viernes, 14 de febrero de 2020

Apuestas: La estrategia de Kelly

Sea un juego de apuesta donde la probabilidad p de ganar es superior al 50%. La estrategia consiste en apostar cada vez una fracción fija x de la fortuna disponible en cada apuesta.
Un jugador codicioso, como el juego es favorable, apostará un fracción alta de su fortuna y ganará a menudo pero cuando pierda se resentirá mucho su fortuna. En el caso extremo de apostarlo todo cada vez, irá duplicando su fortuna pero terminará en alguna jugada arruinado. En cambio, un jugador temeroso apostará una pequeña fracción y su fortuna aumentará pero muy lentamente.

¿Qué fracción se debe apostar?
La que haga que la tasa de crecimiento de la fortuna sea máxima

Si se apuesta una fracción x, se tiene 1+x si se gana y 1-x si se pierde. Después de N jugadas se ha ganado en M y se ha perdido en N-M. Si F es la fortuna inicial, después de las N jugadas, la ganancia G será:
$$G=(1+x)^M(1-x)^{N-M}F$$
Tomando logaritmos se tiene:
$$ln\left(\frac{G}{F}\right)=M·ln(1+x)+(N-M)·ln(1-x)$$
Se divide por N ambos términos:
$$\frac{1}{N}· ln\left(\frac{G}{F}\right)=\frac{M}{N}·ln(1+x)+\frac{N-M}{N}·ln(1-x)$$
El término de la izquierda representa la tasa media de crecimiento (TMC) de cada apuesta que queremos sea máxima.  Además las fracciones de porcentaje de aciertos y de pérdidas, cuando el número de apuestas crece, tienden a sus respectivas probabilidades:
$$\frac{M}{N} \rightarrow p \wedge \frac{N-M}{N} \rightarrow 1-p$$
Por tanto:
$$TMC=p·ln(1+x)+(1-p)·ln(1-x)$$

Derivando la expresión e igualando a cero para buscar el máximo, se obtiene:
$$x=2p-1=p-(1-p)$$

Estrategia de Kelly: En un juego favorable con ganancias de igual cuantía que las apuestas, la fracción de fortuna que debe apostarse es igual a la magnitud de la ventaja.

Por ejemplo si p=0.52, 1-p=0.48 y se debe apostar la diferencia 0.52-0.48=0.04 para que la tasa media de crecimiento a largo plazo sea máxima. Apostar, cada vez, el 4% de la fortuna disponible supone una tasa del 0.0008 en cada jugada. Después de N jugadas la ganancia esperada será 1.0008^N, aunque este promedio estará sujeto a grandes fluctuaciones, pues se perderá y ganará varias veces seguidas.
Descargar .XLS
Sigue las instrucciones de utilización del modelo de Excel que puedes descargar a continuación:
  • El botón serie permite generar 100 apuestas sucesivas.
  • La gráfica muestra la serie partiendo de un valor inicial 100.
  • Con las flechas se elige la probabilidad de éxito de la apuesta.
  • Con las flechas se elige el porcentaje del saldo que se apuesta.
  • Con las flechas se ve la ganancia en una apuesta dada y el saldo hasta ese instante.
  • Se muestran la ganancia y la tasa de ganancia media teóricas.

jueves, 16 de enero de 2020

Matemagia (II)

Vamos a mostrar dos propuestas mágicas basados en los números primos.
  • PROPUESTA I: En una mesa coloca en círculo y boca abajo, 13 cartas. Elige una de ellas y la vuelves a poner boca abajo. A partir de esa carta y en el sentido de las agujas del reloj cuenta hasta llegar a la carta 8 y la volteas. A partir de esa carta repite el proceso volteando las cartas, sucesivamente, hasta que falte una que será la que has elegido. No importa al contar que estén del anverso o del reverso.

¡Los dos números han de ser primos entre sí: mcd(13,8)=1!

