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PROBLEME XLIX. Pierre et Paul font un nombre illi-

No documento CARNEGIE INSTITUTE OF TECHNOLOGY (páginas 178-200)

RHINE DES JOUEURS

91. PROBLEME XLIX. Pierre et Paul font un nombre illi-

illi-mit&

de

parties

d un jeu dont

les conditions sont equitables; leursfortunessont

m

et n. Quelle est,

pour chacun

d'eux, la probabilite de rutnerUautre'l

Le

jeu devant se prolonger jusqu'a la ruine de

Pun

des joueurs peut 6lre assimiJe a une seule partie dans laquelle celui qui risque

m

francs devrait, s'll est vainqueur, en obtenir

m

-hn. L'espe'-rance mathematique doit tre egaie a la naise, et, si

Ton nomme/>

la probabilite pour que Pierre ruine sonadversaire, ('equation

p(m

-hn}

= m

donne

m

+-n

On

peut calculerdirectement cette probabiiite. Soit

y

K la pro-babilite pour que Pierre ruine Paul au

moment

ou il poss^de

x

francs etou Paul, par consequent, en possede

m

-hn, x.

On

pourra e'erire

LorsquePierre, en effet, possede

x

francs, il peut, a lafin de

la partie suivante, selon qu'il la gagne ou qu'il la perd, poss^der

CH4P. VI. LA RUINE DBS JOUEURS. Il3

x

H- b on

x

a francs

; il

j

a done probabilite

p

pour que

y

xse

change enjr#+&, et probabilite g' pourqu'il devienne

y

x-a* L' equa-tion (5) en esr la consequence.

pb

etant egal a qa, puisque le jeu est equitable, la solution generate de1'equation (5) est

a et p etant arbitrages.

Cette valeur de

y

x satisfait, OQ le verifie immediate

me

nt, et,

renfermant deux constantes arbitraires, elleest la solution la plus generale.

On

a, pour determinerJescon^tantes,

jKo

=

o,

ym+n~i,

on

en deduit

r ,

m

-+-n

par consequent,

qui s'accorde avec Ja solution precedente.

Cette solution pent donnerlieu a une difficulte. Si les enjeux

&

et b ne sont pas egaux a 1'unite, 1'un des joueurs pourra tre forc^ de cesser le

jeu avant d'avoir tout perdu, possedant encoreune

somme

inferieure a la mise exigee.

Nous

n6gligeons

cette petite sormne, qui, cependant, mettraitla formule en defaut dans le casou elle formerait une partie notable de la fortune

du

joueur.

92. PUOBLEME L. Lesconditions restant celtes

du probieme

precedent,

on

ne suppose plus lesconditions

du jeu

equitables.

Quelie est,

pour chacun

des joueurs, la probabilite

de

ruiner

Vautre?

Un

ingenieux artifice de Moivre permetde deduire la solution de la theorie de 1'esperance mathematique.

Dormons

aPierre, auLieudes

m

francsqu'ilpossede,

m

jetons de valeura, a2

, .. .

, cf.

m

; asera choisi ulterieurement.

Remplagons

B 8

H^

CAXCUL DKS PROBABILITES.

egalement les n francs de Paul par

n

jetons de valeur

a**

r

a"*"2, ... , a77*4"72 qui conlinuent Ja progression.

Le

jen se iaisant dans les conditions snpposees, la niise

de

Pierre sera

a

jetons, au lieu de

a

francs, et cellede Paul bjetons.

On

conviendra qu'a cliaqne partie Pierre exposera toujours les jetons dontlavaleur est exprimee par les plus hautes puissances de a, et Paul,au contraire, ceux donI la valeurest represented par les pins petites.

La

seriedes jetons restant tonjours lame'me, Jaseparationapres, chaque partie sefera en

un

pointdifferent, mais Pierre aura tou-joursles premiers termes de la serie, etPaul tons les suivants.

La

chance, pour chaquejoueur, de perdre tous ses jetons est independantedela valeur qu'on leur attribue et, par consequent,.

du choix de a.

Le

jeu sera equitable si

Ton

pose

CetLe equation sere\Uiit, quel que soilx, a

a i __"~p_

c'est-a-dire,

p

+-qetant egal a i,

(6) paLa-^b a-fr-q

=

o.

