Парадокс Паррондоса - Parrondos paradox

Парадокс Паррондо, а парадокс в теория игры, был описан как: Комбинация проигрышных стратегий становится выигрышной..^[1] Он назван в честь своего создателя, Хуан Паррондо, который открыл парадокс в 1996 году. Более подробное описание:

Существуют пары игр, каждая с большей вероятностью проигрыша, чем выигрыша, для которых можно построить выигрышную стратегию, играя в игры поочередно.

Паррондо придумал парадокс в связи с его анализом Броуновская трещотка, а мысленный эксперимент о машине, которая якобы может извлекать энергию из случайных тепловых движений, популяризированных физиками Ричард Фейнман. Однако парадокс исчезает при тщательном анализе.^[2] Стратегии выигрыша, состоящие из комбинации стратегий проигрыша, изучались в биологии до того, как был опубликован парадокс Паррондо.^[3] Совсем недавно проблемы в эволюционной биологии и экологии были смоделированы и объяснены в терминах парадокса.^[4][5]

Пространство вероятностей парадокса Паррондо из Shu & Wang, 2014.^[2]

Наглядные примеры

Пример с пилой

Рисунок 1

Рассмотрим пример, в котором есть две точки А и B на той же высоте, что и на рисунке 1. В первом случае мы имеем соединяющий их плоский профиль. Здесь, если мы оставим в середине несколько круглых шариков, которые перемещаются назад и вперед случайным образом, они будут катиться случайным образом, но в оба конца с равной вероятностью. Теперь рассмотрим второй случай, когда между ними есть зубчатая область. Здесь также шарики будут катиться к обоим концам с равной вероятностью (если бы существовала тенденция к перемещению в одном направлении, шарики в кольце такой формы имели бы тенденцию самопроизвольно выделять тепловую энергию для вращения, нарушая второй закон термодинамики). Теперь, если мы наклоним весь профиль вправо, как показано на рисунке 2, становится совершенно ясно, что оба этих случая будут смещены в сторону B.

Теперь рассмотрим игру, в которой мы чередуем два профиля, разумно выбирая время между переходом от одного профиля к другому.

фигура 2

Когда мы оставляем несколько шариков на первом профиле в точке E, они распределяются по плоскости, показывая преимущественное движение к точке B. Однако, если мы применим второй профиль, когда некоторые из шариков пересекли точку C, но никто не пересек точку D, мы вернемся к точке E (откуда мы начали), но некоторые также в долине к точке А дали достаточно времени, чтобы шарики катились в долину. Затем снова наносим первый профиль и повторяем шаги (точки C, D и E теперь сдвинут на один шаг, чтобы обозначить последнюю долину, ближайшую к А). Если нет точки пересечения шариков C до первой точки пересечения мрамора D, мы должны применить второй профиль в ближайшее время перед первая точка пересечения мрамора D, чтобы начать сначала.

Из этого легко следует, что в конечном итоге у нас будут шарики А, но пока нет B. Следовательно, если мы определим наличие шариков в точке А как победу и имея шарики в точке B в качестве проигрыша мы явно выигрываем, чередуя (в правильно выбранное время) между двумя проигрышными играми.

Пример подбрасывания монеты

Второй пример парадокса Паррондо взят из области азартных игр. Попробуйте сыграть в две игры, Игра А и Игра B со следующими правилами. Для удобства определим ${\displaystyle C_{t}}$ быть нашей столицей во времени тнепосредственно перед игрой.

1. Победа в игре приносит нам 1 доллар, а проигрыш требует от нас отдать 1 доллар. Следует, что ${\displaystyle C_{t+1}=C_{t}+1}$ если мы выиграем на шаге т и ${\displaystyle C_{t+1}=C_{t}-1}$ если мы проиграем на шаге т.
2. В Игра А, мы подбрасываем смещенную монету Coin 1 с вероятностью выигрыша ${\displaystyle P_{1}=(1/2)-\epsilon }$. Если ${\displaystyle \epsilon >0}$, это явно проигрышная игра в долгосрочной перспективе.
3. В Игра B, мы сначала определяем, кратна ли наша столица некоторому целому числу ${\displaystyle M}$. Если это так, мы подбрасываем необъективную монету, Монету 2, с вероятностью выигрыша. ${\displaystyle P_{2}=(1/10)-\epsilon }$. Если это не так, мы подбрасываем другую предвзятую монету, Монету 3, с вероятностью выигрыша ${\displaystyle P_{3}=(3/4)-\epsilon }$. Роль по модулю ${\displaystyle M}$ обеспечивает периодичность, как в храповых зубах.