EXPLICACIÓN:
Sea n es el número de cartas en círculo y p el número pensado para contar con la condición de que mcd(n,p)=1. Podemos suponer, sin pérdida de generalidad, que la  carta elegida está en posición 0.  A partir de la siguiente, contamos p cartas y se voltea. A partir de ella se cuentan otras p cartas (hemos contado ya 2p) y se voltea. Así sucesivamente 3p, 4p,...Sólo cuando contemos n veces, np será múltiplo de n y sólo quedará sin voltear la carta buscada.
Vamos a simplificarlo a 5 cartas {A,B,C,D,E} colocadas alfabéticamente en el sentido de la agujas del reloj, como se muestra en la figura. Si eliges la carta C (en naranja) y cuentas cada vez 3, se observa que la primera carta en voltear es la A (pasa de gris a blanco).  Y así sucesivamente se volteando las cartas D, B, E. Finalmente queda sin descubrir la carta C.
Al hacer un recuento en círculo es un problema de congruencia módulo 5:
3 mod 5=3 (A), 6 mod 5=1 (D), 9 mod 5=4 (B), 12 mod 5=2 (D), 15 mod 5=0 (C)

  • PROPUESTA II: Tomamos un número de tres cifras diferentes abc. A partir de él formamos el número de seis dígitos abcabc. Si se divide por 13, el resultado entero es divisible por 11 y al dividir el resultado por 7 se obtiene el número inicial. Sea el número 739739, al dividir por 13 se obtiene 56903. Al dividir ahora por 11 se obtiene 5173. Si finalmente se divide por 7 se obtiene 739.
¡Con números de esa forma ocurre siempre!

EXPLICACIÓN:
  • Un número es divisible por 13 cuando la suma de los productos de las unidades, decenas, centenas... de dicho número por los dígitos de la lista {1,-3,-4.-1,3,4} respectivamente es  0 ó múltiplo de 13. No es el único criterio de divisibilidad.
El número 53927 no es divisible y no se utilizan todos los dígitos de la lista: $$7·1+2·(-3)+9·(-4)+3·(-1)+5·3=-23$$ El número 1604928 si es divisible y se utiliza un dígito dos veces: $$8·1+2·(-3)+9·(-4)+4·(-1)+0·3+6·4+1·1=-13$$ El número abcabc es divisible por 13 independientemente de los valores a, b y c: $$1·c+(-3)·b+(-4)·a+(-1)·c+3·b+4·a=0$$
  • Un número es divisible por 11 si la diferencia entre la suma de las cifras impares y la suma de las cifras pares es 0 ó un múltiplo de 11. Se puede iniciar por la derecha o por la izquierda.
El número 57238 no es divisible y el número 945076 si es divisible: $$(5+2+8)-(7+3)=5 \wedge(9+5+7)-(4+0+6)=11$$ El número abcabc es divisible por 11 independientemente de los valoresa,b y c: $$(a+c+b)-(b+a+c)=0$$
  • Un número es divisible por 7 cuando la suma de los productos de las unidades, decenas, centenas... de dicho número por los dígitos de la lista {1,3,2.-1,-3,-2} respectivamente es 0 ó múltiplo de 7. No es el único criterio de divisibilidad.
El número 3427 no es divisible y no se utilizan todos los dígitos de la lista:$$7·1+2·3+4·2+3·(-1)=18$$El número 864192 si es divisible y utiliza todos los dígitos:
$$2·1+9·3+1·2+4·(-1)+6·(-3)+8·(-2)=-7$$El número abcabc es divisible por 7 independientemente de los valores a, b y c: $$1·c+3·b+2·a+(-1)·c+(-3)·b+(-2)·a=0$$
  • Veamos que al dividir el número abcabc por 7·11·13=1001 se obtiene el número abc:
$$abc·1001= (100a+10b+c)·1001=100100a+10010b+1001c$$ $$=100000a+10000b+1000c+100a+10b+c=abcabc$$

viernes, 29 de noviembre de 2019

Matemagia (I)

¿Qué es la Matemagia? Es matemática asociada a la magia, presentada de forma amena y dinámica generando asombro y sorpresa. Se presentan tres 'trucos' que utilizan el álgebra elemental y el sistema de numeración decimal.
  • TRUCO I: En una baraja asignamos un número a cada uno de los palos (1=oros, 2=copas, 3=bastos, 4=espadas) y un número a cada carta (8=sota, 9=caballo, 0=rey). Eliges una carta de la baraja y haces los siguientes cálculos: multiplica el número del palo por 2, suma 3 al resultado, multiplica el nuevo resultado por 5 y súmale el número de la carta. Ahora, díme el número obtenido.
  • ¡Sé la carta que has elegido!

EXPLICACIÓN:
Sea el rey de copas la carta elegida (2=palo, 0=carta). Hacemos los cálculos: (2·2+3)5+0=35. Ahora  hacemos 35-15=20. La decena es el palo y la unidad la carta. Sea el 7 de bastos la carta elegida (3=palo, 7=carta). Hacemos los cálculos: (3·2+3)5+7=52. Ahora  hacemos 52-15=37. La decena es el palo y la unidad la carta.

¿Por qué siempre hay que restar 15?