Le

jeu, gracea cet artifice, eLant devenu equitable, Tesperance-mathematique de chaque joueur doit e"tre

eale

a sa mise; et^

si

Ton nomine P m

la probabilite pour que Pierre, qui a

m

jetons,,

ruine Paul, qui en an, on aura

Pm ='

)

=

a

-+-I

93.

Le

calcul de

P

m pent se faire directement.

Soit

y

x la probabilite, au

moment

ou. Pierre possede

x

francs,,

pourqu'il finisse par

miner

Paul, on aura, coinme (91),

pb

n'etant plus dgala qa, 1'int^graledecette Equation est,

comme-CHAP. VI. LA RUI77K DES JOUEURS. Il5 on leverifie aise'ment,

(7) rar

C^ el

C

2 etantdes constantes arbitrages eta satisfaisant a la con-dition

. i

I

= p

* vj> .+.qJ qQ.>

c'est-a-dire a 1'equation (6) deja obtenue

p

aoH- a _j_q 0<

Les constantes C< et

G

2 se determineront par les conditions evidentes

^0=: ym+n=*i

et

Ton

trouve

c'est leresultat deja obtenu (92).

L'equation (6) a pour racine a

=

i qui, evidemment, ne con-vient pas ou qui, ptutot, sert a former le premier>terme de la

formula (7), Cj i37 .

94-. Si Ton suppose

a =

b

=

t et

m =

n, la formule donne un>

resultat signale par

Huygens

dans un cas particulier.

On

trouve

et

I V,

=

ptn 4_qn

Les chances de ruine pour les deux joueurs qui possedent chacun

m

francs, et exposent ifr par partie a un jeu danslequel

lesprobabilites

degagner

chaque partie

sontp

pour

Tun

et

g

pour Tautre, sont dans le rapport de

p m

a q

m

.

On

peut le d&nontrer directement.

Les deuxjoueurs ajant rne*me fortuneetlesenjeux etant egaux,

ies successions de perteet degain qui peuvent ruiner Pierre

cor-Il6 CALCUL DES PKOBABILITES.

respondenL unea une aux successions de gain et de perle qui pen-vent

miner

Paul; il suffil de changer les pertes en gains, et reci-proquement, pour passer d\ine serie a 1'autre.

Dans

I'une des series, le

nombre

des parlies surpassera de

m

celui des gains;

dans 1'autre, ce sera le contraire. Les probabilites des deux

com-binaisons sont doneentre eJles dans le rapport de

Ce

rapport est celui des probabilites totales dontles termes sont en

mme

nombre.

95. PROBLEMS LI. Pierre

j

one

a un jeu

equitable ou non,

mats dans

des conditions invariables d*unepartie

a

1'autre, contre tout adversairequisepresente. Quelleestlaprobabilite

pour

qu*iLfinisse

par

seruiner?

La solution de ce probleme, deja resolu en partie (85), pent se deduire des resultats precedents.

La

chancetie

mine

est la

mme,

evidemment, pour Pierre que

s?il luttait contre un adversaire de fortune infinie.

Lorsque, Pierre possedant

m

francs, son adversaire en pos-seden, la probability pour que Pierre soit ruine est(92)

a etant la racine de Peqtiation

=

OJ

p

et q sont les probabilites de gain pour chaque joueur a chaque

partie,

a

la mise de Pierre, bcelle de son adversaire. II faut, dans cette formule, supposer

n

infini. Trois cas peuventse presenter : a est plus petit que 1'unite, egal a 1'unit^ ou plus grand que

Sia estplus petit que1'unite, Texpression (8), en

y

snpposant

n

infini, se reduit aPunite. IIestcertain que Pierre sera ruine.

Sia est egal a 1'unite, la formule prend la forme |, elle a pour

CHAP. VI. LA RUINE DES JOUEURS. 117 valeurle rapport des derivees de ses termes par rapporta a

egal a Funile

quand n

est infini.

Dans

ce cas,

comme

dans Je precedent, la

mine

de Pierre est certaine.

Lorsque a est plus grand que Funile, la formiile (8) a pour limite

La

probabilite de ia ruine de Pierre dans saluttecontre un adversaire de fortune infinie n'est egale, dans ce cas, ni a zero, ni a Funite.

