三个人的决斗

三个小伙子同时爱上了一 个姑娘,为了决定他们谁能娶这个姑娘,他们决定用手枪进行一次决斗。小李的命中率是30%,小黄比他好些,命中率是50%,最出色的枪手是小林,他从不失误,命中率是100%。由于这个显而易见的事实,为公平起见,他们决定按这样的顺序:小李先开枪,小黄第二,小林最后。然后这样循环,直到他们只剩下一个人。那么这三个人中谁活下来的机会最大呢?他们都应该采取什么样的策略?

简单起见我们先考虑两个人的情况,一共有6种,排在前面的人先开枪:

  1. 李 vs 林:小李有30%几率先开枪打死小林取胜,否则被小林打死;小李胜率30%,小林胜率70%。

  2. 黄 vs 林:小黄有50%几率先开枪打死小林取胜,否则被小林打死;小黄胜率50%,小林胜率50%。

  3. 林 vs 李/黄:小林100%取胜。

  4. 李 vs 黄 / 黄 vs 李:设 $p$ 为小李先开枪取胜的概率,$q$ 为小黄先开枪取胜的概率,则有方程组:
    $$
    \begin{cases}
    p = 0.3 \times 1+ 0.7 \times(1-q) \
    q = 0.5 \times 1 + 0.5 \times (1 - p)
    \end{cases}
    $$
    解得
    $$
    \begin{cases}
    p = \frac{6}{13}\
    q = \frac{10}{13}
    \end{cases}
    $$
    因此,小李先开枪时,小李胜率 6/13,小黄胜率 7/13;小黄先开枪时,小李胜率 3/13,小黄胜率 10/13。

下面我们以小李的视角来开始这个游戏。小李打第一枪时,有开枪和不开枪两种选择。如果开枪,目标一定是小林,否则一不小心把小黄打死自己就死定了。对小林而言,如果他有机会开枪,一定会先打小黄,因为小黄打得更准。所以最多三枪之后,场上的形势一定会变成我们刚刚分析过的两个人的局面。

考虑小李开枪打小林。若命中(概率0.3),则变成小黄先开枪对阵小李,小李胜率 3/13;若未命中(概率0.7),则再对小黄分情况讨论。小黄的目标也一定是小林,道理和原来一样。只要小黄没有把小林打死,他自己就死定了,所以他不能放空枪,必须出手。因此若小黄命中小林(概率0.5),局面变成小李先开枪对阵小黄,小李胜率 6/13;否则小林打死小黄,变成小李先开枪对阵小林,小李胜率0.3。因此小李若第一枪打了小林,则其最终获胜的概率为
$$
p=0.3\times \frac{3}{13} + 0.7\times(0.5 \times \frac{6}{13} + 0.5 \times 0.3) \approx 33.58\%
$$
考虑小李第一枪放空,则小李的胜率和第一枪没命中时是一样的。此时
$$
p=0.5 \times \frac{6}{13} + 0.5 \times 0.3\approx 38.08\%
$$
因此对小李而言,第一枪放空枪是最佳选择。

在这个前提下,小黄必然是有机会开枪的。而且他必须在第一枪打死小林才有机会获胜。他打死小林之后(概率0.5),局面变成小李先开枪对阵小黄,小黄的胜率是 7/13。于是小黄的总胜率是
$$
p=0.5\times\frac{7}{13}\approx 26.92\%
$$
小林的胜率用 1 减掉小李和小黄的胜率即可。也可以仔细算一下:考虑小黄没有打中他(概率0.5),他打死小黄,随后只要小李也没有打中他,他就稳赢。所以其实就是小黄和小李同时失手的概率,即
$$
p=(1-0.5)(1-0.3)=35\%
$$
于是这里有意思的事情就出现了,小李作为命中率最差的一个人,只要第一枪放空,他就可以有全场最高的胜率。


如果小李第一枪不允许放空呢?那么局面对小黄来说就完全不一样了。如果小李打中了小林(概率0.3),小黄的胜率将会是10/13;而如果没有(概率0.7),他依然可能打中小林(概率0.5)之后战胜小李(概率7/13)获胜,这一概率是
$$
p=0.3\times\frac{10}{13}+0.7\times 0.5\times \frac{7}{13}\approx 41.92\%
$$
而小林此时就需要再比小李放空枪时多扛住小李一枪,小林获胜的概率就是
$$
p=(1-0.3)^2(1-0.5)=24.5\%
$$

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