填充第 6 題:
一隻螞蟻在一個正四面體的某一個頂點A之上,此時它隨機選擇一個臨近的頂點(每個臨近的頂點B,C,D被選中的機率皆為\( \displaystyle \frac{1}{3} \) ),並且在一分鐘之後走到那裡;接著它又隨機選擇一個臨近的頂點,並在一分鐘之後走到那裡。假設這隻螞蟻一直以上述的方式在各個頂點之間走動,那麼在n分鐘之後,它的位置恰好在頂點A的機率為?
[解答]
令 \(P(n)\) 表示「自某點出發,經過 \(n\) 分鐘之後,又回到該點的機率」。
則 \(\displaystyle P(1)=0, P(n)=1\cdot\left(\frac{1-P(n-1)}{3}\right)+0\cdot P(n-1),\forall n=2,3,4,\cdots\)
可將上列遞迴關係式改寫為 \(\displaystyle P(n)-\frac{1}{4}=-\frac{1}{3}\left(P(n-1)-\frac{1}{4}\right)\)
再用累乘法,即可解得 \(\displaystyle P(n)=\frac{1}{4}+\left(\frac{-1}{3}\right)^{n-1}\left(\frac{-1}{4}\right) \)。
說明:
自 \(A\) 點出發,經過 \(1\) 分鐘之後,必然停在 \(B,C,D\) 中的其中一點(三個機率各 \(\displaystyle\frac{1}{3}\),以下一起討論),
不失一般性,假設自 \(A\) 出發經 \(1\) 分鐘後停在 \(B\) 點,則
因為「自 \(B\) 點出發經過 \(n-1\) 分鐘後,還停在 \(B\)點的機率為 \(P(n-1)\)」
「自 \(B\) 點出發經過 \(n-1\) 分鐘後,不停在 \(B\)點的機率為 \(1-P(n-1)\)」
「自 \(B\) 點出發經過 \(n-1\) 分鐘後,停在 \(A,C,D\) 點的機率皆為 \(\displaystyle\frac{1-P(n-1)}{3}\)」
因此,
自 \(A\) 點出發,經過 \(n\) 分鐘後,停在 \(A\) 點的機率是 \(\displaystyle C^3_1\cdot\frac{1}{3}\cdot\left(\frac{1-P(n-1)}{3}\right)= 1\cdot\left(\frac{1-P(n-1)}{3}\right) \)
圖解:A→〝
B→其他→其他→‧‧‧→A(非B)〞
A→〝
C→其他→其他→‧‧‧→A(非C)〞
A→〝
D→其他→其他→‧‧‧→A(非D)〞
Let A,B,C, and D be the vertices of a regular tetrahedron each of whoseedges measures 1 meter. A bug, starting from vertex A,observes thefollowing rule: at each vertex it chooses one of the three edgesmeeting at that vertex, each edge being equally likely to be chosen,and crawls along that edge to the vertex at its opposite end. Let \( \displaystyle p=\frac{n}{729} \) be the probability that the bug is at vertex A when it has crawledexactly 7 meters. Find the value of n.
(1985AIME第12題,
https://artofproblemsolving.com/ ... Problems/Problem_12)
101.4.19補充相關問題
有一正八面體的骨架。假設從任一頂點出發走1步,可以走到相鄰的頂點,且從任一頂點走向各相鄰頂點的機率都是\( \displaystyle \frac{1}{4} \)。現從A點出發,試分別求出走了n步之後,會走到A點、B點或C點的機率。(用n的式子表示這三項機率)
(國立台灣大學數學系101學年度學士班甄選入學,連結已失效h ttp://www.math.ntu.edu.tw/prospective/recruit.php?Sn=32]http://www.math.ntu.edu.tw/prospective/recruit.php?Sn=32)
101.5.21補充
一隻螞蟻正保持在一個正四面體的某一個頂點A上,此時它隨機選擇一個鄰近的頂點(每個鄰近的頂點被選中的機率皆為\( \displaystyle \frac{1}{3} \)),並且在一分鐘之後走到那裡;接著它又隨機選擇一個鄰近的頂點,並在一分鐘之後走到那裡。假設這隻螞蟻一直以上述的方式在各個頂點之間走動,那麼恰在30分鐘後,它的位置恰好在一開始起步之頂點A的機率是多少呢?(以指數表示,不必乘開)
(101台中二中,
https://math.pro/db/thread-1367-1-1.html)
111.2.20補充
設動點\(P\)每一次自正四面體\(ABCD\)的一個頂點移至另一頂點的機率都是\(\displaystyle \frac{1}{3}\)。現在\(P\)自\(A\)出發,移動4次又回到\(A\)且恰好經過一次\(B\)的機率為
。
(110高中數學能力競賽北一區筆試二,
https://math.pro/db/thread-3612-1-1.html)
113.4.20補充
已知\(ABCD\)為正四面體,有一隻小蟲反覆在四個頂點之間移動,它從一個頂點爬行至另一頂點稱為一次,已知小蟲從一頂點爬行到任一相鄰頂點的機率均相同,今小蟲從\(A\)點開始出發沿稜線爬行至\(B\)、\(C\)、\(D\)其中一點,設\(a_n\)表示小蟲爬行\(n\)次後在\(A\)點的機率。可以寫出一般式\(a_n=\)
。
(113中山女中,
https://math.pro/db/thread-3834-1-1.html)