Problema da semanaContagem e linearidade da esperança
O amigo secreto que precisa ser refeito
Enunciado
FácilDez colegas de uma mesa de operações fazem amigo secreto. Cada um escreve o próprio nome num papel, os papéis são embaralhados e cada pessoa tira um ao acaso. Só depois que todos tiraram, cada um abre o seu papel, e se alguém tiver tirado o próprio nome, o sorteio inteiro é refeito.
Em média, quantas pessoas tiram o próprio nome num sorteio? E qual a probabilidade de o primeiro sorteio precisar ser refeito?
Dica
Para a média, não tente descobrir a distribuição do número de pessoas que tiram o próprio nome. Escreva esse número como uma soma de dez parcelas, uma por pessoa, que vale 1 se ela tirar o próprio nome e 0 se não tirar. Para a probabilidade, conte os sorteios em que ninguém tira o próprio nome, por inclusão e exclusão.
Solução completa
A média, pelo atalho da linearidade
Seja \( N \) o número de pessoas que tiram o próprio nome, e \( I_j \) a parcela que vale 1 quando a pessoa \( j \) tira o próprio nome. Então \( N = I_1 + \dots + I_{10} \). O papel com o nome de \( j \) tem a mesma chance de cair com qualquer uma das dez pessoas, logo \( P(I_j = 1) = 1/10 \), e
A linearidade da esperança não pede independência, e aqui as parcelas não são independentes. Se nove pessoas tiraram o próprio nome, a décima também tirou. Mesmo assim a média da soma é a soma das médias. E a conta não depende do tamanho do grupo. Com \( n \) pessoas, cada uma tira o próprio nome com probabilidade \( 1/n \), e a média continua sendo uma pessoa.
A média, pelo caminho braçal
Dá para chegar ao mesmo número pela distribuição completa de \( N \). Para exatamente \( k \) pessoas tirarem o próprio nome, escolhem-se essas \( k \) de \( \binom{10}{k} \) jeitos, e as outras \( 10-k \) precisam se embaralhar sem que ninguém fique com o próprio papel. Chamando de \( D_m \) o número de embaralhamentos de \( m \) papéis em que ninguém fica com o próprio, contado mais abaixo,
| Pessoas com o próprio nome | Probabilidade |
|---|---|
| 0 | 0,3679 |
| 1 | 0,3679 |
| 2 | 0,1839 |
| 3 | 0,0613 |
| 4 | 0,0153 |
| 5 ou mais | 0,0037 |
Multiplicando cada \( k \) pela probabilidade e somando os onze casos, de 0 a 10, sai exatamente 1. Funciona, mas dá bem mais trabalho que a linearidade.
A probabilidade de refazer, por inclusão e exclusão
Seja \( A_j \) o evento de a pessoa \( j \) tirar o próprio nome. Para um grupo fixo de \( k \) pessoas, a chance de todas elas tirarem o próprio nome é \( (10-k)!/10! \), porque os outros papéis se embaralham à vontade. Há \( \binom{10}{k} \) grupos assim, e a inclusão e exclusão dá
Ou seja, um sorteio sai válido com probabilidade de cerca de 36,8%. A probabilidade de refazer é o complemento.
A soma \( \sum (-1)^k/k! \) é o começo da série de \( e^{-1} \), então a resposta é praticamente \( 1 - 1/e \). Com dez pessoas, a diferença para esse limite já é menor que \( 1/11! \), ou seja, menor que 1 em 39.916.800. Por isso a chance de refazer quase não depende do tamanho do grupo. Com 30 pessoas, ela continua em 63,2%.
A contagem pelo caminho braçal, a recorrência
Também dá para contar \( D_n \) sem inclusão e exclusão. Olhe para o papel que a pessoa 1 tirou. Ele é de alguma outra pessoa \( j \), e há \( n-1 \) escolhas para \( j \). Se \( j \) tirou o papel da pessoa 1, as duas trocaram entre si, e as outras \( n-2 \) pessoas formam um embaralhamento sem ninguém com o próprio papel, \( D_{n-2} \) jeitos. Se \( j \) não tirou o papel da pessoa 1, trate esse papel como se fosse o de \( j \), que \( j \) não pode tirar. O que sobra é um embaralhamento de \( n-1 \) papéis sem ninguém com o próprio, \( D_{n-1} \) jeitos. Então
De \( D_1 \) a \( D_{10} \), a recorrência dá 0, 1, 2, 9, 44, 265, 1.854, 14.833, 133.496 e 1.334.961. Dividindo o último por \( 10! \), que vale 3.628.800, volta a fração \( 16481/44800 \).
Uma curiosidade
Como cada tentativa dá certo com probabilidade \( 16481/44800 \), o número de sorteios até sair um válido é geométrico, com média \( 44800/16481 \), cerca de 2,72 sorteios. É quase exatamente o número \( e \).
Resposta
- Em média, 1 pessoa tira o próprio nome, qualquer que seja o tamanho do grupo.
- A probabilidade de refazer o primeiro sorteio é \( \tfrac{28319}{44800} \), cerca de 63,2%, muito perto de \( 1 - 1/e \).
O que foi conferido e como
A probabilidade de ninguém tirar o próprio nome, e com ela a de refazer, foi calculada de três jeitos que batem exatamente, por inclusão e exclusão com frações, pela recorrência de \( D_n \) e por força bruta, percorrendo as 3.628.800 ordens possíveis dos dez papéis e contando, em cada uma, quantas pessoas tiram o próprio nome. A média e a tabela da distribuição foram calculadas de dois jeitos, pela recorrência e pela mesma força bruta. A bateria também confere a sequência de \( D_n \) escrita no texto, a distância até \( 1/e \) e o caso de 30 pessoas, com frações. Uma simulação de 400 mil sorteios com semente fixa, e outra de 100 mil grupos que refazem o sorteio até sair um válido, ficaram dentro de 4,5 erros padrão dos valores exatos.