2016-04-21

論李斯特城奪冠概率

顧多年以前惡搞過的《論馬刺奪冠歷程》,果然往事不堪回首,不僅內容離題萬丈、充斥着反動的危險思想,就連命題也屬子虛烏有--在那個謠傳四起的2012年,以及之前的好幾年,馬刺隊都沒有奪過冠。作為零分作文簡直是典範。

反觀今年的英超賽場,平民球隊李斯特城(以下簡稱“狐狸隊”)正一筆一劃地抒寫着他們的冠軍傳奇,其話題性無疑更勝“馬刺奪冠”。現在全世界都拭目以待,期待着他們創造奇蹟,網絡上更突然冒出了大批“萊斯特城三十年死忠”。就連多年沒有關注足球消息的筆者,竟也因為他們而重新觀看比賽。

然而筆者並不想談論足球,那是體育記者和懂球帝們的工作。筆者只想借着這個話題,純粹從數學角度,分析狐狸隊的奪冠概率。

1. 首先,聯賽還剩下最後四輪,每隊理論上最多能取得4*3=12分。目前狐狸隊領先5分,扣除淨勝球差的劣勢,實際優勢為4.5分。因此,必須再創造8分的差距,狐狸隊才能奪得最終錦標(4.5+8=12.5>12)。這8分的差距不一定要由狐狸隊獨力取下,排名第二的白鶴隊輸一場,也等效於創造了3分的差距,平一場,則等效於2分差距。
截至目前的積分榜形勢

2. 接下來作一個重要假設:假設每一場比賽的結果都是等概率事件,即任何一隊的勝局、平局、敗局概率都為33.33..%。
第二個重要假設:假設除了排名第一的狐狸隊和排名第二的白鶴隊以外,其他球隊均已沒有機會爭冠,即以下討論忽略不計其他球隊奪冠的可能性。(關於這個假設,下篇會另作討論)

3. 聯賽剩下四輪,對於狐狸隊,每輪有勝局W)、平局(D)、敗局(L)三種可能的結果(即每輪有C(3,1)=3種結果),所以四輪共有3*3*3*3=81種結果;對於白鶴隊,同樣有81種結果。因此,總共的可能結果有81*81=6561種。

4. 假設狐狸隊將取勝a3場,打平a1場,敗陣a0場(尾隨的數字表示這種結果所“貢獻”的分差),因比賽剩下四輪,故:
a3+a1+a0=4;
同理,假設白鶴隊將取勝b0場,打平b2場,敗陣b3場,則有:
b0+b2+b3=4。

5. 對於一般情況,狐狸隊勝a3場、平a1場、敗a0場的可能情況有這麼多種:
[C(4,a3)*C(1,1)^a3]*[C(4-a3,a1)*C(1,1)^a1]*[C(4-a3-a1,a0)*C(1,1)^a0]
● 第一個中括號是勝出的情況,四場比賽中有任意a3場勝出,所以是C(4,a3),而每場勝仗有C(1,1)=1種結果(即只會是“勝局”,而不是“平局”或“敗局”),共a3場,所以是C(1,1)^a3;
● 然後,剩下的4-a3場中,有a1場打平,所以是C(4-a3,a1),後面的C(1,1)^a1同上;
● 最後剩下4-a3-a1場,當中有a0場敗陣,所以是C(4-a3-a1,a0),又由第4.點的等式知,4-a3-a1=a0,故C(4-a3-a1,a0)=C(a0,a0)=1,而C(1,1)=1,即第三個中括號的值必然為1。

在Excel裡列個表,利用以上公式,將a3、a1分別等於0~4的情況一一計算出來:

舉個實例,例如當a3=0、a1=2,即狐狸隊在四輪比賽裡0勝2平2負,根據上表計算,可能情況共有6種,窮舉出來分別是:DDLL, DLDL, DLLD, LDDL, LDLD, LLDD。量子力學中稱這6種情況為“簡並”的,或者說狐狸隊0勝2平2負的“簡並度”為6

6. 同理,白鶴隊敗b3場、平b2場、勝bo場的可能情況有這麼多種:
[C(4,b3)*C(1,1)^b3]*[C(4-b3,b2)*C(1,1)^b2]*[C(4-b3-b2,b0)*C(1,1)^b0]
表列出“簡並度”數值如下:

7. 至此我們已經搞清楚出現各種勝負關係可能的情況(也可以說是概率),例如狐狸隊1勝1平2負的概率是12/81=14.81%。可是目前最值得關心的是分差,而不是勝負關係,因此,不妨將表格擴充一下,在每一個count欄旁邊都加一個pts欄,計算出各種勝負關係分別將產生多少分差。

狐狸隊勝a3場、平a1場、敗a0場,產生的分差為:a3*3+a1*1+a0*0
白鶴隊敗b3場、平b2場、勝bo場,產生的分差為:b3*3+b2*2+b0*0

擴充後的列表如下:


8. 由上表可見,即使四輪比賽的勝負關係不同,最終產生的分差也可能相同,即從積分的角度而言,它們也是“簡並”的。例如對於狐狸隊,無論0勝4平0敗的1種情況、還是1勝1平2敗的12種情況,結果都將得到4分--換言之,能夠產生4個分差的情況共有1+12=13種;也可以說,狐狸隊拿到4分的“簡並度”為13。

狐狸隊和白鶴隊各列一個表,將0~12(那是四輪比賽中各隊自己可能產生的分差)一列排開,把以上兩表裡“簡並”的結果一一相加,填入相應位置。這個工作比較繁瑣,但使用Excel的sumifs函數就能輕鬆實現:

上表所見,狐狸隊四輪拿0分的“簡並度”為1,拿1分的“簡並度”為4,拿2分的“簡並度”為6...如此類推;白鶴隊失0分的“簡並度”為1,失1分的“簡並度”為0,失2分的“簡並度”為4...如此類推。

9. 現在再用不等式表達第1.點的文字,即若要狐狸隊奪冠,則必須滿足:
(a3*3+a1*1+a0*0)+(b3*3+b2*2+b0*0)>=8
或者說,當兩隊所產生的分差之和大於或等於8,則狐狸奪冠。

利用Excel的If函數來判斷,若上表中a的分差(pts)+b的分差(pts)>=8,則將a的“簡並度”(count)與b的“簡並度”(count)相乘(為甚麼是相乘不解釋了),否則填0。得到表格如下:

把表中的數值全部相加,大家猜猜看,結果會是多少?

答案是5883。在第3.點所指的81*81=6561種情況裡,其中5883種將導致狐狸隊奪冠,概率是5883/6561=89.67%,確實比筆者原先設想的還要高出許多。

敗人品到此為止,衷心希望狐狸隊創造奇蹟!

後記:因為要趕在週末新一輪聯賽前完稿(否則情況又完全不一樣了),文章寫得比較倉促,內容沒有交代得很清楚,圖文也沒時間美化,望讀者們見諒。

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