Cân nhắc chẵn lẻ đưa ra một giải pháp rất sạch sẽ, sử dụng máy móc đơn giản đáng ngạc nhiên: không có chuỗi Markov, không có kỳ vọng lặp lại và chỉ có các cuộc tổng kết cấp trung học. Ý tưởng cơ bản là nếu con nhện di chuyển số lần chẵn trongx hướng, nó đã trở lại ban đầu của nó xphối hợp để không thể ở vị trí của con kiến. Nếu nó đã di chuyển một số lần lẻ trongx hướng, sau đó của nó xphối hợp khớp với kiến. Chỉ khi nó di chuyển một số lần lẻ theo cả ba hướng thì nó mới khớp vớix, y và z tọa độ của kiến.
Ban đầu, con nhện đã không di chuyển theo bất kỳ hướng nào trong ba hướng, do đó, tính chẵn lẻ cho mỗi hướng là chẵn. Tất cả ba chẵn lẻ cần phải được lật để đạt được con kiến.
Sau động tác đầu tiên của con nhện (hãy dán nhãn theo hướng đó x), exactly one direction has odd parity and the other two (y and z) are even. To catch the ant, only those two parities need to be reversed. Since that can't be achieved in an odd number of subsequent moves, from now on we consider pairs of moves. There are nine possible combinations for the first paired move:
(x,x),(x,y),(x,z),(y,x),(y,y),(y,z),(z,x),(z,y),or(z,z)
We need to move in the y and z directions to reach the ant after one paired move, and two out of nine combinations will achieve this: (y,z) and (z,y) would ensure all three parities are odd.
The other seven combinations leave one odd and two even parities. The three repeated moves, (x,x), (y,y) or (z,z), leave all parities unchanged so we still require one y and one z movement to reach the ant. The other pairs contain two distinct moves, including one in the x direction. This switches the parity of x and one of the other parities (either y or z) so we are still left with one odd and two even parities. For instance the pair (x,z) leaves us needing one more x and one more y to reach the ant: an equivalent situation (after relabelling of axes) to where we were before. We can then analyse the next paired move in the same way.
In general paired moves start with one odd and two even parities, and will either end with three odd parities (with probability 29) and the immediate capture of the ant, or with one odd and two even parities (with probability 79) which returns us to the same situation.
Let M be the number of paired moves required to reach the ant. Clearly M follows the geometric distribution on the support {1,2,3,…} with probability of success p=29 so has mean E(M)=p−1=92=4.5. Let N be the total number of moves required, including the initial move and the M subsequent paired moves. Then N=2M+1 so, applying linearity of expectations, E(N)=2E(M)+1=2×4.5+1=10.
Alternatively you might note P(M≥m)=(79)m−1 and apply the well-known formula for the mean of a discrete distribution taking only non-negative integer values, E(M)=∑∞m=1P(M≥m). This gives E(M)=∑∞m=1(79)m−1 which is a geometric series with first term a=1 and common ratio r=79 so has sum a1−r=11−7/9=12/9=92. We can then take E(N) as before.
Comparison to Markov chain solutions
How might I have spotted this from the Markov chain transition matrix? Using @DLDahly's notation, the states in the transition matrix correspond to my description of the number of the number of directions with odd parity.
The one-step transition matrix is
P=⎡⎣⎢⎢⎢PS→SPA→SPB→SPE→SPS→APA→APB→APE→APS→BPA→BPB→BPE→BPS→EPA→EPB→EPE→E⎤⎦⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎢01/300102/3002/300001/31⎤⎦⎥⎥⎥⎥
The first row show us that after one movement, the spider is guaranteed to be in state A (one odd and two even parities). The two-step transition matrix is:
P(2)=P2=⎡⎣⎢⎢⎢⎢1/302/9007/9002/304/9002/91/31⎤⎦⎥⎥⎥⎥
The second row shows us that once the spider has entered state A, in two moves time it has either returned to state A with probability 7/9 or has reached state E (all odd parities) and captured the ant, with probabilty 2/9. Vì vậy, khi đạt đến trạng thái A, chúng ta thấy từ ma trận chuyển tiếp hai bước rằng số lượng bước di chuyển hai bước cần thiết có thể được phân tích bằng cách sử dụng phân phối hình học như trên. Đây không phải là cách tôi tìm thấy giải pháp của mình, nhưng đôi khi đáng để tính toán một vài sức mạnh đầu tiên của ma trận chuyển đổi để xem liệu một mẫu hữu ích như thế này có thể được khai thác hay không. Thỉnh thoảng tôi thấy điều này đưa ra các giải pháp đơn giản hơn là phải đảo ngược ma trận hoặc thực hiện phân tích bằng tay - thừa nhận một điều gì đó chỉ thực sự phù hợp trong một tình huống thi hoặc phỏng vấn.