 40 миллионов.

Теперь давайте переключим внимание на покер. Комбинация в покере – это обычно 5 карт из 52, составляющих колоду. Все они разные, выбраны случайно, порядок их значения не имеет. Следовательно, количество комбинаций равняется

Комбинация из 5 карт одной и той же масти

называется флешем. Сколько всего может быть флешей? Чтобы посчитать, сначала выберем масть – 1 из 4 вариантов (давайте договоримся, что это будут пики). Сколько всего можно собрать комбинаций разных 5 карт этой масти? В колоде 13 пиковых карт. Значит, флешей всего

и наши шансы получить один из них составляют 5148/2 598 960, то есть примерно 1 к 500. Любители покера теперь могут вычесть из 5 148 4 × 10 = 40, чтобы узнать, какова вероятность, что собрать стрит-флеш – такой флеш, в котором карты одной масти идут подряд по старшинству.

При простом стрите масти в расчет не принимаются, главное – последовательный набор карт: Т-2-3-4-5 или 2-3-4-5-6, или…, или 10-В-Д-К-Т. Вот так, например:

Стрит может сложиться из 10 разных комбинаций (ценность которых определяется «ценностью» младшей карты). Определив ту из них, которая нужна нам (пусть будет 3-4-5-6-7), мы выбираем одну из 4 мастей, которой должны быть все карты. Следовательно, количество комбинаций стрита равняется

то есть почти в 2 раза выше, чем у флеша. А шанс его получить – 1 к 250. Именно поэтому флеш в покере ценится больше: его куда сложнее собрать.

Еще более ценен фул-хаус – 3 карты одного достоинства плюс 2 карты другого. Что-то вроде этого[9]:

Чтобы подсчитать свои шансы на фул-хаус, нам сперва нужно выбрать необходимое нам достоинство, которое попадется нам трижды (13 вариантов), потом – то, которое попадется дважды (12 вариантов). Допустим, нам нужны 3 дамы и 2 семерки. Определимся с мастями. Получить нужных нам дам можно способами, семерки – способами. Общее количество фул-хаусов, таким образом, равняется

Следовательно, вероятность его собрать – 3744/2 598 960 или 1 к 700.

От фул-хаусов перейдем к двум парам. Здесь нам нужны две карты одного достоинства, еще две – другого, и последняя – третьего, например

Пытаясь посчитать количество возможных пар, многие ошибочно начинают с 13 × 12, как в случае с фул-хаусами. Но теперь нам нужно немного другое, ведь здесь вероятность получить две семерки после двух дам – это абсолютно то же, что и получить двух дам после двух семерок. Поэтому правильно будет начать с (имея в виду и семерки, и дам), потом выбрать новое достоинство для непарной карты (пусть это будет пятерка), затем выбрать масти. Количество комбинаций с двумя парами –

Появляются они в 5 % случаев.

Подробнее на всех вариантах раздач мы останавливаться не будем, но я попрошу вас взглянуть на следующие подсчеты и проверить, насколько они верны. Комбинаций с каре-[10], вроде может быть

с тройкой-[11], например, –

с одной парой – скажем, –

всего – 42 % всех возможных комбинаций.

А сколько же может быть «пустых» комбинаций – без пар, без стритов и без флешей? Можете, конечно, сложить все числа, которые мы получили до этого и вычесть сумму из но я облегчу вам жизнь и просто дам ответ:

Первая часть – это количество комбинаций 5 карт разного достоинства за вычетом 10 последовательных (вроде 3-4-5-6-7). Следующая часть охватывает вероятные «расклады» этих 5 карт разного достоинства; для каждого достоинства у нас есть 4 варианта, но при этом мы должны исключить возможность того, что все они встретятся в одном «раскладе». Все это значит, что наши шансы собрать «пустую» комбинацию – 50,1 %. А еще это значит, что в 49,9 % случаев мы будем играть как минимум с одной парой.

А теперь вопрос, на который можно дать целых три прелюбопытных ответа, причем правильными из них будут сразу два! Сколько существует комбинаций, в которых есть как минимум один туз? Уверен, вас так и подмывает ответить что, само собой, неправильно. Вы же исходите (и напрасно) из того, что сначала нужно выбрать туза (4 варианта), а потом собирать любые другие 4 карты из 51 оставшейся в колоде. Неправильно здесь то, что вы таким образом просчитываете некоторые комбинации (а именно – те, в которых больше одного туза) несколько раз. Например, комбинация будет посчитана дважды: сначала для Т♠ в качестве первой, основной карты, а затем так же для Правильный способ решить эту задачу – разбить ее на четыре задачи поменьше, в зависимости от того, сколько тузов будет в комбинации. Так, комбинаций именно с одним тузом будет (сначала выбираем туза, потом – остальные 4 карты другого достоинства). Затем отдельно же просчитываем комбинации с двумя, тремя и четырьмя тузами. В результате получаем