Понятно, что, играя в игру А, мы почти наверняка проиграем в долгосрочной перспективе. Хармер и Эбботт^[1] показать с помощью моделирования, что если ${\displaystyle M=3}$ и ${\displaystyle \epsilon =0.005,}$ Игра B также почти наверняка проигрывает. Фактически, игра B - это Цепь Маркова, а анализ его матрицы перехода состояний (опять же с M = 3) показывает, что вероятность устойчивого состояния использования монеты 2 составляет 0,3836, а вероятность использования монеты 3 - 0,6164.^[6] Поскольку монета 2 выбирается почти в 40% случаев, она оказывает непропорциональное влияние на выигрыш в игре B и приводит к тому, что игра является проигрышной.

Однако, когда эти две проигрышные игры разыгрываются в некоторой чередующейся последовательности - например, две игры A, за которыми следуют две игры B (AABBAABB ...), комбинация этих двух игр парадоксальным образом победа игра. Не все чередующиеся последовательности A и B приводят к выигрышным играм. Например, одна игра A, за которой следует одна игра B (ABABAB ...), является проигрышной, а одна игра A, за которой следуют две игры B (ABBABB ...), является выигрышной. Этот пример с подбрасыванием монеты стал канонической иллюстрацией парадокса Паррондо - две игры, каждая из которых проигрывает при индивидуальной игре, становятся выигрышной при игре в определенной чередующейся последовательности.

Разрешение парадокса

Очевидный парадокс был объяснен с использованием ряда сложных подходов, включая цепи Маркова,^[7] проблесковые трещотки,^[8] Имитация отжига^[9] и теория информации.^[10] Один из способов объяснить очевидный парадокс заключается в следующем:

• В то время как игра B является проигрышной при распределении вероятностей, которое приводит к ${\displaystyle C_{t}}$ по модулю ${\displaystyle M}$ при индивидуальной игре (${\displaystyle C_{t}}$ по модулю ${\displaystyle M}$ это остаток, когда ${\displaystyle C_{t}}$ делится на ${\displaystyle M}$), это может быть выигрышная игра при других распределениях, так как есть по крайней мере одно состояние, в котором его ожидание положительно.
• Поскольку распределение результатов игры B зависит от капитала игрока, две игры не можешь быть независимым. Если бы это было так, то игра с ними в любой последовательности тоже проиграла бы.

Роль ${\displaystyle M}$ теперь в фокусе. Он служит исключительно для того, чтобы вызвать зависимость между играми A и B, так что игрок с большей вероятностью войдет в состояния, в которых игра B имеет положительное ожидание, что позволяет ему преодолеть потери от игры A. При таком понимании парадокс разрешается сам собой. : Отдельные игры проигрывают только при распределении, которое отличается от того, которое фактически встречается при игре в составную игру. Таким образом, парадокс Паррондо является примером того, как зависимость может нанести ущерб вероятностным вычислениям, сделанным при наивном предположении о независимости. Более подробное изложение этого момента, а также несколько связанных примеров можно найти у Филипса и Фельдмана.^[11]

Упрощенный пример

Для более простого примера того, как и почему работает парадокс, снова рассмотрим две игры. Игра А и Игра B, на этот раз со следующими правилами:

1. В Игра А, вы просто теряете 1 доллар каждый раз, когда играете.
2. В Игра B, вы считаете, сколько денег у вас осталось. Если это четное число, вы выигрываете 3 доллара. В противном случае вы потеряете 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. Точно так же, если вы решите играть исключительно в Игру Б, вы также потеряете все свои деньги за 100 раундов.

Однако рассмотрите возможность альтернативной игры, начиная с игры B, затем с игры A, затем игры B и так далее (BABABA ...). Должно быть легко увидеть, что вы будете стабильно зарабатывать в общей сложности 2 доллара за каждые две игры.

Таким образом, даже если каждая игра является проигрышной, если играть в одиночку, поскольку на результаты игры B влияет игра A, последовательность, в которой играют игры, может влиять на то, как часто игра B приносит вам деньги, и, следовательно, результат будет другим. из случая, когда каждая игра ведется сама по себе.

