Парадокс Паррондо
Парадокс Паррондо , парадокс в теории игр , был описан так: комбинация проигрышных стратегий становится выигрышной стратегией . [ 1 ] Он назван в честь своего создателя Хуана Паррондо , открывшего парадокс в 1996 году. Более поясняющее описание таково:
- Существуют пары игр, каждая из которых имеет более высокую вероятность проигрыша, чем выигрыша, для которых можно построить выигрышную стратегию, играя в игры поочередно.
Паррондо придумал этот парадокс в связи со своим анализом броуновского храповика , мысленного эксперимента о машине, которая якобы может извлекать энергию из случайных тепловых движений, популяризированного физиком Ричардом Фейнманом . Однако парадокс исчезает при тщательном анализе. [ 2 ] Выигрышные стратегии, состоящие из различных комбинаций проигрышных стратегий, изучались в биологии до публикации парадокса Паррондо. [ 3 ]
Наглядные примеры
[ редактировать ]Простой пример
[ редактировать ]Рассмотрим две игры: Game A и Game B со следующими правилами:
- В игре А вы теряете 1 доллар каждый раз, когда играете.
- В игре B вы подсчитываете, сколько денег у вас осталось — если это четное число, вы выигрываете 3 доллара, в противном случае вы теряете 5 долларов.
Допустим, вы начинаете со 100 долларами в кармане. Если вы начнете играть исключительно в Игру А, вы, очевидно, потеряете все свои деньги за 100 раундов. Аналогично, если вы решите играть исключительно в Игру Б, вы также потеряете все свои деньги за 100 раундов.
Однако рассмотрите возможность играть в игры поочередно, начиная с игры Б, затем А, затем Б и так далее (БАБАБА...). Легко увидеть, что вы будете стабильно зарабатывать в общей сложности 2 доллара за каждые две игры.
Таким образом, хотя каждая игра является проигрышной, если играть в нее в одиночку, поскольку на результаты игры Б влияет игра А, последовательность, в которой проводятся игры, может повлиять на то, как часто игра Б приносит вам деньги, и, следовательно, результат будет другим. из случая, когда любая игра ведется сама по себе.
Пример пилообразного зуба
[ редактировать ]Рассмотрим пример, в котором есть две точки A и B , имеющие одинаковую высоту, как показано на рисунке 1. В первом случае мы имеем соединяющий их плоский профиль. Здесь, если мы оставим несколько круглых шариков в середине, которые случайным образом движутся взад и вперед, они будут катиться случайным образом, но в обоих концах с равной вероятностью. Теперь рассмотрим второй случай, когда между двумя точками имеется пилообразный профиль. Здесь также шарики будут катиться в обе стороны в зависимости от местного уклона. если мы наклоним весь профиль вправо, как показано на рисунке 2, станет совершенно ясно, что оба этих случая будут смещены в сторону B. Теперь ,
Теперь рассмотрим игру, в которой мы чередуем два профиля, разумно выбирая время между чередованием одного профиля на другой.
Когда мы оставляем несколько шариков на первом профиле в точке E , они распределяются по плоскости, демонстрируя преимущественное движение к B. точке Однако, если мы применим второй профиль, когда некоторые шарики пересекли точку C , но ни один не пересек точку D , мы в конечном итоге получим большинство шариков обратно в точку E (откуда мы начали изначально), но некоторые также в долине. к точке А, если у шариков будет достаточно времени, чтобы докатиться до долины. Затем мы снова применяем первый профиль и повторяем шаги (точки C , D и E теперь сдвинуты на один шаг, чтобы относиться к последней долине, ближайшей к A ). Если ни один шарик не пересекает точку C до того, как первый шарик пересечет точку D , мы должны применить второй профиль незадолго до того, как первый шарик пересечет точку D , чтобы начать все сначала.
что в конечном итоге у нас будут шарики в точке А , но не будет ни одного в точке Б. Отсюда легко следует , Следовательно, если мы определим наличие шариков в точке А как победу, а наличие шариков в точке Б как проигрыш, мы явно выиграем, чередуя (в правильно выбранное время) игру в две проигрышные игры.
Пример подбрасывания монеты
[ редактировать ]Третий пример парадокса Паррондо взят из области азартных игр. Рассмотрим две игры, игру А и игру Б, по следующим правилам. Для удобства определите быть нашей столицей в момент времени t , непосредственно перед тем, как мы сыграем в игру.