Si x es el número del palo e y el número de la carta, se tiene: $$(2x+3)5+y=10x+15+y$$ Si restamos 15 obtenemos el número: $$10x+y=xy$$ y así sabemos que la decena es el palo y la unidad la carta.
  • TRUCO II: Lanza un dado y multiplica el resultado por 2, súmale 5 y vuelve a multiplicar el resultado por 5. Lanza otro dado y suma el resultado al anterior. Multiplica el resultado por 10 y súmale el resultado de lanzar un tercer dado.
¡Sé el resultado de tus dados!

EXPLICACIÓN:
Supongamos que las tiradas han dado los números 3, 6 y 1. Entonces ((2·3+5)5+6)10+1=611. Le quitamos 250 y obtenemos el 361. Y si el resultado de las tiradas es 4,4,5. Entonces ((2·4+5)5+4)10+5=695. Le quitamos 250 y obtenemos el 361. por tanto siempre conocemos el resultado de los dados.
¿Por qué  siempre hay que restar 250?

Si x, y, z son los resultados de las tres tiradas se tiene: $$(2x+5)5+y=10x+25+y$$ $$(10x+y+25)10+z=100x+10y+z+250$$ Si restamos 250 obtenemos el número: $$100x+10+z=xyz$$ y así sabemos que la centena es el resultado del primer dado, la decena del segundo y la unidad del tercero.

Piensa un número de tres cifras diferentes, invierte sus cifras y resta el número mayor del número menor. Invierte sus cifras y resta de nuevo estos dos últimos números.

¡Sé qué número has obtenido!

EXPLICACIÓN:
Sea un número de tres cifras con la única condición que la cifra de las unidades y la de las centenas no sean la misma. Por ejemplo 572 y invertimos sus cifras y restamos el mayor del menor: 572-275=297. Ahora invertimos las cifras del número obtenido y sumamos ambos números: 297+792=1089. Escogemos ahora el número 736 y repetimos el proceso: 736-637=099. 099+990=0189.
¿Por qué  siempre se obtiene el número 1089?

Sea el número abc con a>c: $$abc-cba=(100a+10b-c)-(100c+10b+a)=99(a-c)$$ Como las cifras van de 0 a 9, se tiene que: $$1 \leq a-c\leq 9 \rightarrow a-c=k \rightarrow 1 \leq k \leq 9$$ El número obtenido se puede expresar de la forma siguiente: $$99k=100k-k=100(k-1+1)-k=100(k-1)+100-k=$$ $$100(k-1)+90+10-k=100(k-1)+9·10+10-k$$ Como: $$1 \leq k \leq 9 \rightarrow 1 \leq 10-k \leq 9$$ El número tiene 10-k unidades, 9 decenas y k-1 centenas. Invirtiendo sus cifras se tiene el número: $$100(10-k)+9·10+k-1$$ Sumando ambos números se tiene: $$100(k-1+10-k)+10(9+9)+10-k+k-1=$$ $$100·9+18·10+9=900+180+9=1089$$ y por tanto se obtiene siempre 1089, independientemente del número elegido inicialmente.

