0100 设计概率
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拉格朗日计划
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设计概率

设盒中装有21个彩色碟子,其中15个为蓝色,6个是红色,则随机从盒子中取出两个碟子,两者恰好都是蓝色的概率是$P(BB) = (15/21) \times (14/20) = 1/2$。

增加碟子的数量,则下一次恰有1/2的概率取出两个蓝色碟子的情况,是在盒中有85个蓝色碟子和35个红色碟子时。

若盒中有超过$10^{12}$个碟子,找出满足上述要求且碟子数最少时盒子中蓝色碟子的数量。

本题难度:



解答

设盒中有n个碟子,其中蓝色有$k$个,若取出2个蓝色的概率是1/2,则有 $$\frac{k}{n}\cdot\frac{k-1}{n-1}=\frac{1}{2},$$ 即 $$2k(k-1)=n(n-1),$$ 从而得Pell方程 $$(2n-1)^2-2(2k-1)^2=-1,$$ 解的初值是 $$a_1=2*21-1=41, \quad b_1=2*15-1=29,$$ 利用公式 $$(x^2-dy^2)(u^2-dv^2)=(xu+dyv)^2-d(xv+yu)^2,$$ 取$u=3$,$v=2$就可得递推式 $$a_i=3a_{i-1}+4b_{i-1}, \quad b_i=2a_i+3b_i,$$ 直到$(a_i+1)/2$超过$10^{12}$且a、b均为奇数为止,此时$(b_i+1)/2$即所求之结果。

在$i=15$,$n=1070379110497$得答案,蓝色碟子的数量为$756872327473$。

a,b,i=41,29,1
while a+1 <= 2*(10**12) or a%2==0 or b%2==0:
    a,b=3*a+4*b,2*a+3*b
    i+=1
print i,(a+1)/2,(b+1)/2