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Un extraño rompecabezas de tener dos posibles soluciones

Un amigo mío me hizo la siguiente pregunta:

Supongamos que usted tiene una cesta en la que hay una moneda. La moneda está marcada con el número uno. Al mediodía menos de un minuto, alguien toma la moneda número uno y poner en la cesta de dos monedas: el número dos y el el número tres. Al mediodía menos $\frac{1}{2}$ minuto, él toma la moneda número dos y poner en la cesta de las monedas de número de $4$ y el número de $5$ y así sucesivamente. Al mediodía menos $\frac{1}{k}$ él toma la moneda de número de $k$ y poner otras dos monedas.

La pregunta es: ¿cuántas monedas que encuentre en la cesta al mediodía?

Intuitivamente la respuesta es $\infty$ porque he añadido una moneda para infinidad de veces. Pero la respuesta correcta parece ser $0$ porque cada moneda numeradas $k$ ha sido eliminada en el mediodía menos $\frac{1}{k}$ de los minutos. ¿Cuál es la respuesta correcta? Gracias.

11voto

DanV Puntos 281

La razón de su intuición que engaña es porque a menudo nos gustaría olvidar estrategias que dependen de la numeración de las monedas, y en lugar de pensar en términos abstractos monedas, de modo que en cada paso el diablo se lleva a la espalda una moneda, y se pone en dos nuevos en su lugar.

El problema es que esta descripción del problema tiene diferentes resultados posibles, que dependen del diablo, y lo mucho que me gustas. Su amigo sugiere el primer caso, de un Scrooge McDuck especie de diablo. Pero para entender la dificultad en la aceptación de la solución, vamos a considerar los tres casos.

Caso I: El tacaño diablo.

El diablo tiene una lista de todas las monedas. En el $k$-ésimo paso se quita la moneda con el menor índice de que todavía está en la cesta, y pone en las dos monedas, con menos índices de él no ha utilizado todavía. Usted puede ver ahora, que cada moneda se encuentra con el mínimo índice en algún momento, por lo que cada una de las monedas se elimina. Y nos quedamos con nada.

Caso II: El compasivo diablo.

Este diablo quiere que usted sea capaz de permitirse el lujo de una cerveza fría, después de sufrir a través de este proceso confuso. Así que decide salir con $n$ monedas. Él enumera las monedas, y por la $n$-ésimo nivel de la primera $k$ monedas, y ahora se repite la estrategia anterior. Sacar las monedas con menos posible índice de $>k$, y añadir dos más. Al final, no puede ser cualquier moneda de índice $>k$ (el mismo argumento que antes), pero desde el primer $k$ monedas que tienen exactamente $n$ a la izquierda.

Caso III: El benevolente diablo.

Empezamos con la cesta de tener la moneda indizada $1$. En cada paso el diablo quita una moneda con un índice impar, y pone en dos monedas, una de ellas con un índice impar y uno con un índice. Ya no indizada moneda fue alguna vez retirado, la cesta contiene una cantidad infinita de monedas.

Usted puede ver que esta es una estrategia legal, porque a cada paso se agrega una moneda con una extraña índice, puede salir la próxima vez.


Para concluir, esto muestra que no hay una clara "intuitivo" respuesta a este proceso, y depende de la estrategia para la eliminación de las monedas. Así que uno no puede estar realmente seguro de lo que es el final del juego sin un cuidadoso análisis de la estrategia.

(Como sucede a menudo con infinidad de cosas en matemáticas...)

Por supuesto, su amigo claramente dio la primera estrategia, así que si usted sigue las matemáticas que usted verá por qué te quedará nada en absoluto.

8voto

Esto es realmente un problema bien conocido llamado Ross–Littlewood paradoja. La paradoja típicamente, sin embargo, no dice nada acerca de la numeración de las monedas o monedas que se añaden/quitan. En este caso es imposible decir cuántas monedas son de izquierda, debido a lo que Asaf Karagila dijo.

