擲硬幣機率真的是50%嗎?

擲硬幣時正面和反面的機率各為50%,但2023年350,757次的實驗顯示,手擲的硬幣約有50.8%會落在起始朝上的那一面。

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結論:正反面各50%

公平硬幣擲出正面和反面的機率各是50%。2023年一項錄影記錄350,757次真實擲硬幣的研究也發現,正面整體比例是50.0%,正反面之間沒有差別。唯一的小偏差是「起始朝上的那面」:手擲的硬幣有50.8%會落回同一面。換句話說,偏差和正面反面無關,而是和擲之前哪面朝上有關。只要蓋住起始面,擲硬幣就可以當作五五波。

起始面效應:50.8%(Bartoš等 2023)

手擲的硬幣有50.8%的機率落在起始朝上的那一面,這就是「起始面效應」。Bartoš等人在2023年錄影記錄了350,757次真實的擲硬幣(arXiv:2310.04153),95%信賴區間是50.6%到50.9%,代表這個差距不太可能只是巧合。不過正面和反面本身的比例仍是50.0%,沒有哪一面比較容易出現。每一擲的差距非常小,日常丟銅板時幾乎感覺不到。

原因:硬幣的擺動(Diaconis等 2007)

起始面效應的原因,是硬幣在空中翻轉時會輕微擺動。2007年,Diaconis、Holmes和Montgomery在《SIAM Review》發表了一個物理模型:硬幣不是乾淨俐落地翻面,而是像陀螺一樣,轉軸會微微晃動。這讓起始朝上那面朝上的時間稍微長一點,因此預測被接住的硬幣約有51%會落在同一面。這是模型的預測,不是實測,直到2023年的大型實驗才量到50.8%。

正面比較容易出現嗎?

不會,正面和反面一樣容易出現。在350,757次手擲的實驗中,正面比例是50.0%,正反面沒有偏差。真正有影響的是擲之前哪一面朝上:如果每次都正面朝上開始擲,正面會稍微多一點;反面朝上開始,反面就稍微多一點。所以「正面比較容易」的說法並不成立。只要沒有人看到起始面,正面和反面的機率就完全一樣。線上擲硬幣更沒有起始面的問題,正反面的機率始終各50%。

加重的硬幣會偏嗎?(Gelman & Nolan 2002)

如果是擲到空中再用手接住,就算硬幣一邊加重,也幾乎不會影響結果。統計學家Gelman和Nolan在2002年的《The American Statistician》指出,被接住的擲硬幣無法有意義地做成偏向某一面。原因是硬幣在空中只是繞著重心翻轉,重量分布決定不了哪一面朝上。但如果是在桌上轉硬幣,情況就不同了,重量和邊緣形狀的差異很容易反映在結果上。

轉硬幣和擲硬幣不一樣

在桌上轉硬幣比擲到空中更容易出現偏差,想公平決定事情時最好別用。轉動的硬幣慢慢停下、倒向一邊時,邊緣形狀或重量的些微差異都會影響哪一面朝上。英文維基百科的「Coin flipping」條目也提到,轉硬幣比擲硬幣更容易偏。所以擲硬幣技巧的重點很簡單:用拇指往上彈,讓硬幣在空中翻很多圈,再接住或讓它落在平面上。

線上擲硬幣為什麼沒有物理偏差

線上擲硬幣沒有手勁、起始面或硬幣形狀這些物理因素,所以不會有手擲時的偏差。在FlipACoin,每次結果由伺服器產生;擲之前先公布HMAC SHA256雜湊值,擲完再公開種子,任何人都能在「驗證」頁面比對,確認結果沒有被事後更改。全球擲幣還會混入公開的drand隨機信標。結果公平,而且每一擲都能自己驗證。

研究發現

研究次數同一面正面與反面出處
Bartoš等 2023350,75750.8%(95%信賴區間 50.6到50.9)50.0%(沒有差異)arXiv:2310.04153
Diaconis、Holmes、Montgomery 2007模型約51%(預測)未測量SIAM Review 49(2)

常見問題

擲硬幣的機率真的是50%嗎?

幾乎是。公平硬幣出現正面和反面的機率各為50%。不過2023年Bartoš等人分析350,757次手擲後發現,硬幣落地時與起始朝上那面相同的比例是50.8%;正反面整體仍各為50.0%。線上擲硬幣則完全沒有這種物理偏差。

為什麼有人說擲硬幣是51%?

因為旋轉中的硬幣會輕微擺動。2007年Diaconis等人指出,這種擺動讓起始朝上那面朝上的時間稍長,預測被接住的硬幣約51%會落在同一面;2023年350,757次的實驗量到50.8%。偏差來自起始面,而不是正面或反面本身。

正面和反面哪個比較容易出現?

一樣容易。在350,757次手擲的大型實驗中,正面比例是50.0%(95%信賴區間49.8%至50.2%),正反面之間沒有偏差。真正有影響的是起始朝上的那面,同一面出現的比例是50.8%。如果沒有人看到起始面,正面和反面的機率就相同。

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