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2019年3月22日 星期五

大栗博司,《用數學的語言看世界》,第1章,第2節,賭博的不敗之法,公式推導

加州理工學院物理系的大栗博司教授為其女兒撰有《数学の言葉で世界を見たら》一書(介紹頁面連結)(簡體中譯版:《從數學的語言看世界》,人民郵電出版社,介紹頁面連結;繁體中譯版:《用數學的語言看世界:一位博士爸爸送給女兒的數學之書,發現數學真正的趣味、價值與美》,臉譜出版社,介紹頁面連結)。


此書深入淺出,讀來彷若一位和藹的父親以親切的語言為愛女講解數學。美中不足之處在於本書部分內容連載於大栗教授的網站,不僅讀來不甚方便,一個更嚴重的問題是那些補充資料都是日文,無論是簡體還是繁體翻譯版都沒有譯出,在在顯示出規劃此書的編輯的眼光不夠深遠。人民郵電出版社的介紹頁面的討論區中,有大陸網友留言:「作者在个人网站补充的一些内容会有翻译吗?日文实在看不懂,要是英文就好了」

我手上的版本是簡體中文翻譯版。我覺得無論是印刷還是排版都勝過台版,更重要的是,簡體版的網站上附有勘誤,這是台灣出版社完全不及中國的。

第1章第2節〈賭博的不敗之法〉的公式推導是刊於網站的補充內容。我不會日文,只能靠著google翻譯,配著數學式去猜測內容。以下內容雖是該公式的推導,但並非大栗教授原文的全譯,一半混雜了我自己的推導,記號也與大栗教授原文略有差異。

首先,假定$m \ge 1$。對於擲出第1次的結果,有2種可能性:以p的機率擲出正面,資金變為$m+1$元;以q的機率擲出反面,資金變為$m-1$元。再從第2次開始,如果是從$m+1$元開始,那麼按照書中的定義,變為N元的機率為$P(m+1, N)$;從$m-1$元開始,變為N元的機率則是$P(m-1, N)$。因此得到遞迴關係式:
$$P(m, N) = p \times P(m+1, N) + q \times P(m-1, N).$$
不難理解$P(0, N) = 0, P(N, N) = 1$。前者的原因為0元毫無翻本的可能;後者好比一起跑就在終點。

(類似的遞迴之推導另可參考我的文章〈台中區國立高級中學103學年度大學入學第一次學科能力測驗聯合模擬考,選填2〉。)

為方便計算,以下記$P(k, N) = a_k$。所以根據上文的討論,我們要求解的即是以下的遞迴式:
$$\left\{ \begin{align*} a_k &= p \times a_{k+1} + q \times a_{k-1}, k \ge 1 \\ a_0 &=0 \\ a_N &= 1 \end{align*} \right.$$
對於遞迴關係$a_k = p \times a_{k+1} + q \times a_{k-1}$,變形為
$$p \times a_{k+1} = a_k - q \times a_{k-1}.$$
左右同時減去$p \times a_k$,於是
$$p \times a_{k+1} - p \times a_k = a_k  - p \times a_k - q \times a_{k-1},$$
注意到$p+q = 1$,所以得
$$p(a_{k+1} - a_k) = q(a_k - a_{k-1}).$$
此為等比關係!故得
$$a_{k+1} - a_k = \left( \frac{q}{p} \right)^k (a_1 - a_0).$$
代入初始條件$a_0 = 0, a_N = 1$,有
$$a_N = \left[ 1 + \left( \frac{q}{p} \right) + \cdots + \left( \frac{q}{p} \right)^{N-1} \right] a_1$$
與
$$a_m = \left[ 1 + \left( \frac{q}{p} \right) + \cdots + \left( \frac{q}{p} \right)^{m-1} \right] a_1.$$
故
\begin{align*}  a_m &=  \left[ 1 + \left( \frac{q}{p} \right) + \cdots + \left( \frac{q}{p} \right)^{m-1} \right] a_1 \\ &= \left[ 1 + \left( \frac{q}{p} \right) + \cdots + \left( \frac{q}{p} \right)^{m-1} \right] \times \frac{a_N}{1 + \left( \frac{q}{p} \right) + \cdots + \left( \frac{q}{p} \right)^{N-1}} \\ &= \frac{1 - \left( \frac{q}{p} \right)^m}{1 - \frac{q}{p}} \times \frac{1}{1 + \left( \frac{q}{p} \right) + \cdots + \left( \frac{q}{p} \right)^{N-1}} \\ &= \frac{1 - \left( \frac{q}{p} \right)^m}{1 - \frac{q}{p}} \times \frac{1 - \frac{q}{p}}{1 - \left( \frac{q}{p} \right)^N} \\ &= \frac{1 - \left( \frac{q}{p} \right)^m}{1 - \left( \frac{q}{p} \right)^N}. \end{align*}
(證明終了)

