Formule pour larguer des dés (force non brute)

Tout d'abord, je ne sais pas où cette question doit être publiée. Je demande si un problème de statistique est NP-Complete et si ce n'est pas le résoudre par programme. Je le poste ici parce que le problème des statistiques est le point central.

J'essaie de trouver une meilleure formule pour résoudre un problème. Le problème est: si j'ai 4d6 (4 dés ordinaires à 6 faces) et que je les lance tous en même temps, retirez un dé avec le plus petit nombre (appelé "drop"), puis additionnez les 3 restants, quelle est la probabilité de chaque résultat possible ? Je sais que la réponse est la suivante:

Sum (Frequency): Probability
3   (1):         0.0007716049
4   (4):         0.0030864198
5   (10):        0.0077160494
6   (21):        0.0162037037
7   (38):        0.0293209877
8   (62):        0.0478395062
9   (91):        0.0702160494
10  (122):       0.0941358025
11  (148):       0.1141975309
12  (167):       0.1288580247
13  (172):       0.1327160494
14  (160):       0.1234567901
15  (131):       0.1010802469
16  (94):        0.0725308642
17  (54):        0.0416666667
18  (21):        0.0162037037

La moyenne est de 12,24 et l'écart-type est de 2,847.

J'ai trouvé la réponse ci-dessus par force brute et je ne sais pas comment ou s'il existe une formule pour cela. Je soupçonne que ce problème est NP-Complete et ne peut donc être résolu que par la force brute. Il pourrait être possible d'obtenir toutes les probabilités de 3d6 (3 dés normaux à 6 faces) puis de les incliner vers le haut. Ce serait plus rapide que la force brute car j'ai une formule rapide lorsque tous les dés sont conservés.

J'ai programmé la formule pour garder tous les dés à l'université. J'avais interrogé mon professeur de statistique à ce sujet et il a trouvé cette page qu'il m'a ensuite expliquée. Il y a une grande différence de performances entre cette formule et la force brute: 50d6 a pris 20 secondes mais 8d6 baisse le plus bas crash après 40 secondes (le chrome manque de mémoire).

Ce problème est-il NP-Complete? Si oui, veuillez fournir une preuve, si non, veuillez fournir une formule de force non brute pour le résoudre.

Notez que je ne connais pas grand-chose à NP-Complete, donc je pense peut-être à NP, NP-Hard ou autre chose. La preuve de NP-Completeness est inutile pour moi, la seule raison pour laquelle je la demande est d'empêcher les gens de deviner. Et je vous en prie, car cela fait longtemps que je n'ai pas travaillé là-dessus: je ne me souviens pas des statistiques aussi bien que je pourrais avoir besoin de résoudre cela.

Idéalement, je recherche une formule plus générique pour le nombre X de dés avec les côtés Y lorsque N d'entre eux sont supprimés, mais je commence par quelque chose de beaucoup plus simple.

Éditer:

Je préférerais également la formule aux fréquences de sortie, mais elle n'est acceptable que pour les probabilités de sortie.

Pour ceux qui sont intéressés, j'ai programmé la réponse de whuber en JavaScript sur mon GitHub (dans ce commit, seuls les tests utilisent réellement les fonctions définies).

Solution

Soit dés chacun donnant des chances égales aux résultats 1 , 2 , … , d = 6 . Soit K le minimum des valeurs lorsque tous les n dés sont lancés indépendamment.$n=4$$1, 2, \ldots, d=6$$K$$n$

Tenez compte de la répartition de la somme de tous les valeurs conditionnelles sur K . Soit X cette somme. La fonction génératrice du nombre de façons de former une valeur donnée de X , étant donné que le minimum est d'au moins k , est$n$$K$$X$$X$$k$

$$f_{(n,d,k)}(x) = x^k+x^{k+1} + \cdots + x^d = x^k\frac{1-x^{d-k+1}}{1-x}.\tag{1}$$

Puisque les dés sont indépendants, la fonction génératrice du nombre de façons de former des valeurs de où tous les n dés montrent des valeurs de k ou plus est$X$$n$$k$

$$f_{(n,d,k)}(x)^n = x^{kn}\left(\frac{1-x^{d-k+1}}{1-x}\right)^n.\tag{2}$$

Cette fonction de génération inclut des termes pour les événements où dépasse k , nous devons donc les soustraire. Par conséquent, la fonction génératrice du nombre de façons de former des valeurs de X , étant donné K = k , est$K$$k$$X$$K=k$

$$f_{(n,d,k)}(x)^n - f_{(n,d,k+1)}(x)^n.\tag{3}$$

Constatant que la somme des valeurs les plus élevées est la somme de toutes les valeurs moins la plus petite, égale à X - K . La fonction génératrice doit donc être divisée par k . Il devient une fonction génératrice de probabilité lors de la multiplication par la chance commune de toute combinaison de dés, ( 1 / d ) n :$n-1$$X-K$$k$$(1/d)^n$

$$d^{-n}\sum_{k=1}^dx^{-k}\left(f_{(n,d,k)}(x)^n - f_{(n,d,k+1)}(x)^n\right).\tag{4}$$

