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Vinte e três pessoas bastam

A pergunta conta pares, e pares crescem com o quadrado.

Quadro do vídeo “Vinte e três pessoas bastam” Vídeo pronto — em breve no canal
5:05 de vídeo 1 simulação 2 shorts

A pergunta

Uma sala, e pessoas entrando uma por uma. A cada pessoa que entra, a mesma pergunta: já existem duas aqui dentro que fazem aniversário no mesmo dia? O ano tem 365 dias. Quantas pessoas precisam entrar para que a coincidência fique mais provável do que improvável?

O palpite mais comum fica perto da metade do ano — 180, 150 — e há quem diga que só com uns trezentos e poucos dá para ter segurança. A resposta é 23. Com 23 pessoas a chance de duas compartilharem o aniversário já é de 50,73%. Com 60 pessoas, 99,4%. Com 70, 99,92%.

Cada ponto é uma pessoa no dia do aniversário dela; cada corda dourada é um par. Aperte Sala de 23 várias vezes: mais ou menos metade das salas tem uma coincidência.

Vinte e três é uma sala de aula pequena, um time de futebol com os reservas e o técnico. O número parece impossível — e o motivo de parecer impossível é a parte mais interessante do problema.

Conte pares, não pessoas

O erro não está na conta: está na pergunta que a cabeça ouviu. “Duas pessoas no mesmo dia” não tem ninguém no centro. Serve qualquer par. Então conte o que a pergunta conta: pares de pessoas.

A primeira pessoa forma par com as outras 22. A segunda, com 21 que ainda não foram contadas. A terceira, com 20. Somando tudo:

Em geral, numa sala de pessoas, o número de pares é

(Essa soma tem uma prova que cabe num desenho: duas escadas iguais se encaixam num retângulo. Ela está nas provas sem palavras.)

O que importa é a velocidade. Pessoas crescem em linha reta; pares crescem com o quadrado. Dobre a sala de 23 para 46 e o número de pares não dobra: vai de 253 para 1.035, quatro vezes mais.

As linhas vermelhas são os pares que passam por você: n − 1. As douradas são todos os outros. À direita, as duas contagens lado a lado.

A conta, pelo avesso

Calcular “pelo menos duas coincidem” diretamente é horrível: pode ser um par, dois pares, um trio, um par e um trio… Calcular o contrário — “ninguém coincide com ninguém” — é fácil, e a resposta é tudo o que sobra.

A primeira pessoa entra e pode nascer em qualquer dia. A segunda precisa evitar um dia: chance . A terceira precisa evitar dois: . A -ésima precisa evitar dias. Como os aniversários são independentes, as chances se multiplicam:

Cada fração é quase 1. Mas com 23 pessoas são 22 frações multiplicadas, e “quase 1” multiplicado 22 vezes desaba:

PessoasParesAlguma coincidênciaAlguém no seu dia
104511,7%2,4%
2019041,1%5,1%
2325350,7%5,9%
3043570,6%7,6%
4078089,1%10,1%
501.22597,0%12,6%
571.59699,0%14,2%
601.77099,4%14,9%
702.41599,9%17,2%

Repare na linha de 57 pessoas: a chance já passa de 99%. E em nenhum momento a tabela precisou de 366 pessoas — que é o único número que garante uma coincidência (pelo princípio da casa dos pombos).

De onde vem a raiz quadrada

A tabela não explica por que 23. A aproximação explica. Para pequeno, ; aplicando a cada fator do produto,

Olhe o expoente: é o número de pares dividido por . A chance de ninguém coincidir é como se cada um dos pares tivesse, sozinho, chance de coincidir, e todos fossem independentes. Igualando a ½:

Para , e 23,0. A sala precisa crescer com a raiz quadrada do número de dias, e não com o número de dias. É essa raiz que a intuição não enxerga.

A curva verde é a chance de duas pessoas quaisquer coincidirem; a vermelha, a de alguém no seu dia. Troque os 365 dias por códigos hexadecimais para ver a mesma raiz quadrada em escala de computador.

A intuição não é burra: é egocêntrica

Quando alguém diz “duas pessoas no mesmo dia”, a gente se imagina na sala procurando quem faça aniversário no nosso dia. Essa é outra pergunta, e para ela 23 é pouco mesmo. A chance de pelo menos uma entre outras pessoas nascer no seu dia é

e ela só passa de 50% com 253 outras pessoas. A conta é honesta; a pergunta é que era outra. “Alguém no meu dia” olha 22 pares, todos passando por você. “Duas pessoas quaisquer” olha 253 — onze vezes e meia mais chances, na mesma sala.

Onde isso aparece de verdade

Todo sistema que gera códigos que deveriam ser únicos vive esse problema.

Hashes curtos. O Git identifica cada versão do código por um hash enorme e, por padrão, mostra só os sete primeiros dígitos hexadecimais. São 268.435.456 possibilidades. Pela mesma raiz quadrada, a chance de dois desses códigos curtos coincidirem chega a 50% com cerca de 19.291 versões — em repositórios grandes isso acontece de fato, e é por isso que o Git estica a abreviação quando precisa.