Но проще всего будет пойти от обратного. Сначала посчитаем количество комбинаций без туза (это легче легкого) – А количество комбинаций по крайней мере с одним тузом, таким образом, –

Я уже говорил чуть выше, что «цена» комбинаций в покере зависит от частоты их появлений: чем реже комбинация, тем она «ценнее». То есть если шансов собрать одну пару больше, чем сразу две, одна пара ценится куда меньше двух. Вот «стоимость» всех комбинаций, от меньшей к большей:

Пара

Две пары

Тройка

Стрит

Флеш

Фул-хаус

Каре (или «четверка»)

Стрит-флеш

На этот случай есть эффективная «запоминалка»: «Раз, два, три, стрит, флеш; два-три, четыре, стрит-флеш» (где «два-три» – это фул-хаус).

А теперь предположим, что в колоде появились джокеры. Всего карт у нас становится 54, причем джокеры (всего их два) могут «превращаться» в карту любой масти и любого достоинства – в зависимости от того, что вам нужно для наилучшей комбинации. То есть если у вас на руках и джокер, разумнее всего будет посчитать его тузом, чтобы получилась тузовая тройка. Можно «превратить» джокера и в короля, конечно, но тогда у вас будет две пары, что хуже, чем тройка[12].

Но проще всего будет пойти от обратного. Сначала посчитаем количество комбинаций без туза (это легче легкого) – А количество комбинаций по крайней мере с одним тузом, таким образом, –

Я уже говорил чуть выше, что «цена» комбинаций в покере зависит от частоты их появлений: чем реже комбинация, тем она «ценнее». То есть если шансов собрать одну пару больше, чем сразу две, одна пара ценится куда меньше двух. Вот «стоимость» всех комбинаций, от меньшей к большей:

Пара

Две пары

Тройка

Стрит

Флеш

Фул-хаус

Каре (или «четверка»)

Стрит-флеш

На этот случай есть эффективная «запоминалка»: «Раз, два, три, стрит, флеш; два-три, четыре, стрит-флеш» (где «два-три» – это фул-хаус).

А теперь предположим, что в колоде появились джокеры. Всего карт у нас становится 54, причем джокеры (всего их два) могут «превращаться» в карту любой масти и любого достоинства – в зависимости от того, что вам нужно для наилучшей комбинации. То есть если у вас на руках и джокер, разумнее всего будет посчитать его тузом, чтобы получилась тузовая тройка. Можно «превратить» джокера и в короля, конечно, но тогда у вас будет две пары, что хуже, чем тройка[12].

Но здесь-то и начинается самое интересное. Следуя традиционному порядку карт, мы можем посчитать эту комбинацию и как тройку, и как две пары, а можем – только как тройку, исключив ее из числа двух пар. Последнее выглядит наиболее разумно, но ведь это значит, что общее количество комбинаций с тройками значительно увеличивается, а с двумя парами – уменьшается, что превращает последние в более редкие. Мы, конечно, можем сказать, что теперь две пары имеют бóльшую ценность, но проблему этим не решишь: она всего лишь «перевернется вверх ногами», ведь количество двух пар увеличится, а количество троек – уменьшится. Из этого всего следует странный на первый взгляд вывод, сделанный математиком Стивом Гэдбойсом в 1996 году: при игре в покер с джокерами невозможно ранжировать «ценность» комбинаций по частоте их появления.

Закономерности треугольника Паскаля

Вот вам во всей его красе треугольник Паскаля:

Треугольники уже знакомы нам по главе 1, так что мы хорошо знаем, насколько интересные закономерности могут появляться из организованных таким образом чисел. Еще более интересные (и куда более красивые) закономерности получатся в треугольнике чисел о которых мы только что узнали. Такой треугольник называется Паскалевым – тот, который изображен чуть выше. У нас есть формула Давайте превратим все ее символы в числа и поищем закономерности (см. изображение треугольника чуть ниже). Большинство из них будут подробно описаны в этой главе, но, если объяснения вдруг покажутся вам скучными, можете смело их пропускать и просто наслаждайтесь стройной красотой самих закономерностей.

Верхний (или нулевой) ряд представлен одним-единственным значением – (не забывайте: 0! = 1). Каждый ряд начинается с единицы и ею же заканчиваются, потому что

Взгляните на пятый ряд:

Обратите внимание, что второе число в нем – 5, да и в принципе вторым числом ряда n будет n. Это все из-за за того, что количество способов выбрать один объект из множества n равно n. Также стоит обратить внимание, что каждый ряд

геометрически симметричен: чисел до центральной оси столько же, сколько и после нее. В том же самом 5 ряду мы видим

В целом же закономерность говорит о том, что

У таких симметричных отношений есть два объяснения. Первое – алгебраическое – с помощью формулы

Но так ли уж сильно она нам тут нужна? Почему, например, Число обозначает количество вариантов выбора 3 сортов мороженого из десяти (в вазочке, не в рожке). Но ведь это то же самое, что считать варианты выбора тех 7 сортов, которые мы не купим.