Étant donné que tous les produits et puissances polynomiaux peuvent être calculés dans des opérations (ce sont des convolutions et peuvent donc être effectuées avec la transformée de Fourier rapide discrète), l'effort de calcul total est O ( $O(n\log n)$ . Il s'agit en particulier d'un algorithme polynomial temporel.$O(k\,n\log n)$

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Exemple

Reprenons l'exemple de la question avec et d = 6 .$n=4$$d=6$

La formule pour le PGF de X conditionnel à K ≥ k donne$(1)$$X$$K\ge k$

$$\eqalign{ f_{(4,6,1)}(x) &= x+x^2+x^3+x^4+x^5+x^6 \\ f_{(4,6,2)}(x) &= x^2+x^3+x^4+x^5+x^6 \\ \ldots \\ f_{(4,6,5)}(x) &= x^5+x^6 \\ f_{(4,6,6)}(x) &= x^6 \\ f_{(4,6,7)}(x) &= 0. }$$

Les élever à la puissance comme dans la formule ( 2 ) produit$n=4$$(2)$

$$\eqalign{ f_{(4,6,1)}(x)^4 &= x^4 + 4x^5 + 10 x^6 + \cdots + 4x^{23} + x^{24} \\ f_{(4,6,2)}(x)^4 &= x^8 + 4x^9 + 10x^{10}+ \cdots + 4x^{23} + x^{24} \\ \ldots \\ f_{(4,6,5)}(x)^4 &=x^{20} + 4 x^{21} + 6 x^{22} + 4x^{23} +x^{24}\\ f_{(4,6,6)}(x)^4 &= x^{24}\\ f_{(4,6,7)}(x)^4 &= 0 }$$

Leurs différences successives dans la formule sont$(3)$

$$\eqalign{ f_{(4,6,1)}(x)^4 - f_{(4,6,2)}(x)^4 &= x^4 + 4x^5 + 10 x^6 + \cdots + 12 x^{18} + 4x^{19} \\ f_{(4,6,2)}(x)^4 - f_{(4,6,3)}(x)^4 &= x^8 + 4x^9 + 10x^{10} + \cdots + 4 x^{20} \\ \ldots \\ f_{(4,6,5)}(x)^4 - f_{(4,6,6)}(x)^4 &=x^{20} + 4 x^{21} + 6 x^{22} + 4x^{23} \\ f_{(4,6,6)}(x)^4 - f_{(4,6,7)}(x)^4 &= x^{24}. }$$

La somme résultante dans la formule est$(4)$

$$6^{-4}\left(x^3 + 4x^4 + 10x^5 + 21x^6 + 38x^7 + 62x^8 + 91x^9 + 122x^{10} + 148x^{11} + \\167x^{12} + 172x^{13} + 160x^{14} + 131x^{15} + 94x^{16} + 54x^{17} + 21x^{18}\right).$$

For example, the chance that the top three dice sum to $14$ is the coefficient of $x^{14}$, equal to

$$6^{-4}\times 160 = 10/81 = 0.123\,456\,790\,123\,456\,\ldots.$$

It is in perfect agreement with the probabilities quoted in the question.

By the way, the mean (as calculated from this result) is $15869/1296 \approx 12.244598765\ldots$ and the standard deviation is $\sqrt{13\,612\,487/1\,679\,616}\approx 2.8468444$.

A similar (unoptimized) calculation for $n=400$ dice instead of $n=4$ took less than a half a second, supporting the contention that this is not a computationally demanding algorithm. Here is a plot of the main part of the distribution:

Since the minimum $K$ is highly likely to equal $1$ and the sum $X$ will be extremely close to having a Normal$(400\times 7/2, 400\times 35/12)$ distribution (whose mean is $1400$ and standard deviation is approximately $34.1565$), the mean must be extremely close to $1400-1=1399$ and the standard deviation extremely close to $34.16$. This nicely describes the plot, indicating it is likely correct. In fact, the exact calculation gives a mean of around $2.13\times 10^{-32}$ greater than $1399$ and a standard deviation around $1.24\times 10^{-31}$ less than $\sqrt{400\times 35/12}$.

Edit: @SkySpiral has had trouble getting the below formula to work. I currently don't have time to work out what the issue is, so if you're reading this it's best to proceed under the assumption it's incorrect.

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I'm not sure about the general problem with varying numbers of dice, sides, and drops, but I think I can see an efficient algorithm for the drop-1 case. The qualifier is that I'm not completely sure that it's correct, but right now I can't see any flaws.