Приложения

Парадокс Паррондо широко используется в теории игр и его применении в инженерии, динамике населения и т. Д.^[3] финансовые риски и т. д. являются областями активных исследований. Игры Паррондо имеют мало практического применения, например, для инвестирования в фондовые рынки^[12] поскольку исходные игры требуют, чтобы выплата по крайней мере в одной из взаимодействующих игр зависела от капитала игрока. Однако нет необходимости ограничивать игры их первоначальной формой, и работа над обобщением этого явления продолжается. Сходства с накачкой волатильности и Проблема с двумя конвертами^[13] были отмечены. Простые модели доходности ценных бумаг из учебников по финансам были использованы для доказательства того, что отдельные инвестиции с отрицательной средней долгосрочной доходностью можно легко объединить в диверсифицированные портфели с положительной медианной долгосрочной доходностью.^[14] Точно так же модель, которая часто используется для иллюстрации оптимальных правил ставок, использовалась для доказательства того, что разделение ставок между несколькими играми может превратить отрицательную медианную долгосрочную прибыль в положительную.^[15] В эволюционной биологии оба бактериальных случайное изменение фазы^[16] и развитие менее точных датчиков^[4] были смоделированы и объяснены в терминах парадокса. В экологии периодическое чередование определенных организмов между кочевым и колониальным поведением было предложено как проявление парадокса.^[5] Как следствие парадокса, было обнаружено интересное применение в моделировании выживания многоклеточных^[17] и интересное обсуждение возможности этого.^[18][19] Приложения парадокса Паррондо также можно найти в теории надежности.^[20] Заинтересованные читатели могут обратиться к трем обзорным статьям, опубликованным за эти годы.^[21][22] с самым последним исследованием эффекта Паррондо в биологии.^[23]

Имя

В ранней литературе, посвященной парадоксу 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.

Тем не мение, Дерек Эбботт, ведущий исследователь в этой области, дает следующий ответ относительно использования слова «парадокс» в этом контексте:

Действительно ли парадокс Паррондо «парадокс»? Этот вопрос иногда задают математики, тогда как физиков такие вещи обычно не волнуют. Первое, что следует отметить, это то, что «парадокс Паррондо» - это просто имя, как и «Парадокс Браесса " или же "Парадокс Симпсона. »Во-вторых, как и в случае с большинством названных парадоксов, все они действительно кажущиеся парадоксы. Люди опускают слово« очевидный »в этих случаях, так как оно в любом случае само собой разумеющееся. Так что никто не утверждает, что это парадоксы в строгом смысле. В широком смысле парадокс - это просто нечто противоречащее интуиции. Игры Паррондо определенно противоречат здравому смыслу - по крайней мере, до тех пор, пока вы интенсивно не изучите их в течение нескольких месяцев. По правде говоря, мы все еще продолжаем находить новые удивительные вещи, чтобы порадовать Когда мы исследуем эти игры, у меня был один математик, который жаловался, что игры всегда были ему очевидны, и поэтому мы не должны использовать слово «парадокс». Он либо гений, либо вообще никогда не понимал его. в любом случае, с такими людьми не стоит спорить.^[24]

Смотрите также

• Эффект бразильского ореха
• Броуновская трещотка
• Теория игры
• Список парадоксов
• Эффект трещотки
• Статистическая механика