Следующая закономерность, которую легко заметить, заключается в том, что во всех, кроме 1-го, рядах каждое число есть, по сути, сумма двух других – тех, которые находятся прямо над ним. Посмотрите, например, на 9 и 10 ряды треугольника. Потрясающе, правда? Называются эти отношения правилом Паскаля.

Почему так происходит? Когда мы смотрим на равенство 120 = 36 + 84, мы, по сути, видим

Чтобы в этом разобраться, давайте попробуем ответить на один вопрос. Если имеется 10 сортов мороженого, сколько вазочек можно собрать из 3 шариков разных сортов (порядок шариков при этом не важен)? С одной стороны, мы уже посчитали это количество как Но есть и другой способ. Допустим, один из предлагаемых нам сортов мороженого – ванильное. Сколько вазочек у нас получится без него? Ответ – потому что тогда мы будем выбирать свои 3 сорта из 9 оставшихся. А сколько вазочек получится с ним? Конечно же, ведь нам останется выбрать только 2 сорта из 9 оставшихся. Получается, что общее количество вазочек будет равно Какой из этих ответов верен? И в том и в другом случае мы следовали абсолютно верной логике, поэтому и в том и в другом случае мы дали абсолютно верный ответ и получили абсолютно одинаковые результаты. Та же логика (или та же алгебра, если хотите) приводит нас к идее, что для каждого значения k от 0 до n

А теперь давайте посмотрим, что будет, если мы сложим все числа каждого ряда Паскалева треугольника (см. ниже).

Закономерность предполагает, что сумма всегда будет представлять собой степень двойки. Алгебраически: сумма чисел ряда n будет равна 2n. Как так получается? Эту закономерность можно описать и по-другому: сумма чисел (числа) 1-го ряда равняется 1 и затем удваивается от ряда к ряду. Объяснением этому служит правило Паскаля, природу которого мы только что объяснили, а обоснованность – доказали. Например, когда мы складываем между собой числа 5-го ряда и трансформируем их в зависимости от их связи с 4-м рядом, получается

то есть буквально удвоенная сумма чисел 4-го ряда. То же продолжается и дальше, вниз от вершины треугольника и до бесконечности.

С точки зрения биноминальных коэффициентов правило утверждает, что сумма чисел ряда n выглядит так:

что несколько неожиданно, поскольку отдельные значения соответствуют факториалам и являются делимыми самых разных чисел. И все же общая сумма основана на 2 и простом множителе.

Еще один способ объяснить эту закономерность – подсчет, а именно – комбинаторное доказательство. Чтобы объяснить сумму чисел 5 ряда (который ничем принципиально не отличается от ряда n), давайте вернемся к прилавку с мороженым, где на этот раз осталось всего лишь 5 сортов. Сколькими способами мы можем заполнить нашу вазочку? Единственное ограничение – сорта не должны повторяться. Мы можем взять 0, 1, 2, 3, 4 или 5 разных сортов, а порядок шариков не важен. Сколько получится вазочек с 2 шариками? Как мы уже знаем, посчитать их можно как Всего же, в зависимости

от количества шариков в вазочке и руководствуясь правилом суммы, получаем

вариантов, что можно упростить до 1 + 5 + 10 + 10 + 5 + 1. С другой стороны, мы можем ответить на тот же вопрос, использовав правило произведения. Вместо того чтобы торопиться подсчитывать, сколько всего шариков может оказаться в вазочке, мы можем взять каждый из предлагаемых сортов и решить, покупать его или нет. Например, у нас есть 2 варианта выбора для шоколадного мороженого (берем или нет), 2 – для ванильного (берем или нет) и т. д. для всех 5 сортов (имейте в виду, что, решив не брать ни один из сортов, мы останемся с пустой вазочкой, что условия нашей задачи вполне допускают). Значит, возможных комбинаций будет

А раз в обоих случаях мы шли верным путем,

чего и следовало ожидать.

Тот же комбинаторный принцип доказывает, что, если посчитать сумму каждого второго числа в ряду n, у нас получится 2n–1. В этом нет ничего удивительного, когда мы берем нечетные ряды, вроде пятого, где числа, которые мы складываем (1 + 10 + 5), совпадают с теми, которые мы пропускаем (5 + 10 + 1). Поэтому-то у нас и получается ровно половина от 2n. Но ведь это работает и в четных рядах. Например, в четвертом: 1 + 6 + 1 = 4 + 4 = 2³. Обобщая, мы можем утверждать, что в любом ряду n ≥ 1