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Niveau énigmes
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Papa Noël secret

Posté par
Rintaro
25-11-22 à 16:28

Bonjour à tous, suite à une réflexion et une situation personnelle, je vous propose ce petit exercice/cette petite énigme. Je n'ai pas encore la solution, mais j'y travaille ! Sachant que le mois de décembre arrive à grand pas, on va glisser petit à petit dans l'esprit de Noël si vous le voulez bien.

On organise un père Noël secret entre couples, c'est-à-dire entre 2n individus. Chaque personne marque son nom sur un papier et dépose celui-ci dans une urne. Ensuite, chacun à son tour, les participants tirent au hasard uniformément un papier dans l'urne afin d'offrir un cadeau à la personne dont le nom est écrit sur ce papier. Les règles sont les suivantes :

- on ne peut pas piocher son nom ;
- on ne peut pas piocher le nom de son partenaire.

Si l'un des deux cas se produit lors d'un tirage, la personne remet le papier et en tire un nouveau.  On s'intéresse alors au nombre moyen de tirages nécessaires pour arriver à configuration valide (si la formule est trop compliquée pour n fixe, on pourra approximer le nombre cherché ou regarder un résultat asymptotique en passant à la limite comme avec la loi forte des grands nombres etc).

Je propose le modèle (vous pouvez la changer si vous le souhaitez, c'est simplement comme ça que je conçois le problème) :

On souhaite tirer une permutation aléatoire \sigma_{2n} vérifiant :

- \forall k \in \{ 1, \dotsb, 2n\} ~~:~~ \sigma_{2n}(k) \neq k ;
- \forall k \in \{1, \dotsb, n\} ~~:~~ \sigma_{2n}(2k-1) \neq 2k ~~\text{et}~~ \sigma_{2n}(2k) \neq 2k-1

De la manière la plus simple, on va tirer \sigma_{2n} uniformément au hasard parmi les (2n)! permutations possibles et, si celle-ci ne vérifie par les critère ci-dessus, on en tire une autre. On s'intéresse alors à l'espérance (éventuellement asymptotique si un calcul exact n'est pas possible dans le cas n fixe) de la variable aléatoire qui modélise combien de fois on recommence le tirage.

Je rappelle ici que le nombre aléatoire de points fixes de \sigma_{2n} converge en distribution vers une loi de Poisson de paramètre 1, si ça peut aider (je n'en sais rien à vrai dire, mais c'est ma seule piste).

Blankez ou non, mais amusez-vous .

Posté par
ty59847
re : Papa Noël secret 25-11-22 à 16:56

Qu'appelle-t-on recommencer le tirage ?
On a par exemple 10 couples (A0 à A9,  et B0 à B9). on a déjà désigné les 18 premiers éléments.
Il resta B8 et B9,  et on sait que les 2 personnes qui n'ont toujours pas reçu de cadeau, ce sont B0 et A9.
C'est B8 qui doit tirer , s'il tire B0, on peut considérer que c'est compatible, mais B9 doit maintenant tirer un papier, et il n'en reste qu'un dans l'urne, et pas de chance, c'est le nom de son conjoint.
On recommence le tirage à quel niveau ? On dit que B0 retire ... jusqu'à tirer A9 ?
Ou on dit qu'on annule tout, et tout le monde retire ?

En fait , tu as répondu à cette question.

On place les 2n papiers  alignés aléatoirement sur la table, un papier devant chaque participant.
Chacun prend le papier devant lui.
Si le tirage obtenu est valide, c'est fini, sinon on recommence.

Posté par
Rintaro
re : Papa Noël secret 25-11-22 à 17:07

Tout à fait ty59847, merci. Je te présente mes excuses : mon énoncé est vraiment confus après relecture. Ta dernière interprétation résume parfaitement le problème comme je l'imagine.

Rectification donc : chaque participant tire un papier et une fois ce processus terminé, tout le monde regarde le nom inscrit sur son papier. Si les règles ne sont pas respectées (s'il s'avère qu'un participant a tiré son nom ou celui de sa conjointe ou de son conjoint), on recommence le tirage et ainsi de suite.

Dit comme ça, je pense que je ne vais pas appliquer ce processus à Noël, je risque d'ennuyer mes amis rapidement...

Je dois m'absenter pour ce soir, si le problème manque encore de précisions, il ne faut pas hésiter à me le signaler.

