Wielkie odkrycie 2003 — Gál, Miltersen

Sto więźniów i pudełka

Rozszerzenie tematu permutacji, cykli i prawdopodobieństwa. 100 więźniów szuka swojego numeru w 100 pudełkach (po 50 prób). Losowo szansa sukcesu wszystkich to (1/2)^100 ≈ 0. Ale strategia „podążaj za cyklem permutacji" daje ~31%! Sukces zależy od długości najdłuższego cyklu permutacji (≤50). Rozwiązanie: Gál i Miltersen, 2003 r.

Sto więźniów i pudełka
Matematyka · Prawdopodobieństwo · Sto więźniów i pudełka (2003)
Jak więźniowie szukają swojego numeru w 100 pudełkach (każdy otwiera najwyżej 50)
Czy sprytna strategia daje więźniom realną szansę (ponad 30%), że przeżyją WSZYSCY — zamiast praktycznie zera?
strategia
losowa
szansa wszystkich
≈ 0
najdłuższy cykl
47 / 50
werdykt permutacji
47 ≤ 50 ✓
🎯 Wyzwanie: przeżyją wszyscy?
seria: 0

Dam Ci długość najdłuższego cyklu permutacji — oceń, czy przy strategii cyklowej przeżyją WSZYSCY (każdy otwiera ≤ 50 pudełek).

Na czym polega zagadka?

100 więźniów, każdy z numerem 1–100, musi znaleźć swój numer w jednym ze 100 pudełek — otwierając najwyżej 50 z nich. WSZYSCY muszą trafić, by przeżyć; po rozpoczęciu nie mogą się komunikować. Numery są rozmieszczone w pudełkach w ustalony (nieznany więźniom) sposób — to permutacja. Intuicja podpowiada, że sprawa jest beznadziejna.

Strategia losowa — praktycznie zero:

Gdyby każdy otwierał 50 pudełek na chybił trafił, szansa pojedynczego więźnia to 1/21/2, a szansa wszystkich stu naraz:

Plosowa(wszyscy)=(12)100≈0P_{\text{losowa}}(\text{wszyscy}) = \left(\tfrac{1}{2}\right)^{100} \approx 0

To liczba tak mała, że praktycznie zerowa — mniej prawdopodobna niż trafienie w jeden konkretny atom we Wszechświecie.

Strategia cyklowa — genialny pomysł:

Każdy więzień zaczyna od pudełka o swoim numerze, sprawdza numer znaleziony w środku, przechodzi do pudełka o tym numerze i powtarza — „podąża za cyklem permutacji". Kluczowa obserwacja: rozmieszczenie numerów to permutacja, która rozkłada się na cykle. Więzień znajdzie swój numer w ≤ 50 krokach dokładnie wtedy, gdy cykl zawierający jego numer ma długość ≤ 50.

Dlaczego to działa? (niezmiennik)

Wszyscy odniosą sukces wtedy i tylko wtedy, gdy permutacja nie ma żadnego cyklu dłuższego niż 50. Prawdopodobieństwo tego dla losowej permutacji 100 elementów wynosi:

Pcyklowa(wszyscy)≈1−ln⁡2≈0,31P_{\text{cyklowa}}(\text{wszyscy}) \approx 1 - \ln 2 \approx 0{,}31

Aż ≈ 31%! Sprytna, skoordynowana strategia — mimo braku komunikacji — zamienia szanse z „praktycznie zero" na „prawie jedną trzecią". W naszej przykładowej permutacji najdłuższy cykl ma długość 47 (≤ 50), więc wszyscy przeżyją.

Historia zagadki

„Sto więźniów i pudełka" to jedna z najsłynniejszych i najbardziej zaskakujących zagadek matematycznych. Sformułowali ją i rozwiązali Anna Gál i Peter Bro Miltersen w 2003 roku. Zdumiewa właśnie dlatego, że wynik przeczy intuicji — trudno uwierzyć, że koordynacja bez komunikacji potrafi tak drastycznie podnieść szanse.

Po co Ci to na maturze:

To wzorcowy przykład, jak myślenie o strukturze problemu (tu: cyklach permutacji) bije naiwne liczenie. Rozszerza temat permutacji, ich cykli i prawdopodobieństwa — chwyt uniwersalny: zamiast liczyć „po ile możliwości", zapytaj, od czego dokładnie zależy sukces (tu: od długości najdłuższego cyklu).

Zapamiętaj: strategia losowa daje (1/2)100≈0(1/2)^{100}\approx 0, a cyklowa aż ≈1−ln⁡2≈0,31\approx 1-\ln 2 \approx 0{,}31 — sukces wszystkich zachodzi dokładnie wtedy, gdy najdłuższy cykl permutacji ma długość ≤ 50.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Strategia cyklowa

Każdy więzień zaczyna od pudełka ze swoim numerem i podąża za znalezionym numerem (śledzi cykl permutacji), otwierając do 5050 pudełek.

Warunek sukcesu

Wszyscy znajdą swój numer wtedy i tylko wtedy, gdy najdłuższy cykl permutacji ma długość ≤50\le 50.

Prawdopodobieństwo

P=1−∑k=511001k≈1−ln⁡2≈0,31P=1-\sum_{k=51}^{100}\frac1k\approx 1-\ln 2\approx 0{,}31 zamiast (12)100≈0\left(\tfrac12\right)^{100}\approx 0 przy losowym szukaniu.

Oznaczenia: kk długość cyklu, ln⁡2≈0,693\ln 2\approx 0{,}693.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Czy sprytna strategia daje więźniom realną szansę?

Tak — strategia cyklowa daje ~31% szans, zamiast praktycznie zera przy losowym szukaniu.

›

Na czym polega strategia cyklowa?

Każdy zaczyna od pudełka ze swoim numerem i podąża za cyklem permutacji, otwierając pudełko o znalezionym numerze.

›

Od czego zależy sukcesie wszystkich więźniów?

Od tego, czy najdłuższy cykl permutacji ma długość ≤50 — prawdopodobieństwo tego to ~1−ln2 ≈ 31%.