- Победа в игре приносит нам 1 доллар, а проигрыш требует от нас сдать 1 доллар. Отсюда следует, что если мы выиграем на шаге t и если мы проиграем на шаге t .
- В игре А мы подбрасываем монету с вероятностью выигрыша, Монету 1. , где — некоторая небольшая положительная константа. В долгосрочной перспективе это явно проигрышная игра.
- В игре B мы сначала определяем, кратен ли наш капитал некоторому целому числу. . Если да, то мы подбрасываем монету «Монета 2» с вероятностью выигрыша. . Если это не так, мы подбрасываем еще одну смещенную монету, монету 3, с вероятностью выигрыша. . Роль по модулю обеспечивает периодичность как в храповых зубьях.
Понятно, что, играя в игру А, мы почти наверняка проиграем в долгосрочной перспективе. Хармер и Эбботт [ 1 ] показать с помощью моделирования, что если и Игра Б также почти наверняка проигрышная. Фактически, игра B представляет собой цепь Маркова , и анализ ее матрицы переходов состояний (опять же с M=3) показывает, что устойчивая вероятность использования монеты 2 равна 0,3836, а вероятность использования монеты 3 — 0,6164. [ 4 ] Поскольку монета 2 выбирается почти в 40% случаев, она оказывает непропорционально большое влияние на выигрыш в игре B и приводит к тому, что игра оказывается проигрышной.
Однако, когда эти две проигрышные игры проводятся в некоторой чередующейся последовательности - например, две игры А, за которыми следуют две игры Б (ААББААББ...), комбинация двух игр, как это ни парадоксально, является выигрышной игрой. Не все чередующиеся последовательности A и B приводят к выигрышу в игре. Например, одна игра A, за которой следует одна игра B (ABABAB...), является проигрышной игрой, а одна игра A, за которой следуют две игры B (ABBABB...), является выигрышной игрой. Этот пример с подбрасыванием монеты стал канонической иллюстрацией парадокса Паррондо: две игры, обе проигрышные, если играть по отдельности, становятся выигрышными, если играть в определенной чередующейся последовательности.
Разрешение парадокса
[ редактировать ]Очевидный парадокс был объяснен с использованием ряда сложных подходов, включая цепи Маркова, [ 5 ] мигающие трещотки, [ 6 ] имитация отжига , [ 7 ] и теория информации. [ 8 ] Один из способов объяснить кажущийся парадокс заключается в следующем:
- В то время как игра B является проигрышной игрой при распределении вероятностей, которое приводит к модуль когда играется индивидуально( модуль это остаток, когда делится на ), это может быть выигрышная игра при других распределениях, поскольку существует хотя бы одно состояние, в котором ее ожидание положительное.
- Поскольку распределение результатов игры B зависит от капитала игрока, эти две игры не могут быть независимыми. Если бы это было так, игра в любой последовательности также привела бы к проигрышу.
Роль теперь выходит на первый план. Он служит исключительно для создания зависимости между играми А и Б, так что игрок с большей вероятностью войдет в состояния, в которых игра Б имеет положительное ожидание, что позволяет ему преодолеть потери от игры А. При таком понимании парадокс разрешается сам собой. : Отдельные игры проигрышны только при распределении, отличном от того, которое реально встречается при игре в составную игру. Подводя итог, можно сказать, что парадокс Паррондо является примером того, как зависимость может нанести ущерб вероятностным вычислениям, выполненным в рамках наивного предположения о независимости. Более подробное изложение этого вопроса, а также несколько связанных с ним примеров можно найти у Филипса и Фельдмана. [ 9 ]
Приложения
[ редактировать ]Парадокс Паррондо широко используется в теории игр и его применении в инженерии, демографической динамике, [ 3 ] финансовый риск и т. д. являются областями активных исследований. Игры Паррондо не имеют практической пользы, например, для инвестирования в фондовые рынки. [ 10 ] поскольку оригинальные игры требуют, чтобы выигрыш хотя бы в одной из взаимодействующих игр зависел от капитала игрока. Однако игры не должны ограничиваться своей первоначальной формой, и работа по обобщению этого явления продолжается. Сходство с накачкой волатильности и проблемой двух конвертов [ 11 ] были указаны. Простые модели доходности ценных бумаг из учебников финансов были использованы для доказательства того, что отдельные инвестиции с отрицательной медианной долгосрочной доходностью могут быть легко объединены в диверсифицированные портфели с положительной медианной долгосрочной доходностью. [ 12 ] Аналогичным образом, модель, которая часто используется для иллюстрации оптимальных правил ставок, использовалась для доказательства того, что разделение ставок между несколькими играми может превратить отрицательную медианную долгосрочную доходность в положительную. [ 13 ] В эволюционной биологии как случайные фазовые вариации бактерий [ 14 ] и эволюция менее точных датчиков [ 15 ] были смоделированы и объяснены в терминах парадокса. В экологии периодическое чередование некоторых организмов между кочевым и колониальным поведением было предложено как проявление парадокса. [ 16 ] Было интересное применение в моделировании многоклеточного выживания вследствие парадокса. [ 17 ] и некоторые интересные дискуссии о целесообразности этого. [ 18 ] [ 19 ] Приложения парадокса Паррондо можно найти и в теории надежности. [ 20 ]
Имя
[ редактировать ]В ранней литературе о парадоксе Паррондо обсуждалось, является ли слово «парадокс» подходящим описанием, учитывая, что эффект Паррондо можно понять в математических терминах. «Парадоксальный» эффект можно математически объяснить с помощью выпуклой линейной комбинации.