96. II importe de chercher aquelles hypotheses correspondent

les trois valeurs de a.

L'equation

qya+b aA-h/?

=

O

a, dans tons les cas, la racine

a=

i.Pour que I'autre racine reelle et positive soit egale a I'unite, il faut que Fequation ait deux racines egales et que, par consequent, a soit racine de liquation derivee

q(aH- b) +*-! by.b-1

=

o.

Cette racinedoubleetant egale aFunite, ondoit avoir

} b.

JLejeu, par consequent, estEquitable.

Pour

celui qui joueindefiniment,a un jeu equitable, aesL egal a Funite etla

mine

estcertaine.

Ce

resullat a ete obtenu (85).

Le

seul cas ou la ruine ne soit pas certaine est celui de a plus grand que Funite :lejeu alors n'est pas equitable et les conditions favorisent celui des joueurs dontla fortuneestlimite*e.

L'avantage, quelque petitqu'il soit

? faildisparaitrela certitude de ruine.

(Testle cas du banquier dans les jeux publics.

Dans

tout autre, sa ruine serait certaioe.

Un

avantage est pour lui juste et n^cessaire; il importe

seule-Tl8 CAtCUL DBS PROB4BIUTES.

inent de ne pas Texagerer. La chance de

mine

lorsque a est plus grand que i, est petite.

On

pent, dans les conditions ou se placent habituellement les maisons de jeu, la considerer

comme

nulle.

97. Supposons,

comme

a la roulette ordinaire,

IQ 18

* =

W *=ST

Les mises etanlsupposeesegalesa ifr

, aest donne parPequation

^a2 a-f-y?

=

o:

une des racines,

comme

toujours, est egale a 1'unite. C'est I'autre qu'il fatit prendre; on a

*- -

IS.

q~~ 18'

La

chance de ruine du banquierest done

/i8\

U/

'

7? etant le rapport de Favoir du banquier a la mise totalede

Tun

des coups.

Si

Ton

suppose

n =

iooo? on a

98. PROBLEME LIF. Pierre

jo

ue

a un jeu

clans lequel il

a

d,

chaque par

tie la probabilite

p pour gagner

et

pour perdre

la probability q*

Lenjeu

est ifr

pour chacun

des

deux

adver-saires.

Queile est laprobabilite

pour que

Pierre, qui possede

m

francs, soil ruin& precisement apresavoir fait

p par

ties,

de

tellesorte

que

la (JL

Ume

par

tie luienleveson dernier

franc?

CHAP. VI. LA RUINE DES JOUEURS. 119

Pour

que Pierre ait perdu

m

francs en

[/. parties, il faut qu'il

j Lt-H

m

. , u

m

ait perdu parties et gagne

*-Le nombre a

etant tel que ces deux fractions soient des

nombres

entiers, c'est-a-dire de

meme

parite que

m,

la

probabi-lite pour que, bur[Jt parlies, Pierre en gagne ? esl (54)

[l

m

jjn-m

Cette probability est plus grande que celle que nous cherchons.

On

compte,en efiet,

comme

series de parties faisant perdre Pierre en p.coups, toutes celles danslesquelles, a la fin dela

p.

1

**

partie,

il est en perte de

m

francs.

On

doit exclure celles qui, avant de

procurer la

mine

de Pierre au

p.

m*

coup, I'ont procuree deja a un coup anterieur.

Pierre une fois mine, en effet, le jeu doit cesser* il n'est pas admis a exposer 1'argent qu'il n'a pas.

Le

probleme resolu (18) nous fait connaitre le rapport du

nombre

des combinaisons qui ruineront Pierre en

p. coups au

nombre

total de celles qui assurent en pi coups, joues quoi qu'il arrive, laperte de ses

m

francs.

Si

Ton

considere, en effet, 1'unede cescombinaisonselque Ton range les pertes et les gains dans 1'ordre

ou

ils se sont produits, en les appelant en

commen^ant

parla derniere partie, Texces

du nombre

des pertes sur celui des gains etant

m,

le rapport du

nombre

des combinaisons dans lesquelles, a

aucun moment,

les

pertes et les gains ne seront en

meme

nombre, au

nombre

total des combinaisons est(18)

m

etant la difference et p.la

somme

desnombres de partiesgagneeset perdues.