Posté par
ty59847
re : Papa Noël secret 25-11-22 à 17:28

En fait, en lisant ton message, je pensais à la coupe UEFA (foot) des clubs champions, où il y a cette problématique.
Il y a un certain nombre d'équipes, et il faut constituer des poules. Disons 32 équipes et 8 poules de 4. Mais il ne faut pas avoir 2 clubs du même pays dans une poule.
Je crois que pendant le tirage, ils tirent une première équipe.
Si c'est Madrid par exemple, ils retirent les autres équipes espagnoles de l'urne, et il tirent une 2ème équipe etc etc.
Mais quand ils arrivent au tirage de la poule 6 ou 7, ils font toute une gymnastique. S'il reste 3 équipes italiennes, ils vont imposer une équipe italienne dans la poule 6, et une dans la poule 7, pour ne pas arriver à une impasse pour la poule 8.

Bon c'est hors sujet, et je ne m'intéresse pas du tout au foot, mais la problématique existe réellement dans la vraie vie.

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Posté par
jandri Correcteur
re : Papa Noël secret 25-11-22 à 18:10

Bonjour,

je ne suis pas aussi pessimiste que ty59847 puisque pour n>2 l'espérance décroît lentement jusqu'à environ 7,389. C'est étudié ici :

Posté par
carpediem
re : Papa Noël secret 25-11-22 à 18:36

salut

une autre vision/reformulation de ton pb qui peut peut-être amener à la solution ... et qui viendra peut-être au fur et à mesure que je rédige ce msg ...

les n couples {1, 2}, {3, 4}, ..., {2n - 1, 2n} forment une partition P de l'ensemble E = {1, 2, 3, ..., 2n - 1, 2n}

or le nombre de partitions de E en n ensembles de 2 éléments est le coefficient multinomial N = \dfrac {n!} {(2!)^n}

ensuite on cherche le nombre p de partitions Q de E ne rencontrant pas la partition P donc telles que P \cap Q = \O

tout le pb est de trouver p ... et la solution n'est pas venue maintenant que j'ai fini de rédiger mon propos !!


bon en fait peut-être une idée :

en notant A l'ensemble des partitions de E en n parties à deux éléments donc de cardinal N ...

ha non l'dée n'est pas bonne ... désolé ...

en fait si peut-être : on cherche le nombre d'injections i de P dans A sans point fixe
donc telle qu'on ait jamais i ({2k + 1, 2k + 2}) {2k + 1, 2k + 2} pour tout k de [[0, n - 1]]

et si i ({p, p + 1}) = {p, q} ou si i ({p, p + 1}) = {p + 1, q}


je n'efface pas mais biffe seulement car peut-être est-ce une idée à creuser ...

en fait il faut que i(\{p, p + 1 \}) \cap \{p, p + 1 \} = \O  pour tout p impair de E

Posté par
Rintaro
re : Papa Noël secret 27-11-22 à 13:18

Bonjour et merci à tous pour votre participation, je n'ai pas abandonné ce petit exercice .

Tes idées carpediem m'ont lancées sur des pistes qui n'ont pas abouties malheureusement, mais je pense qu'on peut faire quand même quelque chose... j'ai essayé de mélanger mon idée de permutation aléatoire (je suis têtu comme un âne malheureusement) mais cette fois à valeurs dans des partitions de {1, ..., 2n}, j'y travaille encore.

jandri merci beaucoup pour le lien, j'ai épluché quelques articles grâce à mes identifiants de ma faculté, ça ne semble pas trivial à montrer ! Pour ceux qui seraient intéressés, on y montre que le calcul fait intervenir les polynômes de Laguerre. Par manque de temps et surtout par manque de connaissances, je n'ai pas compris plus que ça.

J'ai aussi vu que l'idée de permutation aléatoire semblait être la bonne dans le lien de jandri, notamment en regardant le multi-ensemble {1,1,2,2, ..., n,n} dont je ne connaissais pas la notion (c'est un ensemble dans lequel on se permet des répétitions). Je vous tiens au courant de mes avancées !

Posté par
Rintaro
re : Papa Noël secret 27-11-22 à 13:27

J'oublie de préciser que le nombre dans le message de jandri est exactement e^2, ce qui me laisse penser que l'on doit bien travailler avec les points fixes d'une permutation aléatoire dont la distribution converge vers une loi de Poisson de paramètre 1, en exploitant alors que e² = P(X = 0)² pour X suivant une Poisson(1) ; mais après je cherche dans le sens du résultat ce qui n'est jamais bon on verra bien !

Une autre idée : poser \tau := (1 ~ 2)(3 ~ 4) \dotsb (2n-1 ~~ 2n) et regarder la probabilité P(\sigma_{2n} \text{ n'a pas de points fixes et } \tau \sigma_{2n} \text{ non plus} ) en remarquant alors que tau sigma est aussi une permutation aléatoire... à voir.



Bonne continuation

Posté par
Rintaro
re : Papa Noël secret 27-11-22 à 14:03

Correction : lire e² = P(X=0)-2 surtout.



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