Однако Дерек Эбботт , ведущий исследователь этой темы, дает следующий ответ относительно использования слова «парадокс» в этом контексте:
Действительно ли парадокс Паррондо является «парадоксом»? Этот вопрос иногда задают математики, тогда как физики обычно не беспокоятся о таких вещах. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что «парадокс Паррондо» — это всего лишь название, точно так же, как « парадокс Брасса » или « парадокс Симпсона ». Во-вторых, как и в случае с большинством названных парадоксов, все они на самом деле являются кажущимися парадоксами. В таких случаях люди опускают слово «очевидно», поскольку оно слишком громкое и в любом случае очевидное. Поэтому никто не утверждает, что это парадоксы в строгом смысле этого слова. В широком смысле парадокс — это просто нечто противоречащее здравому смыслу. Игры Паррондо определенно противоречат здравому смыслу — по крайней мере, до тех пор, пока вы интенсивно не изучите их в течение нескольких месяцев. Правда в том, что мы все еще продолжаем находить новые удивительные вещи, которые нас радуют, исследуя эти игры. Один математик жаловался мне, что игры всегда были для него очевидны, и поэтому нам не следует использовать слово «парадокс». Он либо гений, либо вообще никогда этого не понимал. В любом случае с такими людьми спорить не стоит. [ 21 ]
См. также
[ редактировать ]- Гранулярная конвекция
- Броуновский храповик
- Теория игр
- Список парадоксов
- Эффект трещотки
- Статистическая механика
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Хармер, врач общей практики; Эбботт, Д. (1999). «Проигрышные стратегии могут привести к победе благодаря парадоксу Паррондо» . Природа . 402 (6764): 864. дои : 10.1038/47220 . S2CID 41319393 .
- ^ Шу, Цзянь-Цзюнь; Ван, К.-В. (2014). «За пределами парадокса Паррондо» . Научные отчеты . 4 (4244): 4244. arXiv : 1403.5468 . Бибкод : 2014NatSR...4E4244S . дои : 10.1038/srep04244 . ПМК 5379438 . ПМИД 24577586 .
- ^ Перейти обратно: а б Янсен, ВАА; Ёсимура, Дж. (1998). «Популяции могут сохраняться в среде, состоящей только из мест обитания раковин» . Труды Национальной академии наук США . 95 (7): 3696–3698. Бибкод : 1998PNAS...95.3696J . дои : 10.1073/pnas.95.7.3696 . ЧВК 19898 . ПМИД 9520428 . .
- ^ Д. Минор, «Парадокс Паррондо - надежда для неудачников!», The College Mathematics Journal 34 (1) (2003) 15-20
- ^ Хармер, врач общей практики; Эбботт, Д. (1999). «Парадокс Паррондо» . Статистическая наука . 14 (2): 206–213. дои : 10.1214/ss/1009212247 .
- ^ Г. П. Хармер, Д. Эбботт , П. Г. Тейлор и Дж. М. Р. Паррондо , в Proc. 2-й Межд. Конф. Нерешенные проблемы шума и флуктуаций , Д. Эбботт и Л. Б. Киш , ред., Американский институт физики, 2000 г.