Le nombre

des casqui procurent laruine de Pierre doit done etre multiple par la frac-tion

La

probabilitypour que Pierresoitruine pourlapremiere

au

a

l6me coup est

p.

m

{A-f-tfz

I.2.3...U

~r-

5

(10) /?

2 q 2

r 2 3

"~

r * 3

I.Z tj ... * L,2l*>Jmf

12O CALCUL DBS PROBABILITIES.

99. .[/expression preeedente pent eHre rempJacee, lorsque

p

et q sonl egaux a |, parunevaleurapprochee Ires simple.

Le

fac-m

teur qui multiplie e&talors le terme dont le rang s'ecarte de du plus grand, dans le developpement de (/>

+

q}V'; il a ete cal-cule (58).

La

probabilitede ruineren

JJLcoups precisement celui qui joue

a unjeu equitable a i frla

partie,et

qui possecle

m

francs, esL

m ^ _^

(ii) I e

^.

100,

La

probabilile pourque la ruine s'accomplisse en

^JLcoups precisement permet de calculercelle ponr qn'elle ait Jieu apres le

fJL

iemc

COUp.

Cette probabilite est la sonmie des valeurs que prend L'expres-sion (10^ qnand on y remplace successivernent JJL par les valeurs u-j-2, p-H-4- ..-de

m^me

parite, seuls nombres possibles de parties qui puissentprocurerla ruine.

Si o

(jx)designe1'expiession (10), la sonime

prolongee indefiniment est la probabilite pour que la ruine de Pierre soit posterieure au

|jL li>ine

coup. Cette

somme,

pour de grandes valeursde

JJL, peut ^tre remplacee par

;jO

c'est-a-dire, d'apres lavaleurapprocheede <p(-3),

La

probabilite pour qne Pierre soit ruine avant le

^

me

coup

esi, par consequent,

CH4P. VI. IA RUINE DES JOUEURS.

Si

Ton

pose

=

t2

, celle expression devient

121

t*dt.

La Tabledes valeiirs de la fonction

2

r

JL

f e-*dt

=

V/TCJQ se trouve la fin

du Volume.

On

en deduit, en appliquant la formule au cas d'un joueur qui possede ioo

fr et dont Ja mise est de i

fr

par partie, avec

probabi-lite

-|de gagner on de perdre :

Probability d'etreruine

Avantd'avoirfait 2000 parties 0,026

$000 0,114

TOOOO o,3i54

Le

Tableau suivant, calcule a Taide de la formule (10), que pour des petits

nombres

la formule approchee remplace mal,

donne

la probability de perdre iofren

un

nornbrej)r^cis de parties infe'rieur a too.

__ 1.2.3. 4...(^o? i).10

!*

0,00664/16 0,00640106 0,00626906 O

,OO6I2\OO

0,00698692 0,00686677 0,00573047 0,00660796 0,00548910 O,OO526203 0,005l536l o,oo5o4846 0,00494647 0,00484764

122 CALCfcL DES

PROBABILITES-101. II est interessanl de chercher pour quel

nombre

p, de

parties la probabilite de voir la

mine

du joueur s'accomplir au

jji lenie

coup precisement a la valeurmaxima. L'expression de cette probabilite, en supposant le-5 enjeox egaux a i

fr et la probabilite de gainer chaque partie gale a ^, est

rn (\\t\

-i- x a

2 si Ton change p.en

p.-j-2, elle se multiplie par

\ 2

'

/\ *

"/

c'est-a-dire

L'expression augmente avec t

a? Lantcfiie 1'on a

^((jiH-OXjji-Ha)2 ml*

c'est-a-dire

et la probabilite

maxima

correspond a

si

m =

100.

On

a

/ns 4 3

"

3

'

La probabilite

maxima

estegale a0,0000926.

102. Si

Ton

rempla^ait I'expression (10)parlavalenr approche'e

la valeur

maxima

s'obtiendrait en egalant a ze*ro la d^rivee par

CHAP. VI. LA RUINK DHS JOUEURS. 123 rapporta pi; on trouve

La

difference des restiltais ebt, par sa petitesse, nne verification de la (brmule approchee.

