撲克魔術好神奇?數學模型告訴你 洗牌多少次才能徹底洗開?

2021-02-28 數學中國


很多撲克牌小魔術就利用了三次洗牌遠遠不能把牌洗開的秘密。比方說,我拿出一副新牌給你,由你來負責洗牌。洗一次。再洗一次。你覺得還沒洗開對吧,那就再洗一次。然後,請你偷偷看一眼最上面的那張牌,記下它的花色和點數,然後把它插到這摞牌中間某個位置去,再把整副牌給我。我便能挑出這張被動過的牌。

魔術的原理正如上文所說:把一摞排列有序的牌洗三遍,並不會讓整副牌完全無序,排列順序會有一個很強的規律。移動最上面一張牌的位置會破壞掉這個規律,從而露出馬腳來。

我們可以藉助「上升序列」的思路來證明,五次洗牌也不能把牌徹底洗均勻,因為有一些排列永遠不能僅用五次洗牌得到。不妨假設初始時撲克牌的順序是 1, 2, 3, …, 51, 52,五次洗牌後最多會產生 25 = 32 個上升序列。但是 52, 51, …, 3, 2, 1 這個排列中有 52 個上升序列,因此五次洗牌是絕對洗不出這樣的排列的。事實上,所有上升序列數量超過 32 的排列都是五次洗牌無法得到的,這就證明了五次洗牌也不能把牌洗均勻。

看來,要想把牌洗開,六次是必需的了。


那麼,究竟要洗多少次牌,才能讓所有排列出現的概率大致相同呢?你別說,還真有人做過這樣的研究。

1992 年,佩爾西·戴康尼斯(Persi Diaconis),美國數學家兼專業魔術師,與哥倫比亞大學的戴夫·拜耳(Dave Bayer)一道,為交叉洗牌法建立了一個數學模型,分析了包括上升序列在內的撲克牌排列性質,定義了 m 次洗牌後得到的排列分布與平均分布之間的「總變差距離」,最後發表了一篇 20 頁長的論文。他們計算出,當撲克牌有 52 張,洗牌次數分別為 1, 2, ..., 10 時,總變差距離分別為 1.000, 1.000, 1.000, 1.000, 0.924, 0.614, 0.334, 0.167, 0.085 和 0.043。可見,五次洗牌才能讓整副牌呈現出隨機性,直到第七次洗牌才會讓隨機性顯著增加;並且在此之後,總變差距離將大致以 1/2 的比例依次遞減。因而他們的結論就是:七次洗牌才足夠隨機。

他們還對這個問題進行了漸近意義上的分析:當 n 足夠大時,需要的洗牌次數大約為 3 log2n / 2。

所以小夥伴們,以後玩撲克的時候多洗幾次吧。


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