- ^ Хармер, врач общей практики; Эбботт, Д .; Тейлор, П.Г. (2000). «Парадокс игр Паррондо». Труды Лондонского королевского общества А. 456 (1994): 1–13. Бибкод : 2000RSPSA.456..247H . дои : 10.1098/rspa.2000.0516 . S2CID 54202597 .
- ^ Г.П. Хармер, Д. Эбботт , П.Г. Тейлор, С.Э.М. Пирс и Дж.М.Р. Паррондо, Информационная энтропия и храповик Паррондо в дискретном времени , в Proc. Стохастическая и хаотическая динамика в озерах , Эмблсайд, Великобритания, PVE McClintock , изд., Американский институт физики, 2000 г.
- ^ Томас К. Филипс и Эндрю Б. Фельдман, Парадокс Паррондо не парадоксальный , Рабочие документы Сети социальных исследований (SSRN), август 2004 г.
- ^ Айенгар, Р.; Кохли, Р. (2004). «Почему парадокс Паррондо не имеет отношения к теории полезности, покупке акций и возникновению жизни». Сложность . 9 (1): 23–27. дои : 10.1002/cplx.10112 .
- ^ Победа при проигрыше: новая стратегия решает парадокс «двух конвертов» на Physorg.com
- ^ Штутцер, Майкл. «Парадокс диверсификации» (PDF) . Проверено 28 августа 2019 г.
- ^ Штутцер, Майкл. «Простой парадокс Паррондо» (PDF) . Проверено 28 августа 2019 г.
- ^ Вольф, Дениз М.; Вазирани, Виджай В.; Аркин, Адам П. (21 мая 2005 г.). «Разнообразие во времена невзгод: вероятностные стратегии в играх на выживание микробов». Журнал теоретической биологии . 234 (2): 227–253. Бибкод : 2005JThBi.234..227W . дои : 10.1016/j.jtbi.2004.11.020 . ПМИД 15757681 .
- ^ Чеонг, Кан Хао; Тан, Цзун Сюань; Се, Нэн-ган; Джонс, Майкл К. (14 октября 2016 г.). «Парадоксальный эволюционный механизм в стохастически меняющейся среде» . Научные отчеты . 6 : 34889. Бибкод : 2016NatSR...634889C . дои : 10.1038/srep34889 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5064378 . ПМИД 27739447 .
- ^ Тан, Цзун Сюань; Чонг, Кан Хао (13 января 2017 г.). «Кочевнические колониальные стратегии жизни обеспечивают парадоксальное выживание и рост, несмотря на разрушение среды обитания» . электронная жизнь . 6 : е21673. дои : 10.7554/eLife.21673 . ISSN 2050-084X . ПМК 5319843 . ПМИД 28084993 .
- ^ Джонс, Майкл С.; Ко, Цзинь Мин; Чонг, Кан Хао (5 июня 2018 г.). «Многоклеточное выживание как следствие парадокса Паррондо» . Труды Национальной академии наук . 115 (23): Е5258–Е5259. Бибкод : 2018PNAS..115E5258C . дои : 10.1073/pnas.1806485115 . ISSN 0027-8424 . ПМК 6003326 . ПМИД 29752380 .
- ^ Нельсон, Пол; Мазель, Джоанна (11 мая 2018 г.). «Ответ Чеонгу и др.: Выживание одноклеточных исключает парадокс Паррондо» . Труды Национальной академии наук . 115 (23): Е5260. Бибкод : 2018PNAS..115E5260N . дои : 10.1073/pnas.1806709115 . ISSN 0027-8424 . ПМК 6003321 . ПМИД 29752383 .
- ^ Чеонг, Кан Хао; Ко, Цзинь Мин; Джонс, Майкл К. (21 февраля 2019 г.). «Играют ли арктические зайцы в игры Паррондо?». Флуктуационные и шумовые буквы . 18 (3): 1971001. Бибкод : 2019FNL....1871001C . дои : 10.1142/S0219477519710019 . ISSN 0219-4775 . S2CID 127161619 .
- ^ Ди Крещенцо, Антонио (2007). «Парадокс Паррондо в теории надежности» (PDF) . Ученый-математик . 32 (1): 17–22. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Эбботт, Дерек. «Официальная страница парадокса Паррондо» . Университет Аделаиды. Архивировано из оригинала 21 июня 2018 года.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Джон Аллен Паулос , Математик играет на фондовом рынке , Basic Books, 2004 г., ISBN 0-465-05481-1 .