lunes, 28 de octubre de 2019

Gauss y el polígono de 17 lados

Los griegos fueron incapaces de encontrar una construcción con regla y compás para algunos polígonos regulares. Gauss, uno de los más grandes matemáticos que ha existido en 1796, cuando tenía 19 años, se dio cuenta de que el número 17 tiene dos propiedades especiales que, combinadas, implican que existe una construcción de regla y compás para un polígono regular de 17 lados (heptadecágono).
$$x^{17}=1$$
 En el campo de los números complejos, la ecuación tiene como soluciones las raíces de la unidad, vértices de un polígono regular de 17 lados.
El número 17 es primo, y también es una unidad mayor que una potencia de 2, en concreto, 16 + 1. Gauss probó que la combinación de estas dos propiedades implica que la ecuación anterior puede resolverse usando las operaciones habituales de álgebra: suma, resta, multiplicación y división, junto con la formación de raíces cuadradas. Y todas estas operaciones pueden realizarse geométricamente usando regla y compás. En resumen, debe de haber una construcción de regla y compás para un polígono regular de 17 lados.
No escribió una construcción explícita, pero  en su obra maestra Disquisitiones arithmeticae, escribió la fórmula: $$\frac{1}{16}[-1+\sqrt{17}+\sqrt{34-2}\sqrt{17}$$ $$+\sqrt{68+12\sqrt{17}-16\sqrt{34+2}\sqrt{17}-2(1-\sqrt{17})(\sqrt{34-2}\sqrt{17}}]$$
Y probó que el polígono regular de 17 lados puede construirse siempre que se pueda construir un segmento de esa longitud dado un segmento de longitud la unidad. Como solo aparecen raíces cuadradas, es posible trasladar la fórmula a una construcción geométrica bastante complicada.
Sin embargo, hay métodos más eficientes, que descubrieron diferentes personas cuando estaban analizando la prueba de Gauss.  El método propuesto por Gauss en 1796, simplificado por H.W. Richmond en 1893, es el siguiente:
  • Se dibujan dos ejes perpendiculares que se cortan en O.
  • Se dibuja una circunferencia con centro en O y radio OA.
  • Se obtiene un punto B tal que el segmento OB es la cuarta parte del radio OA.
  • Se obtiene el punto D tal que el ángulo OBD es la cuarta parte del ángulo OBC.
  • Se obtiene el punto E tal que el ángulo EBD es de 45º.
  • Se obtiene el punto medio F del segmento EC.
  • Se dibuja la circunferencia de centro F y radio FG que corta al eje vertical en G.
  • Se dibuja la circunferencia de centro D y radio DG que corta al eje horizontal también en H.
  • Se trazan dos rectas verticales por H y F que cortan a la circunferencia en los puntos K y L.
  • Se obtiene el punto medio M del arco KL.
  • El segmento KM es el lado del polígono regular de 17 lados.
Se puede ver la construcción 'paso a paso'.

domingo, 29 de septiembre de 2019

Pentágono y decágono regulares

En la figura se muestran un decágono y un pentágono regulares inscritos en una circunferencia de radio unidad.
Los triángulos PQR y OPQ, al tener los ángulos iguales, son semejantes: $$\frac{x}{1-x}=\frac{1}{x} \rightarrow x^2+x-1=0 \rightarrow x=\frac{\sqrt{5}-1}{2}$$ y el lado del decágono inscrito en una circunferencia de radio unidad tiene de valor la razón aúrea o número de oro.

Aplicando el teorema del coseno al triángulo OPS: $$y^2=1^2+1^2-2·cos(72)=2-2·cos(72)$$ Aplicando el teorema del coseno al triánguloPQR: $$x^2=x^2+(1-x)^2-2x(1-x)·cos(72) \rightarrow cos(72)=\frac{1-x}{2x}$$ Y sustituyendo el valor del cos(72) en la ecuación anterior: $$y^2=2-2\frac{1-x}{2x}=\frac{3x-1}{x}\rightarrow \frac{3\frac{\sqrt{5}-1}{2}-1}{\frac{\sqrt{5}-1}{2}}$$ $$y^2=\frac{10-2\sqrt{5}}{4} \rightarrow y=\frac{\sqrt{10-2\sqrt{5}}}{2}$$ se obtiene el valor del lado del pentágono inscrito en una circunferencia de radio unidad. Si el radio no es unitario, los lados de los polígonos serán proporcionales al valor de ese radio.

Vamos a indicar el método clásico, utilizado por los griegos, para la construcción del pentágono con 'regla y compás':
  • Se trazan dos ejes perpendiculares que se cortan en O.
  • Se traza una circunferencia de radio OQ.
  • Sea P el punto medio del segmento OS.
  • Se traza una circunferencia con centro en P y radio PQ.
  • Esta circunferencia Intersecta con el eje horizontal en el punto R.
  • El segmento QR es el lado del pentágono y el segmento OR es el lado del decágono.
  • Al mover el punto Q se puede modificar el tamaño de la circunferencia y su polígono inscrito.
  • Se muestra el tamaño del radio y los lados de los respectivos polígonos.
Se puede observar la construcción 'paso a paso' y moviendo el punto Q modificar el tamaño de la figura.


Veamos que el segmento OR es el lado del decágono inscrito: $$\overline{PQ}^2=1^2+(\frac{1}{2})^2 \rightarrow \overline{PQ}=\frac{\sqrt{5}}{2}$$ $$\overline{OR}=\overline{PR}-\overline{OP}=\overline{PQ}-\overline{OP}=\frac{\sqrt{5}}{2}-\frac{1}{2}=\frac{\sqrt{5}-1}{2}=\phi$$ Veamos que el segmento QR es el lado del pentágono inscrito: $$\overline{QR}^2=\overline{OR}^2+\overline{OQ}^2=(\frac{\sqrt{5}-1}{2})^2+1^2 \rightarrow \overline{QR}=\frac{\sqrt{10-2\sqrt{5}}}{2}$$