Lanciando palle in bidoni, stimare un limite inferiore della sua probabilità


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Questo non è un compito, anche se sembra. Qualsiasi riferimento è il benvenuto. :-)

Scenario: ci sono palline n diverse e bidoni diversi (etichettati da 1 a , da sinistra a destra). Ogni palla viene lanciata in modo indipendente e uniforme in bidoni. Sia il numero di palline -esimo contenitore. Lascia che denoti il ​​seguente evento.n nf(i)iEi

Per ogni ,j≤i∑k≤jf(k)≤j−1

Cioè, i primi cassoni (più a sinistra bin) contiene meno di palline, per ogni .jjjj≤i

Domanda: Stima , in termini di ? Quando diventa infinito. È preferibile un limite inferiore. Non credo esista una formula facilmente calcolabile.∑i<nPr(Ei)nn

Esempio: . Nota Pr (E_n) = 0 .limn→∞Pr(E1)=limn→∞(n−1n)n=1ePr(En)=0

La mia ipotesi: suppongo ∑i<nPr(Ei)=ln⁡n , quando n diventa infinito. Ho considerato i primi ln⁡n elementi della sommatoria.


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Sembra una sottostima del problema del compleanno ..
— Gopi

@Gopi Non riesco a convincermi che la mia domanda sia un problema di compleanno limitato. Puoi spiegarlo esplicitamente? Grazie mille. Nota: il vincolo è sulla somma delle palline nei primi bin , non sul numero di bin sul contenitore specifico. j
— Peng Zhang,

Anzi, mio ​​male, dopo aver riletto l'articolo di Wikipedia sul problema del compleanno, mi sono reso conto che stavo considerando un altro problema che è stato adattato dal problema del compleanno.
— Gopi,

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Alcune idee errate ... Quindi pensa a come codificare uno stato: leggi il modulo bin da sinistra a destra. Se il primo cestino ha i palline, emette una sequenza di i seguita da uno 0. Fallo per tutti i contenitori da sinistra a destra. La tua codifica sembra essere quella che ti interessa nel più grande in modo tale che questa stringa binaria (che ha n zero e n uno) per la prima volta ne contenga più di zero. Ora, facciamo un salto nel destino e generiamo lo 0 e 1 con uguale probabilità . (Questa potrebbe essere una totale assurdità). Questo problema è legato ai numeri catalani e alle parole Dyck. E...??? 1/2
— Sariel Har-Peled,

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Nella tua definizione non vedo perché sia ​​importante che le palle siano diverse. Inoltre, l'integrazione di stringhe tiene conto del fatto che i bin sono diversi.
— Sariel Har-Peled,

Risposte:


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EDIT: (08-08-2014) Come sottolinea Douglas Zare nei commenti, l'argomento di seguito, in particolare il "ponte" tra le due probabilità, è errato. Non vedo un modo semplice per risolverlo. Lascerò la risposta qui poiché credo che fornisca ancora un po 'di intuizione, ma sappi che non è vero in generale.

Pr(Em)≤∏l=1mPr(Fl)

Questa non sarà una risposta completa, ma si spera che abbia abbastanza contenuti che tu o qualcuno più esperto di me possa finirlo.

Considera la probabilità che esattamente palle cadano nei primi (di n ) contenitori:lkln

(nK)(ln)K(n-ln)n-K

Chiama la probabilità che meno di pallina cada nei primi bidoni :l F lllFl

Pr(Fl)=ΣK=0l-1(nK)(ln)K(n-ln)n-K

La probabilità che l'evento, , sopra si verifica è inferiore se abbiamo considerato ciascuno dei eventi che si verificano in modo indipendente e tutto in una volta. Questo ci dà un ponte tra i due:F lElFl

Pr(Em)≤Πl=1mPr(Fl)=Πl=1m(ΣK=1l-1(nK)(lnK)(n-ln)n-K)=Πl=1mF(l-1;n,ln)

Dove è la funzione di distribuzione cumulativa per la distribuzione binomiale con . Basta leggere alcune righe sulla pagina di Wikipedia e notare che , possiamo usare la disuguaglianza di Chernoff per ottenere:p=lF(l-1;n,ln) (l-1≤pn)p=ln(l−1≤pn)

Pr(Em)≤∏l=1mexp⁡[−12l]=exp⁡[−12∑l=1m1l]=exp⁡[−12Hm]≤exp⁡[−12(12m+ln⁡(m)+γ)]

Dove è il 'th Harmonic Number , è la costante di Euler-Mascheroni e la disuguaglianza per è presa dalla pagina collegata di MathWorld di Wolfram. m γ H mHmmγHm

Non preoccuparti del fattore , questo alla fine ci dà:e−1/4m

Pr(Em)≤e−γ/2m

Di seguito è riportato un diagramma log-log di una media di 100.000 istanze per in funzione di con la funzione tracciata anche come riferimento:m e - γ / 2n=2048me−γ/2m

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Mentre le costanti sono disattivate, la forma della funzione sembra essere corretta.