Рекомендации

1. Harmer, G.P .; Эбботт, Д. (1999). «Проигрышные стратегии могут выиграть по парадоксу Паррондо». Природа. 402 (6764): 864. Дои:10.1038/47220.
2. Шу, Цзянь-Цзюнь; Ван, К.-В. (2014). "За пределами парадокса Паррондо". Научные отчеты. 4 (4244): 4244. arXiv:1403.5468. Bibcode:2014НатСР ... 4Э4244С. Дои:10.1038 / srep04244. ЧВК  5379438. PMID  24577586.
3. Янсен, В. А. А .; Йошимура, Дж. (1998). «Популяции могут сохраняться в среде, состоящей только из поглотителей». Труды Национальной академии наук США. 95 (7): 3696–3698. Bibcode:1998PNAS ... 95.3696J. Дои:10.1073 / пнас.95.7.3696. ЧВК  19898. PMID  9520428..
4. Чеонг, Кан Хао; Тан, Цзун Сюань; Се, Нэн-ган; Джонс, Майкл С. (2016-10-14). «Парадоксальный эволюционный механизм в средах со стохастическим переключением». Научные отчеты. 6: 34889. Bibcode:2016НатСР ... 634889C. Дои:10.1038 / srep34889. ISSN  2045-2322. ЧВК  5064378. PMID  27739447.
5. Тан, Цзун Сюань; Чеонг, Кан Хао (13.01.2017). «Стратегии кочевой и колониальной жизни позволяют парадоксально выживать и расти, несмотря на разрушение среды обитания». eLife. 6: e21673. Дои:10.7554 / eLife.21673. ISSN  2050-084X. ЧВК  5319843. PMID  28084993.
6. Д. Минор, «Парадокс Паррондо - надежда для неудачников!», Математический журнал колледжа 34(1) (2003) 15-20
7. Harmer, G.P .; Эбботт, Д. (1999). «Парадокс Паррондо». Статистическая наука. 14 (2): 206–213. Дои:10.1214 / сс / 1009212247.
8. Г. П. Хармер, Д. Эбботт, П. Г. Тейлор и Дж. М. Р. Паррондо, в Proc. 2-й Int. Конф. Нерешенные проблемы шума и флуктуаций, Д. Эбботт, и Л. Б. Киш, ред., Американский институт физики, 2000 г.
9. Harmer, G.P .; Эбботт, Д.; Тейлор, П. Г. (2000). «Парадокс игр Паррондо». Труды Лондонского королевского общества A. 456 (1994): 1–13. Bibcode:2000RSPSA.456..247H. Дои:10.1098 / RSPA.2000.0516.
10. Г. П. Хармер, Д. Эбботт, П. Г. Тейлор, К. 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, П. В. Э. МакКлинток, изд., Американский институт физики, 2000 г.
11. Томас К. Филипс и Эндрю Б. Фельдман, Парадокс Паррондо не парадоксален, Рабочие документы Сети социальных исследований (SSRN), август 2004 г.
12. Iyengar, R .; Коли, 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.
13. Победа при поражении: новая стратегия решает парадокс `` двух конвертов '' на Physorg.com
14. Штутцер, Майкл. «Парадокс диверсификации» (PDF). Получено 28 августа 2019.
15. Штутцер, Майкл. "Простой парадокс Паррондо" (PDF). Получено 28 августа 2019.
16. 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. Дои:10.1016 / j.jtbi.2004.11.020. PMID  15757681.
17. Джонс, Майкл С .; Ко, Джин Мин; Чеонг, Кан Хао (2018-06-05). «Выживание многоклеточных как следствие парадокса Паррондо». Труды Национальной академии наук. 115 (23): E5258 – E5259. Дои:10.1073 / pnas.1806485115. ISSN  0027-8424. ЧВК  6003326. PMID  29752380.
18. Нельсон, Пол; Масел, Джоанна (11 мая 2018 г.). «Ответ Чонгу и др.: Выживание одноклеточных клеток исключает парадокс Паррондо». Труды Национальной академии наук. 115 (23): E5260. Дои:10.1073 / pnas.1806709115. ISSN  0027-8424. ЧВК  6003321. PMID  29752383.
19. Чеонг, Кан Хао; Ко, Джин Мин; Джонс, Майкл С. (21 февраля 2019 г.). «Полярные зайцы играют в игры Паррондо?». Буквы флуктуации и шума. 18 (3): 1971001. Дои:10.1142 / S0219477519710019. ISSN  0219-4775.
20. Ди Крещенцо, Антонио (2007). «Парадокс Паррондо в теории надежности» (PDF). Ученый-математик. 32 (1): 17–22.
21. Хармер, Грегори П .; Эбботт, Дерек (2002-06-01). «Обзор парадокса Паррондо». Буквы флуктуации и шума. 02 (2): R71 – R107. Дои:10.1142 / S0219477502000701. ISSN  0219-4775.
22. Эбботт, Дерек (01.03.2010). «Асимметрия и беспорядок: десятилетие парадокса Паррондо». Буквы флуктуации и шума. 09 (1): 129–156. Дои:10.1142 / S0219477510000010. ISSN  0219-4775.
23. Чеонг, Кан Хао; Ко, Джин Мин; Джонс, Майкл С. (2019). «Парадоксальное выживание: изучение эффекта Паррондо в биологии». BioEssays. 41 (6): 1900027. Дои:10.1002 / bies.201900027. ISSN  1521-1878. PMID  31132170.
24. Эбботт, Дерек. "Официальная страница парадокса Паррондо". Университет Аделаиды. Архивировано из оригинал 21 июня 2018 г.