103. PROBLEME L1II. Pierre et

Paid jouent a un jen

de hasard.

La

probabiiite de

gagner chaque

partie est

p pour

Pierre etq

pour PauL Lenjeu

de Pierreest

a

francs, celuide

Paul

b francs. Pierre possede

m

francs,

Paul n

francs; Lejeu

est equitable. Quelle est la valear probable

du nombre

des parties quiserontjouees

avant

la ruine de

V un desjoueurs?

En nommant y

x celle valear probable lorsque Pierre possede

&

francs, c'e^t-a-dire I'esperance matheirjatiquede celui qui aurait promesse de recevoir ifr parparlie jouee, on aura

II estclair, en effet, que le

nombre

des parties jouees

comprend

d'abordla

partie parlaquelle on

commence,

quicerlainementaura

lieu, et qu'apres cette partie I'esperance mathematique cherchee

est devenue y<c+i> ou y<c^a

, selon celui des deux joueurs qui a gagne.

La probabiiitepour que la valeur de I'esperance mathematique devienne y^+b etant />, et pour qu'elle devienne y<jc-a etant q^

Fequation(12)est la consequence immediatedes principes.

La solution

ge*nerale de Fequation (12) doit contenir deux constantes arbitraires, et ne peut

evidemment

en contenir davan-tage.

Posons

en

supposant^ =

qa, Tequation sera satisfaite si

Ton

pose

a

=

-,

ab

etyrestantarbilraires.

124 CALCUL DES PHOB UMLITES.

La solution generate estdonc

Les conditions evidenies

ro

=

o,

ym+n =

O

don nenl

y

=

o, n

_ m

H-n

P

~

ab et

Le

nornbre probable des parlies estdone proporlionnelau pro-dull desforlunes des deux joueurs; il devient infini (88) lorsque Tune des fortunes est infinie.

M. Rouche

a etendu la solution precedente an cas ou le

jen n'est pas equitable. II a resolu leprobleme suivant :

PROBLEMS FJV. Pierre et

Paul jouent aux

conditions enoncees

dans

Le

probleme

precedent;

mats

le

jeu

n'est

pas

equitable, La difference

pb qa

n'est

pas

nul/e.

Trouper

la valeur probable

du nombre

des parties qui precef/eront la ruine de

Van

desjoueurs.

L'eqnation

df^finil,

comme

dans ie cas precedent? le

nombre

probable des parties qui restenla jouer lorsque Pierre possede

x

francs el Paul

772-h

n x

francs.

On

satisfait a cette equation, quelles que soient les constautes qui

y

figurent, except^ dans le ca.^ traite

precedemment

? en posant

C",

aelant la racine de1'equation

CHU*. VI. LA RUINE DES JOUEURS. 125 eten prenant

G'

=

~~l

(a-+-b)p a

Ces valeurs sonl donnees par Ja substitution de (i3) dans I'equation, en ecrivant

qu'elle devient identique.

C

et C" restent arbilraires. Quelles que sclent leurs valeurs, 1'eqnation est satis-faite.

On

les cleterminera par lesconditions

JKO

=

o,

y

m+-n o.

En nommant P

la probabilite calculee (92) pour que Pierre

finissepar

miner

Paul, on trouve, en effectuantles calculs,

, ,. (m-t-n)P in

('4)

y*=

pb-qa

'

resuliat elegant qui peut s'enoncerainsi :

Le nombre probable

des partiesestegal

au

rapport de

Vavan-tage total de

Vun

des

joaeurs a Vavantage da m&me joueur

dans chaque par

tie.

(m +

/i)P est en eflfelTesperance malhematique du joueur qui

a probabilite

P

de posseder Tenjeu total (m-\-n),

m

est la for-tune de cejoueur, et le numeraleurest i'avRntagequiresulte pour

lui de la decision prise de continuer lejeu indefiniment.

Le

deno-minateurest, pour chaquepartiejouee, I'exces de son esperance malhematique sur sa mise.

lOo. II semble facile de d^montrer ce theor^me directement.