參考資料

2019年3月20日 星期三

$n$次方根函數的連續性

==定理1==

$\forall n \in \mathbb{N}$,
(i) $\displaystyle \lim_{x \rightarrow 0+} \sqrt[n]{x} = 0$;
(ii) $\displaystyle \forall a \in \mathbb{R}^+, \lim_{x \rightarrow a} \sqrt[n]{x} = \sqrt[n]{a}$。

==證明==

(i) $\forall \varepsilon > 0$,取$\delta = \varepsilon^n$,則$\forall x \in (0, \delta)$得
$$|\sqrt[n]{x} - 0| = \sqrt[n]{x} < \sqrt[n]{\delta} = \sqrt[n]{\varepsilon^n} = \varepsilon.$$

(ii) $\forall \varepsilon > 0$,取$\delta = \sqrt[n]{a}^{n-1}\varepsilon$,則$\forall x \in (a-\delta, a) \cup (a, a+\delta)$,利用割圓恆等式得
\begin{align*}  |\sqrt[n]{x} - \sqrt[n]{a}| &= \frac{|\sqrt[n]{x} - \sqrt[n]{a}| \times {\color{red} {|\sqrt[n]{x}^{n-1} + \sqrt[n]{x}^{n-2}\sqrt[n]{a} + \cdots + \sqrt[n]{x}\sqrt[n]{a}^{n-2} + \sqrt[n]{a}^{n-1}|}}}{\color{red} {|\sqrt[n]{x}^{n-1} + \sqrt[n]{x}^{n-2}\sqrt[n]{a} + \cdots + \sqrt[n]{x}\sqrt[n]{a}^{n-2} + \sqrt[n]{a}^{n-1}|}} \\ &= \frac{|x - a|}{|\sqrt[n]{x}^{n-1} + \sqrt[n]{x}^{n-2}\sqrt[n]{a} + \cdots + \sqrt[n]{x}\sqrt[n]{a}^{n-2} + \sqrt[n]{a}^{n-1}|} \\ &= \frac{|x - a|}{\sqrt[n]{x}^{n-1} + \sqrt[n]{x}^{n-2}\sqrt[n]{a} + \cdots + \sqrt[n]{x}\sqrt[n]{a}^{n-2} + \sqrt[n]{a}^{n-1}} \\ &< \frac{\delta}{\sqrt[n]{a}^{n-1}} \\ &= \frac{\sqrt[n]{a}^{n-1} \varepsilon}{\sqrt[n]{a}^{n-1}} \\ &= \varepsilon.  \end{align*}
(證明終了)

定理1意味著n次方根函數$f(x) = \sqrt[n]{x}, x \ge 0$在非負實數$[0, +\infty)$上是連續的。

高木貞治的《解析概論》§10在證明實數指數的指數律$(a^x)^y = a^{xy}$中用到了「最後一個等式的證明利用$x^r$[r為有理數]的連續性」,不過高木沒有給出此敘述的證明。以下利用定理1的結果說明此敘述是正確的。

==定理2==

有理冪函數(rational power function)$f(x) = x^r, r \in \mathbb{Q}$在正實數$\mathbb{R}^+$上是連續的。

==證明==

假定m, n為正整數。

情形1  r為正有理數,$r = \frac{m}{n}$

此時$f(x) = x^r = x^{\frac{m}{n}} = \sqrt[n]{x^m} = \sqrt[n]{x}^m = \underbrace{\sqrt[n]{x} \times \sqrt[n]{x} \times \cdots \times \sqrt[n]{x}}_{m {\text{個}}}$。由定理1知$\sqrt[n]{x}$是連續函數。再由「連續函數之四則運算結果仍為連續函數」可知$f(x) = x^r$為連續函數。

情形2  r為負有理數,$r = -\frac{m}{n}$

此時$f(x) = x^r = x^{-\frac{m}{n}} = \frac{1}{x^{\frac{m}{n}}}$,其中分母的$x^{\frac{m}{n}}$由情形1可知為連續函數,再根據「連續函數之四則運算結果仍為連續函數」可知$f(x) = x^r$為連續函數。
(證明終了)

[附記]
這種分情形的手法是我學自H. B. Fine(維基百科介紹頁面)的A College Algebra(網際網路資料庫Archive的掃描檔)。

==參考資料==

[1] 高木貞治,解析概論(改訂第3版),岩波書店。(簡體中譯本:馮速等譯,《高等微積分》,人民郵電出版社)
[2] H. B. Fine, A College Algebra, Ginn and the Company. (繁體中譯本:駱師曾等譯,莊禮深校,《范氏大代數》,世界書局)