Di seguito è riportato un diagramma log-log per variare con ogni punto che rappresenta la media di 100.000 istanze in funzione di :mnm

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Infine, arrivando alla domanda originale a cui volevi rispondere, dato che sappiamo che abbiamo:Pr(Em)∝1m

∑i<nPr(Ei)∝n

E come verifica numerica, di seguito è riportato un diagramma log-log della somma, , rispetto alla dimensione dell'istanza, . Ogni punto rappresenta la media della somma di 100.000 istanze. La funzione è stata tracciata come riferimento:n x 1 / 2Snx1/2

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Mentre non vedo alcuna connessione diretta tra i due, i trucchi e la forma finale di questo problema hanno molti punti in comune con il problema del compleanno, come inizialmente indovinato nei commenti.


4
Come si ottiene ? Ad esempio, per , ho calcolato cheSe ti viene detto che il primo cestino è vuoto, ciò rende più o meno probabile che i primi due contenitori contengano al massimo palla? È più probabile, quindi è una sottovalutazione. n = 100 P r ( E 2 ) = 0.267946 > 0.14761 = P r ( F 1 ) P r ( F 2 ) . 1 P r ( F 1 ) P r ( F 2 )Pr(E2)≤Pr(F1)×Pr(F2)n=100Pr(E2)=0.267946>0.14761=Pr(F1)Pr(F2).1Pr(F1)Pr(F2)
— Douglas Zare,

@DouglasZare, ho verificato i tuoi calcoli, hai ragione. Mi serve bene per non essere più rigoroso.
— user834

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La risposta è .Θ(n)

Innanzitutto, calcoliamo .En−1

Supponiamo di lanciare palline in bidoni e di osservare la probabilità che un bidone contenga esattamente palline. Questa probabilità deriva dalla distribuzione di Poisson e quando va a la probabilità che ci siano esattamente palline in un dato bin è .n k n ∞ k 1nnkn∞k1e1k!

Ora, esaminiamo un modo diverso di distribuire le palline nei contenitori. Lanciamo un numero di palline in ogni cestino scelto dalla distribuzione di Poisson e condizioniamo nel caso in cui ci siano palline in totale. Sostengo che ciò dia esattamente la stessa distribuzione del lancio di palline in bidoni. Perché? E 'facile vedere che la probabilità di avere palle nel esimo bin è proporzionale a In entrambe le distribuzioni.n n k j j ∏ n j = 1 1nnnkjj∏j=1n1kj!

Quindi consideriamo una camminata casuale in cui ad ogni passo, vai da a con probabilità . Sostengo che se si condiziona l'evento che questa camminata casuale ritorna a 0 dopo passaggi, la probabilità che questa casuale rimanga sempre sopra è la probabilità che l'OP vuole calcolare. Perché? Questa altezza di questa passeggiata casuale dopo passi è meno il numero di palline nei primi bidoni.t + 1 - k 1tt+1−kn0sss1e1k!n0sss

Se avessimo scelto una camminata casuale con una probabilità di di salire o scendere su ogni passaggio, questo sarebbe il classico problema di scrutinio , per il quale la risposta è . Questa è una variante del problema di scrutinio che è stata studiata (vedi questo documento ) e la risposta è ancora . Non so se esiste un modo semplice per calcolare la costante per per questo caso. 11121 Θ(112(n−1)Θ(1Θ(1n)Θ(1n)

Lo stesso documento mostra che quando la camminata casuale è condizionata a terminare all'altezza , la probabilità di rimanere sempre positivi è fintanto che . Questo fatto ci consentirà di stimare per qualsiasi .kΘ(k/n)k=O(n)Ess

Sarò un po 'handwavy per il resto della mia risposta, ma le tecniche di probabilità standard possono essere utilizzate per renderlo rigoroso.