Supposons

pb aq

positif, le jeu est avantageux au premier joueur. Soit

n

le

nombre

de parties qui seront joules. Si

p^

yC2, . ..

, py. sont les probabilites pour que le jeu finisse en

x

{,

#

2,

.,.,

x^

parties, le

nombre

probable desparties est

Celui qui aura droit a une

somme

egale a (i5) pourrait con-clure avec drs acheteurs diff&rents des marches equitables pour leur vendre en detail les avantages qui,suivant les cas, pourront pour lui resulter

du

jeu. Si le

nombre

des partiesest

#

un

ache-126 CALGUL DES PROBABILITES.

teur recevrail la promesse du benefice correspondent; il devra pour cela payer

b aq),

puisqne ehaque partie jouee equivaut pour Pierre a

un

avantage

pb

aq.

Les ventes simultanees failes a des acheteurs differents ne peuvent faire naitre aucune difficulte pour le reglement des comptes.

Quel

que soil, en eflfet, le

nombre

des coupsjoues,

Fun

des acheteurs se substituera au vendeur, eL les aulres n'auront rien a reclamer. La

somme

payee en echange de la totalit

dm

gain espere sera

CeLte

somme

est Texces, sur iafortune de Pierre, de1'esperance mathematique resultant pour lui de la determination de conti-nuer lejeujusqu'a la

mine

de I'un des joueurs, a

un

jeu inegal dontlesconditions luisont avanlageuses. Cette esperance matlie'-matique estle produit de Tenjeti

(m

4- n) parla probabilite

P

de

le gagner, et Tavantage du joueur est I'exces de cette espe-rance mathematique sur la sornme qu'il possedait avantd'entrer au jeu, mais

qui, une fois le jeu

commence,

ne lui appartient plu&.

On

peut done ecrire

(p\x^^-p^os^^r...^-p^x^}(pb qa)==P(7?2-f-/z)

m

et, par consequent,

P(

m

-Hn)

m

=

-pb _

qa

--C'est le th^oremede M. Rouche.

106.

Nous

avonsplusieursfois

signal^ desraisonnements

plau-sibles,qtn", lorsqu'on y regarde de pres,

manquent

de rigueur et conduisent a des conclusions fausses. Celui qui precede conduit a une forrnule exacte.

On

peut cependant clever centre lui une objection fonde'e.

Lorsqu'un joueurestadmis ajouerune partie inegale, dont les

CHAP. VI. LA RHINE DES JOUEURS. 127 conditions lui sont favorables, la probabilite de

gagnerlamise

b de I'adversaire 6tant /?, et celle dc perdre une mise egale a

a

etant

q, 1'avantage de jouer une partie dans ces conditions a pour valeurequitable

pb qa

; le droil de jouer un

nombre x

de

par-ties doit tre paye

x(pb

##); c'est ce qu'il vaut.

Mais

quand

ce

nombre

x, au lieu d'etre donne, est designe

com me

le

nombre

de parties jouees jusqu'a la

mine

de

Pun

des joueurs, ces parties, quoiquele detail des pertes etdes gains soil inconnu, ne presentent pas les

mmes

chances que si

Ton

connais-sait seulementleur

nombre

fixe a 1'avance etJesconditions du jeu.

Si, p.ar exeinple, le

nombre

de ces parties estassez petitpour

que

Ja fin dujeu, que par hypothese elies procurent, ait exige laperte continuelle

du

secondjoueur, le droit, pour le premier, de jouer chaque partienevaut plus

pb qa

: il vaut b.

Le

calcul de

M.

Rouche* etait done necessaire, et le raisonne-ment, quoique tr^s specieux, qui conduit au resultat exact, n'est

cependantpas rigoureux.

107.

La

demonstration (105) ne s'appJiquepas aucas ou lejeu est equitable. L'expression (14) prend la forme ; on peut ea trouver Ja vraie valeur.

La

valeur probable du

nombre

des parties est P(/nH-rt)

m

pb

qa

3

on a (92) t

OLetant racine de 1

'equation

p^a-^t-b a,a ~r-q

=

o.

Si I'on suppose

pb qa =

e, e etantinfinimentpetit,adifFere in-flnimentpeu de Funite. Posons

La

valeurde

P

devient

mh-\

a n)H

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