En su versión, sin embargo, es cierto que no habrá monedas a la izquierda. Hay una muy simple prueba por contradicción: Si hay una moneda en la cesta, luego de que la moneda tiene algunas índice k. Pero hemos eliminado de la moneda k paso k. Así que no debe haber ningún monedas a la izquierda en la cesta.

4voto

Steve Jessop Puntos 2490

Intuitivamente la respuesta es ∞ porque he añadido una moneda para infinidad de veces.

Esta intuición intentos de aplicar una regla de procedimiento:

Después del paso $k$ hay $k$ monedas

por lo tanto

después de una infinidad de pasos que hay infinitamente muchas monedas.

la respuesta correcta parece ser 0 porque cada moneda numeradas k ha sido eliminado

Esta respuesta responde a la regla de procedimiento diciendo: "entonces, si eres tan inteligente, ¿cuáles son los números en estas monedas en la cesta?"

La intuitiva regla de procedimiento no es sostenible. No podemos presentar un ejemplo de una sola moneda en la cesta, digamos infinitamente muchos. Cada moneda puede ser demostrado no en la canasta después de un cierto punto.

Así, llegamos a la conclusión de que si vamos a decir qué sucede "después de una infinidad de pasos" de un proceso, entonces tenemos que ser muy cuidadosos de lo que las reglas de procedimiento que permiten en nuestro razonamiento. De lo contrario, vamos a reclamar la existencia de un conjunto infinito de que en realidad no tienen elementos, y ponernos en problemas.

Esta llanura-versión en inglés de las monedas problema más o menos no puede ser respondida, porque llanura inglés no nos proporcionan una teoría de lo que sucede "después de una infinidad de pasos".

Hay interesantes objetos matemáticos tales como el conjunto de Cantor, donde tenemos que ser cuidadosos a la hora de definirlo no apelar a un defectuoso intuitiva de la teoría de los infinitos procesos.

2voto

AlexR Puntos 20704

Permítanos formalizar:

La metodología Analítica

Deje $C_m$ el número de monedas en tiempo $\frac1m$ (después del cambio). Entonces $$C_m = \sum_{n=1}^m 2_{\text{added}} - 1_{\text{removed}} = \sum_{n=1}^m 1 = m$$ El número de monedas en la cesta en el momento $t\in [-\frac1n, -\frac1{n+1})$ es simplemente $n$. $$\mathrm{COINS}(t) = \left\lceil \frac1{-t} \right\rceil, \qquad t\in[-1,0)$$
Buscando el valor de $m\to\infty$ es lo mismo que tomar cualquiera de las $\lim_{t\nearrow 0} \mathrm{COINS}(t)$ o $\lim_{m\to\infty} C_m$ evaluar a $\infty$.

Ahora pidiendo $\mathrm{COINS}(0)$ es un asunto totalmente diferente, ya que $\mathrm{COINS}$ no es continua en a $0$ y para ello el valor en $0$ no está definida en el primer lugar.

El enfoque teórico de la

Un límite del conjunto $S_m := \{c_k\ |\ c_k \text{is in the basket at time } \frac1m\}$ está definido por $$\lim_{m\to\infty} S_m = \bigcap_{m=1}^\infty \bigcup_{n=m}^\infty S_m = \bigcap_{m=1}^\infty [m+1, \infty) = \emptyset$$ Esto sugeriría un valor de $0$ monedas en la cesta al mediodía.

Por lo que el número de monedas se $\infty$ mientras que no habrá moneda en la cesta al mediodía. Bienvenido a infinito.

2voto

Lissome Puntos 31

Nuestra intuición nos falla a menudo, cuando nos ocupamos de conjuntos infinitos, o tal vez nuestras definiciones con respecto a conjuntos infinitos es engañosa.

El problema con el infinito, la respuesta es que se supone que la cardinalidad de los desplazamientos de los límites. Esto no es cierto, al menos no en la forma de calcular los límites de los conjuntos.

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