дальнейшее чтение

• Джон Аллен Паулос, Математик играет на фондовом рынке, Основные книги, 2004, 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 Цзимин Лю, Технология интеллектуальных агентов: исследования и разработки, World Scientific, 2001, ISBN  981-02-4706-0.
• Элька Коручева и Родольфо Куэрно, Достижения в конденсированной среде и статистической физике, Nova Publishers, 2004 г., 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.
• Визарат Ин, Патрик Лонгхини и Антонио Паласиос, Приложения нелинейной динамики: моделирование и проектирование сложных систем, Springer, 2009, ISBN  3-540-85631-5.
• Марк Мур, Сорана Фрода и Кристиан Леже, Математическая статистика и приложения: Festschrift для Констанции ван Иден, МСМ, 2003 г., ISBN  0-940600-57-9.
• Эрхард Берендс, Fünf Minuten Mathematik: 100 Beiträge der Mathematik-Kolumne der Zeitung Die Welt, Vieweg + Teubner Verlag, 2006 г., ISBN  3-8348-0082-1.
• Лутц Шиманский-Гейер, Шум в сложных системах и стохастическая динамика, SPIE, 2003 г., ISBN  0-8194-4974-1.
• Сьюзан Шеннон, Искусственный интеллект и информатика, Nova Science Publishers, 2005 г., ISBN  1-59454-411-5.
• Эрик В. Вайсштейн, CRC Краткая энциклопедия математики, CRC Press, 2003, ISBN  1-58488-347-2.
• Давид Регера, Хосе М. Г. Вилар и Хосе-Мигель Руби, Статистическая механика биокомплексов, Springer, 1999 г., ISBN  3-540-66245-6.
• Безруков Сергей Михайлович, Нерешенные проблемы шума и флуктуаций, Springer, 2003 г., ISBN  0-7354-0127-6.
• Джулиан Чела-Флорес, Тобиас С. Оуэн и Ф. Раулин, Первые шаги в зарождении жизни во Вселенной, Springer, 2001, ISBN  1-4020-0077-4.
• Тёну Пуу и Ирина Сушко, Динамика бизнес-цикла: модели и инструменты, Springer, 2006 г., ISBN  3-540-32167-5.
• Анджей С. Новак и Кшиштоф Шайовски, Достижения в динамических играх: приложения к экономике, финансам, оптимизации и стохастическому управлению, Биркхойзер, 2005 г., ISBN  0-8176-4362-1.
• Кристель Шандре, Ксавье Леонсини и Джордж М. Заславский, Хаос, сложность и перенос: теория и приложения, World Scientific, 2008, ISBN  981-281-879-0.
• Ричард А. Эпштейн, Теория азартных игр и статистическая логика (Второе издание), Academic Press, 2009, ISBN  0-12-374940-9.
• Клиффорд А. Пиковер, Книга по математике, Стерлинг, 2009 г. ISBN  1-4027-5796-4.

внешняя ссылка

• Дж. М. Р. Паррондо, Парадоксальные игры Паррондо
• Профилирование парадокса Паррондо в Google Scholar
• Статья в новостях Nature о парадоксе Паррондо
• Альтернативная игра увеличивает выигрыш: это закон
• Официальная страница парадокса Паррондо
• Парадокс Паррондо - Моделирование
• Волшебник разногласий о парадоксе Паррондо
• Парадокс Паррондо в Шкаф бесполезности
• Парадокс Паррондо в Вольфраме
• Онлайн симулятор Паррондо
• Парадокс Паррондо в Maplesoft
• Дональд Кэтлин о парадоксе Паррондо
• Парадокс Паррондо и покер
• Парадокс Паррондо и эпистемология
• Ресурс парадокса Паррондо
• Оптимальные адаптивные стратегии и Паррондо
• Берендс на Паррондо
• Бог не стреляет в кости
• Парадокс Паррондо в химии
• Парадокс Паррондо в генетике
• Эффект Паррондо в квантовой механике
• Финансовая диверсификация и Паррондо