Sappiamo che siccome va a , questa camminata casuale converge in un ponte browniano, cioè un moto browniano condizionato per iniziare e terminare con . Dai teoremi di probabilità generali, per , la camminata casuale è approssimativamente a lontano dall'asse . Nel caso abbia altezza , la probabilità che sia rimasta sopra per tutto il tempo prima che sia . Poiché è probabile che sia quando , abbiamon∞0ϵn<s<(1−ϵ)nΘ(n)xt>00sΘ(t/s)tΘ(n)s=Θ(n)Es≈Θ(1/n).


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[Modifica 13-08-2014: Grazie a un commento di Peter Shor, ho modificato la mia stima del tasso di crescita asintotica di questa serie.]

La mia convinzione è che cresce come √limn→∞∑i<nPr(Ei) . Non ho una prova ma penso di avere un argomento convincente.n

Sia una variabile casuale che dia il numero di palline nel cestino i . Sia B i , j = ∑ j k = i B k una variabile casuale che dia il numero totale di sfere nei contenitori da i a j compreso.Bi=f(i)iBi,j=∑k=ijBkij

Ora puoi scrivere per qualsiasi j < i . A tal fine, introduciamo la funzione π e g i .Pr(Ei)=∑b<jPr(Ej∧B1,j=b)Pr(Ei∣Ej∧B1,j=b)j<iπgi

π(j,k,b)=Pr(Bj=k∣B1,j−1=b)=(n−bk)(1n−j+1)k(n−jn−j+1)n−b−k

gi(j,k,b)=Pr(Ei∧Bj,i≤k∣Ej−1∧B1,j−1=b)={0k<01k>=0∧j>i∑l=0j−b−1π(j,l,b)gi(j+1,k−l,b+l)otherwise

Possiamo scrivere in termini di g i :Pr(Ei)gi

Pr(Ei)=gi(1,i−1,0)

Ora, è chiaro dalla definizione di chegi

Pr(Ei)=(n−i)n−i+1nnhi(n)

dove è un polinomio in n di grado i - 1 . Questo ha anche un senso intuitivo; almeno n - i + 1 palline dovranno essere inserite in uno dei ( i + 1 ) th through n th bins (di cui ci sono n - i ).hi(n)ni−1n−i+1(i+1)nn−i

Poiché stiamo parlando di quando n → ∞ , è rilevante solo il coefficiente di piombo di h i ( n ) ; chiamiamo questo coefficiente a i . PoiPr(Ei)n→∞hi(n)ai

limn→∞Pr(Ei)=aiei

Come calcoliamo ? Bene, è qui che farò un piccolo giro a mano. Se elaborate le prime E i , vedrete che emerge un modello nel calcolo di questo coefficiente. Puoi scriverlo comeaiEi

dove μ i ( j , k , b ) = { 0 k < 0 1 k > = 0 ∧ i > j ∑ j - b - 1 l = 0 1

ai=μi(1,i−1,0)
μi(j,k,b)={0k<01k>=0∧i>j∑l=0j−b−11l!μi(j+1,k−l,b+l)otherwise

Ora, non sono stato in grado di derivare direttamente un equivalente in forma chiusa, ma ho calcolato i primi 20 valori di :Pr(Ei)

N       a_i/e^i
1       0.367879
2       0.270671
3       0.224042
4       0.195367
5       0.175467
6       0.160623
7       0.149003
8       0.139587
9       0.131756
10      0.12511
11      0.119378
12      0.114368
13      0.10994
14      0.105989
15      0.102436
16      0.0992175
17      0.0962846
18      0.0935973
19      0.0911231
20      0.0888353

Ora, risulta che

Pr(Ei)=iii!ei=Pois⁡(i;i)

Pois⁡(i;λ)Xiλ

limn→∞∑i=1nPr(Ei)=∑x=1∞xxx!ex

Pr(Ei)

limn→∞Pr(Ex)=xxx!ex≈12πx

Permettere

ϕ(x)=12πx

Da

  • limx→∞ϕ(x)ϕ(x+1)=1
  • ϕ(x)
  • ∫1nϕ(x)dx→∞n→∞

∫1nϕ(x)dx

∑i=1nPr(Ei)=Θ(n)

1
XX/(X!eX)≈1/2πX

@PeterShor Grazie! Ho aggiornato la conclusione grazie alla tua intuizione e ora sono d'accordo con le altre due risposte. È interessante per me vedere 3 approcci abbastanza diversi a questo problema.
— ruds

4

nn∼n12π2

n!2nn∑k=0n−2nkk!
and there is no closed-form answer.

Oeis è davvero fantastico
— Thomas Ahle,
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