Let's start by not dropping any dice. Suppose $X_n$ represents the $n$th die, and suppose $Y_n$ represents the sum of $n$ dice. Then

$$p(Y_n = a) = \sum_k p(Y_{n-1} = a - k)p(X_n=k)$$

Now suppose $Z_n$ is the sum of $n$ dice when one die is dropped. Then

$$p(Z_n = a) = p(\text{$n$th die is the smallest})p(Y_{n-1} = a) + \\ p(\text{$n$th die is not the smallest})\sum_k p(Z_{n-1} = a - k)p(X_n=k)$$

If we define $M_n$ to be distribution of the minimum of $n$ dies, then

$$p(Z_n = a) = p(X_n \leq M_{n-1})p(Y_{n-1} = a | X_n \leq M_{n-1}) + \\ p(X_n > M_{n-1})\sum_k p(Z_{n-1} = a - k)p(X_n=k | X_n > M_{n-1})$$

and we can calculate $M_n$ using

$$p(M_n = a) = p(X_n \leq M_{n-1})p(X_n = a |X_n \leq M_{n-1}) + p(X_n > M_{n-1})p(M_{n-1} = a|X_n > M_{n-1})$$

Anyway, together this all suggests a dynamic programming algorithm based on $Y_n, Z_n$ and $M_n$. Should be quadratic in $n$.

edit: A comment has been raised on how to calculate $p(X_n \leq M_{n-1})$. Since $X_n, M_{n-1}$ can each only take on one of six values, we can just sum over all possibilities:

$$p(X_n \leq M_{n-1}) = \sum_{a,b} p(X_n = a, M_{n-1} = b, a \leq b)$$

Similarly, $p(X_n = k | X_n > M_{n-1})$ can be calculated by applying Bayes rule then summing over the possible values of $X_n, M_{n-1}$.

I have a reasonably efficient algorithm for this that, on testing, seems to match results of pure brute force while relying less heavily on enumerating all possibilities. It's actually more generalized than the above problem of 4d6, drop 1.

Some notation first: Let $X_NdY$ indicate that you are rolling $X$ dice with $Y$ faces (integer values $1$ to $Y$), and considering only the highest $N$ dice rolled. The output is a sequence of dice values, e.g. $4_3d6$ yields $3, 4, 5$ if you rolled $1, 3, 4, 5$ on the four dice. (Note that I'm calling it a "sequence," but the order is not important here, particularly since all we care about in the end is the sum of the sequence.)

The probability $P(X_NdY = S)$ (or more specifically, $P(4_3d6 = S)$) is a simplified version of the original problem, where we are only considering a specific set of dice, and not all possible sets that add up to a given sum.

Suppose $S$ has $k$ distinct values, $s_0, s_1, ..., s_k$, such that $s_i > s_{i+1}$, and each $s_i$ has a count of $c_i$. For example, if $S = 3, 4, 4, 5$, then $(s_0,c_0) = (5,1)$, $(s_1,c_1) = (4,2)$, and $(s_2,c_2) = (3,1)$.

You can calculate $P(X_NdY = S)$ in the following way:

$$P(X_NdY = S) = \frac{ \left( \prod_{i=0}^{k-1} {X - \sum_{h=0}^{i-1} c_h \choose c_i} \right) \left( \sum_{j=0}^{X-N} { c_k+X-N \choose c_k+X-N-j} (s_k-1)^j \right)}{ Y^X }$$

That's pretty messy, I know.

The product expression $\prod_{i=0}^{k-1}$ is iterating through all but the lowest of the values in $S$, and calculating all the ways those values may be distributed among the dice. For $s_0$, that's just $X \choose c_i$, but for $s_1$, we have to remove the $c_0$ dice that have already been set aside for $s_0$, and likewise for $s_i$ you must remove $\sum_{h=0}^{i-1}c_h$.

The sum expression $\sum_{j=0}^{X-N}$ is iterating through all the possibilities of how many of the dropped dice were equal to $s_k$, since that affects the possible combinations for the un-dropped dice with $s_k$ as their value.

By example, let's consider $P[4_3d6=(5,4,4)]$:

$$(s_1, c_1) = (5, 1)$$ $$(s_2, c_2) = (4, 2)$$

So using the formula above:

$$P[4_3d6=(5,4,4)] \\ = \frac{ {4 \choose 1} \left( {3 \choose 3} \cdot 3^0 + {3 \choose 2} \cdot 3^1 \right) }{ 6^4 } \\ = \frac{5}{162} = 0.0\overline{308641975}$$

The formula breaks down on a domain issue when $s_k=1$ and $j=0$ in the summation, leading to a first term of $0^0$, which is indeterminate and needs to be treated as $1$. In such a case, a summation is not actually necessary at all, and can be omitted, since all the dropped dice will also have a value of $s_k = 1$.

Now here's where I do need to rely on some brute force. The original problem was to calculate the probability of the sum being some value, and $X_NdY$ represents the individual dice left after dropping. This means you must add up the probabilities for all possible sequences $S$ (ignoring ordering) whose sum is the given value. Perhaps there is a formula to calculate this across all such values of $S$ at once, but I haven't even tried broaching that yet.

I've implemented this in Python first, and the above is an attempt to express it mathematically. My Python algorithm is accurate and reasonably efficient. There are some optimizations that could be made for the case of calculating the entire distribution of $\sum X_NdY$, and maybe I'll do that later.