2013年4月25日 星期四

單向的最短距離路線(筆記)


昨天去聽一門北一女中的選修課,是成大數學系許瑞麟教授授課,他給的題目是由下圖的結點到結點,所經過的最短距離路徑(或花最短時間的路線),每條路線上的數字當作長度(或所花的時間)
許教授有講解一個解題的algorithm,我邊聽邊想,找到一個解決這個問題的方法:
對於每一個結點 j,我記錄所有從結點1到達結點 的路線長度,取其最小值。取最小值的動作是在每一個結點都要做。
所以我這樣做:先把結點i會到達結點 的路徑長度記為aij,寫成一個上半矩陣。
第一步:先寫出相連兩結點的路徑長,如下:


1
2









6
12







3

4







4
3
15
7







7









7
15








3








10









第二步:記錄所有的a1j,取最小值,記法如下:





 所以,最短路徑可記為:
①→③→④→⑤→⑦→⑨為最短的路線,距離和為19單位。

不過,如果路線改成雙向的,似乎無法用這個方法來處理,或是需要再修正,我還要再想一想。

2013年4月24日 星期三

一道固定點的問題(筆記)


上禮拜去參加一場「差異化教學」的研習,左台益教授在演講的過程中提到他曾在師大的通識課裡,給了學生一道有趣的問題,題目大概是這樣的:

海盜搶了寶藏後,想在一個小島上埋寶藏,他從椰子樹下T走到一塊大石頭A處,順時針方向旋轉90°,走相同的距離到達C點,再從C點走到另一塊大石頭B點處,順時針方向旋轉90°,再走相同的距離到D點,然後在DT的中點M處埋下寶藏。但因颱風之故,椰子樹被吹倒不見了,一年後海盜來到島上,只見大石頭AB,請問他要怎麼找到寶藏?

我的想法是這樣:

顯然,從題意來看,如果椰子樹T消失了,如果海盜還能找到寶藏,那就表示埋寶藏P的地點一定和T無關,只能跟AB有關,所以P應該是一個固定點(fixed point)。所以,在複數平面上考慮,令A(0)C(z1)B(z2)。因為TCA順時針旋轉90°,故T(iz1),又DCB逆時針旋轉90°,故D(z2i(z1z2)),所以,與C(z1)T(iz1)無關。所以把任意一點當成原本的椰子樹,照著原本埋寶藏的方法去尋找,就可以找到寶藏了。如果把這「任意一點」取大石頭A點,則寶藏的的位置即AB逆時針方向旋轉90°後,再和A取中點的地方,這也就是M點座標所表示的意思

2013年4月21日 星期日

鬼腳圖公平嗎?

最近忙著調整一些人生的規畫,都沒有在部落格發表文章,前幾天拿自己曾在學校刊物上發表的文章看一看,干脆把其中一篇放上來。

鬼腳圖是一種常被拿來取代抽籤的遊戲,例如ABCD四個人,要抽abcd四支籤,可以畫四條縱線,在線的下方任意排上abcd,再在縱線之間任意畫一些橫線,這些橫線連接相鄰的縱線,但不可橫跨兩條以上的縱線,ABCD四人則各自挑選一條縱線,由最上方當起點往下走,遇到橫線就必需轉彎,到達底端的位置即為所挑中的籤。如圖,則A抽中aB抽中dC抽中bD抽中c(較粗的線段即為C所走的路線)


學期初的時候,老師們總是要討論週考、段考要由誰命題,有時候會用抽籤決定,這學期有老師說:「不如來用鬼腳圖吧!」於是我提出一個放在心裡一陣子但沒仔細去思考的問題:「鬼腳圖公平嗎?」。

就以四條縱線的情況,先設定基本條件:縱線與縱線之間的橫線高低均不同,且共有n條橫線,n條橫線放在每個位置的機會均等。因每一條橫線都有可能放在之間、之間、之間,故共有3n種不同的排列方式,假設這3n種的排列方式發生的機會均等,那麼在不知道n條橫線怎麼排列的情況下,由A出發到達abcd的機率就一定不同( 不會整除)。同理,由BCD出發,抵達各終點的機率也不同。那麼,實際上的機率該怎麼計算呢?(這裡的「機率」指的只是所使用的鬼腳圖選定的起、終點在所有含n條橫線的鬼腳圖中的比例。)


假設由A出發到abcd的機率分別為PA,a(n)PA,b(n)PA,c(n)PA,d(n),這裡的n指的是共有n條橫線(叉路)。由於有n條橫線的情況,相當於原有(n-1)條橫線的情況再搭配最後一條(n)橫線擺在之間,或之間,或之間,故到達a的位置的機率可想成:

(1)若是第n條橫線在之間,則最後要到達a,必先經過前(n-1)條橫線後走到縱線,再經由第n條橫線走到a,這種情況的機率為

(2)若是第n橫線在之間或是在之間,則最後要到達a,必先經過前(n-1)條橫線後走縱線,不需理會第n條橫線,直接走到a,這種情況的機率為
(1)(2)的情形可以得知:
 同樣的方式討論可以得到:
 

反過來思考,無論從ABCD哪一個點出發,若過(n-1)條橫線後留在縱線上,則:(1)假如第n條橫線在之間或之間,則最後的終點會在a,其機率為2/3;(2)假如第n條橫線在之間,則最後的終點會在b,其機率為1/3。若其機率向量為v1,則v1T(2/3, 1/3, 0, 0)。同理,若過(n-1)條橫線後留在縱線上,其機率向量為v2,則v2T(1/3, 1/3, 1/3, 0);若過(n-1)條橫線後留在縱線上,其機率向量為v3,則v3T(0, 1/3, 1/3, 1/3);若過(n-1)條橫線後留在縱線上,其機率向量為v4,則v4T(0, 0, 1/3, 2/3),因此可寫出轉移矩陣



故可以得到:


 實際上,我們可以列出:



 運用一點線性代數的技巧,可得




最後可以留意一下這個有趣的矩陣,只要n為正整數,這個矩陣的每一個元都是有理數,且當n→∞時,每個元的極限值都是1/4。也就是說,只要橫線數夠多,由每個起點出發,到達各終點的可能性愈接近。

還是要提醒一下,如果已經完整畫出鬼腳圖的情況下,起點和終點的位置就早已固定了,那就沒什麼機率的問題,這裡所談的「機率」,只是考慮4條縱線n條橫線所有可能的鬼腳圖中,給定起點而去討論終點可能發生的位置比例。