O ataque do aniversário. Uma assinatura digital de bits tem valores possíveis. Para achar uma mensagem com a assinatura de outra específica, você precisa de uns chutes — é a pergunta “alguém no meu dia”. Para achar duas mensagens quaisquer com a mesma assinatura, bastam uns :

Por isso uma assinatura de 128 bits resiste a colisões como se tivesse 64 — metade da força, de graça, só porque servem duas quaisquer. É o motivo de funções de hash modernas usarem 256 bits ou mais.

Identificadores aleatórios. Um UUID versão 4 tem 122 bits sorteados. A chance de colisão chega a 50% só depois de uns identificadores — gerando um bilhão por segundo, seriam uns 86 anos. Aqui a raiz quadrada trabalha a favor.

Variações

Três pessoas no mesmo dia. Exigir um trio muda tudo: a sala precisa de 88 pessoas para passar de 50% (com 88, a chance é 51,1%). A conta exata soma as salas em que nenhum dia tem mais de duas pessoas:

Aniversários vizinhos. Se contar como coincidência nascer no mesmo dia ou em dias consecutivos, bastam 14 pessoas (53,7% com 14).

Anos desiguais. Na vida real os nascimentos não se distribuem por igual: há meses mais cheios que outros. Isso só aumenta a chance de coincidência — a distribuição uniforme é o pior caso, e as contas acima são um piso.

A primeira coincidência. Se as pessoas entram uma por uma, a primeira coincidência chega, em média, na 24,62ª pessoa. A distribuição completa aparece na vista Mil salas do laboratório.

Os números do episódio

O que o vídeo diz Valor De onde sai
23 pessoas, todos com dias diferentes 0,4927 ∏ (1 − k/365), k = 0…22
23 pessoas, alguma coincidência 50,73% 1 − 0,4927
60 pessoas 99,41% o mesmo produto, até k = 59
pares em 23 pessoas 253 23 · 22 / 2
pares em 46 pessoas 1.035 46 · 45 / 2 — quatro vezes mais
pessoas para 50% no seu dia 253 1 − (364/365)m ≥ ½
códigos com 7 dígitos hexadecimais 268.435.456 167
colisão a 50% com 7 dígitos 19.291 versões ≈ 1,1774 · √(167)
assinatura de 128 bits, contra colisão ≈ 2⁶⁴ tentativas √(2128) = 264

Desafios

Desafio 1 · aquecimento

Numa turma de 40 alunos, quantos pares existem? E qual é a chance de dois alunos fazerem aniversário no mesmo dia?

Ver a solução

São pares. A chance de alguma coincidência é 89,1% — e se a turma não tiver nenhuma, ela é a exceção.

Desafio 2 · pede uma ideia

Use a aproximação para estimar quantas pessoas são necessárias para 90% de chance de coincidência com 365 dias. Confira com a vista A curva.

Ver a solução

Queremos , isto é, , logo . A conta exata dá 41 pessoas com 90,3% — a aproximação erra por menos de uma pessoa.

Desafio 3 · pede uma ideia

Um sistema gera códigos de 6 dígitos decimais (um milhão de possibilidades). Depois de quantos códigos sorteados a chance de repetição passa de 50%?

Ver a solução

. A conta exata dá 1.178. Um milhão de possibilidades, e pouco mais de mil códigos já tornam a repetição provável.

Desafio 4 · pede várias

Mostre que, para qualquer número de dias , a chance de coincidência com pessoas é no máximo . Por que essa cota é boa quando a chance é pequena e péssima quando é grande?

Ver a solução

A coincidência acontece se algum par coincidir. A chance de uma união de eventos é no máximo a soma das chances (desigualdade de Boole), e cada um dos pares coincide com chance exatamente . A cota trata os pares como se nunca coincidissem juntos; quando a chance é pequena isso quase nunca acontece mesmo, e a cota é justa. Quando a chance é grande, muitos pares coincidem ao mesmo tempo e a soma conta a mesma sala várias vezes — com 60 pessoas a cota dá 4,85, mais que 1.

Para ir além

  • O problema costuma ser atribuído a Richard von Mises, que o publicou em 1939. As contas exatas de trios e de aniversários vizinhos são clássicas da literatura de probabilidade.
  • O mesmo raciocínio de pares aparece no problema da parada ótima e em qualquer pergunta sobre coincidências: antes de calcular, pergunte se ela é sobre você ou sobre dois quaisquer.
  • No laboratório, as quatro vistas desta página aparecem juntas, com controles completos.

No laboratório

As figuras deste episódio, em tamanho grande e com todos os controles.

Shorts deste episódio

Cortes verticais com a mesma narração — e as provas sem palavras que acompanham o tema.

1:25

A conta pelo avesso

Em breve no canal

1:48

Vinte e três pessoas bastam

Em breve no canal

Para assistir depois

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