- Нил Ф. Джонсон , Пол Джеффрис, Пак Мин Хуэй, Сложность финансового рынка , Oxford University Press, 2003 г., ISBN 0-19-852665-2 .
- Нин Чжун и Цзиминь Лю, Технология интеллектуальных агентов: исследования и разработки, World Scientific, 2001 г., ISBN 981-02-4706-0 .
- Элька Корутчева и Родольфо Куэрно, Достижения в области конденсированного состояния и статистической физики , Nova Publishers, 2004, ISBN 1-59033-899-5 .
- Мария Карла Галавотти , Роберто Скацциери и Патрик Суппес, Рассуждение, рациональность и вероятность , Центр изучения языка и информации, 2008 г., ISBN 1-57586-557-2 .
- Дерек Эбботт и Ласло Б. Киш , Нерешенные проблемы шума и флуктуаций , Американский институт физики, 2000 г., ISBN 1-56396-826-6 .
- Висарат Ин, Патрик Лонгини и Антонио Паласиос, «Приложения нелинейной динамики: модель и проектирование сложных систем» , Springer, 2009 г., ISBN 3-540-85631-5 .
- Марк Мур, Сорана Фрода и Кристиан Леже, Математическая статистика и приложения: Festschrift для Констанс ван Эден , IMS, 2003, ISBN 0-940600-57-9 .
- Эрхард Берендс, Пять минут математики: 100 статей из математической колонки газеты Die Welt , Vieweg+Teubner Verlag, 2006, ISBN 3-8348-0082-1 .
- Лутц Шиманский-Гейер, Шум в сложных системах и стохастическая динамика , SPIE, 2003, ISBN 0-8194-4974-1 .
- Сьюзен Шеннон, Искусственный интеллект и информатика , Nova Science Publishers, 2005 г., ISBN 1-59454-411-5 .
- Эрик В. Вайсштейн , Краткая математическая энциклопедия CRC , CRC Press, 2003, ISBN 1-58488-347-2 .
- Дэвид Регера, Хосе М.Г. Вилар и Хосе-Мигель Руби, Статистическая механика биосложности , Springer, 1999, ISBN 3-540-66245-6 .
- Сергей М. Безруков , Нерешенные проблемы шума и флуктуаций , Springer, 2003, ISBN 0-7354-0127-6 .
- Джулиан Чела-Флорес , Тобиас К. Оуэн и Ф. Раулин, Первые шаги в происхождении жизни во Вселенной , Springer, 2001, ISBN 1-4020-0077-4 .
- Тёну Пуу и Ирина Сушко , Динамика делового цикла: модели и инструменты , Springer, 2006, ISBN 3-540-32167-5 .
- Анджей С. Новак и Кшиштоф Шайовский, Достижения в динамических играх: приложения к экономике, финансам, оптимизации и стохастическому управлению , Биркхойзер, 2005 г., ISBN 0-8176-4362-1 .
- Кристель Чандре, Ксавье Леончини и Джордж М. Заславски, Хаос, сложность и перенос: теория и приложения , World Scientific, 2008 г., ISBN 981-281-879-0 .
- Ричард А. Эпштейн , Теория азартных игр и статистическая логика (второе издание), Academic Press, 2009 г., ISBN 0-12-374940-9 .
- Клиффорд А. Пиковер , Книга математики, Стерлинг, 2009 г., ISBN 1-4027-5796-4 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- JMR Parrondo, парадоксальные игры Паррондо
- Статья в новостях природы о парадоксе Паррондо
- Парадокс Паррондо — симуляция
- Парадокс Паррондо в бесполезном чулане
- Парадокс Паррондо в Вольфраме
- Онлайн симулятор Паррондо
- Парадокс Паррондо в Maplesoft
- Оптимальные адаптивные стратегии и Паррондо
- Рид, Флойд А. (1 июля 2007 г.). «Двухлокусный эпистаз с сексуально антагонистическим отбором: парадокс генетического Паррондо» . Генетика . 176 (3). Оксфорд: 1923–1929. дои : 10.1534/генетика.106.069997 . ЧВК 1931524 . ПМИД 17483431 . S2CID 28986153 .