Toplamlarının (0,1) üzerindeki sürekli tekdüze değişkenlerin toplamlarının birini aşması için neden ortalama ?


14

Rastgele değişkenlerden oluşan bir akışı , ; toplamın bir tanesini aşması için ihtiyacımız olan terim sayısı olsun , yani en küçük sayıdır.XiiidU(0,1)YY

X1+X2++XY>1.

Neden ortalama gelmez Euler sabiti eşit ?Ye

E(Y)=e=10!+11!+12!+13!+

Bunu kendi kendine çalışma sorusu ruhuyla gönderiyorum, ancak bu soruyu on yıl önce ilk gördüğümü düşünüyorum. O zaman nasıl cevap verdiğimi hatırlayamıyorum, ancak Monte Carlo Simülasyonunu kullanarak yaklaşıke ipliğinde bahsedilen bu özelliği gördüğümde aklıma çıkmadığından emin değilim . Bunun oldukça yaygın bir egzersiz sorusu olduğundan şüphelendiğim için, ana "spoiler uyarısı" nın sorunun kendisine ait olduğunu varsaysam da, tam bir çözüm yerine bir taslak sunmayı seçtim!
Silverfish

Alternatif yaklaşımlarla çok ilgileniyorum; Bunun Gnedenko'nun Olasılık Teorisine bir soru olarak dahil edildiğini biliyorum (başlangıçta Rusça ama yaygın olarak tercüme edilmiştir), ancak orada hangi çözümün beklendiğini bilmiyorum veya başka bir yerde ortaya çıktı.
Silverfish

1
Ben simpleks yöntemini kullanarak MATLAB'da bir simülasyon çözümü yazdım . Ben simplekslerin bağlantısını bilmiyordum, bu çok beklenmedik bir şey.
Aksakal

Yanıtlar:


14

İlk gözlem: , PMF'den daha hoş bir CDF'ye sahiptirY

Olasılık yoğunluk fonksiyonu olasılığıdır , toplam birlik aşması için "sadece yeterli" bir örneğin, ise bir aşan değil .n X 1 + X 2 + X n X 1 + + X n - 1pY(n)nX1+X2+XnX1++Xn1

kümülatif dağılımı "yeterli" olduğunu gerektirir , yani , ne kadar sınırlama bulunmadığını. Bu, olasılığı ile başa çıkmak için çok daha basit bir olay gibi görünüyor.FY(n)=Pr(Yn)ni=1nXi>1

İkinci gözlem: negatif olmayan tam sayı değerlerini alır, böylece CDF cinsinden yazılabilirYE(Y)

Açıkça sadece içindeki değerleri alabilir , böylece ortalamasını tamamlayıcı CDF , .Y{0,1,2,}F¯Y

E(Y)=n=0F¯Y(n)=n=0(1FY(n))

Aslında ve sıfırdır, bu nedenle ilk iki terim .Pr(Y=0)Pr(Y=1)E(Y)=1+1+

Daha sonra terimlerin gelince, eğer olasılık olduğunu , neyi olaydır olasılığı?n i = 1 X i > 1 ˉ F Y ( n )FY(n)i=1nXi>1F¯Y(n)

Üçüncü gözlem: simplex'in (hiper) hacmi1n1n!

I aklında -simplex altında bir hacim işgal standart birim -simplex tüm pozitif orthant arasında bunun konveks bir dış kaplama: köşe, özellikle başlangıç ​​noktası artı -simplex , vb.( n - 1 ) R n ( n + 1 ) ( n - 1 ) ( 1 , 0 , 0 , ) ( 0 , 1 , 0 , )n(n1)Rn(n+1)(n1)(1,0,0,)(0,1,0,)

2-simpleks ve 3-simpleks hacimleri

Örneğin, yukarıda 2-simpleks alana sahip ve 3-simpleks hacim sahip .1x1+x21 x1+x2+x31112x1+x2+x3116

tarafından açıklanan olayın olasılığı için bir integrali doğrudan değerlendirerek ilerleyen bir kanıt ve diğer iki argümana bağlantı için bu Math SE iş parçacığına bakın . İlgili konu da ilginizi çekebilir: ve -simplexes hacimlerinin toplamı arasında bir ilişki var mı ?enF¯Y(n)en


1
Bu ilginç bir geometrik yaklaşımdır ve bu şekilde çözülmesi kolaydır. Güzel. İşte bir simpleks hacmi için denklem. Açıkçası daha zarif bir çözüm olabileceğini sanmıyorum
Aksakal

1
+1 tam dağılımını stats.stackexchange.com/questions/41467/… adresindeki yayınımdaki yaklaşımlardan herhangi birinden de alabilirsiniz . Y
whuber

Bu çözüm üzerinde tökezledi, hiçbir yolu yoktur onlar :) Bana bir okulda başka bir yol yapmak zorlayacağını
Aksakal

11

düzeltin . Let için kısmi toplamlarının fraksiyonel parça olmak . Bağımsız tekdüzelik ve garantisini gibi muhtemel aşmaktır az bunun daha uzun olacak şekilde olduğu gibi. Bu tümdizinin sıralamaları eşit derecede olasıdır.n1

Ui=X1+X2++Ximod1
i=1,2,,nX1Xi+1Ui+1Uin!(Ui)

dizisi dizisini kurtarabiliriz . Nasıl yapıldığını görmek için,U1,U2,,UnX1,X2,,Xn

  • U1=X1 çünkü her ikisi de ile arasında .01

  • Eğer , sonra .Ui+1UiXi+1=Ui+1Ui

  • Aksi takdirde, , bu nedenle .Ui+Xi+1>1Xi+1=Ui+1Ui+1

zaten artan bir sırada olduğu tam olarak bir sıra vardır, bu durumda . N'den biri olmakeşit olası diziler, bu şansoluşuyor. Diğer tüm sekanslarda gelen en azından bir aşamasından için bozuk olduğu. Bu toplamı anlamına gelir eşit ya da aşmak zorunda . Böylece görüyoruz kiUi1>Un=X1+X2++Xnn!1/n!UiUi+1Xi1

Pr(Y>n)=Pr(X1+X2++Xn1)=Pr(X1+X2++Xn<1)=1n!.

Bu integral için, çünkü tüm dağılımı için olasılıklar verirYn1

Pr(Y=n)=Pr(Y>n1)Pr(Y>n)=1(n1)!1n!=n1n!.

Dahası,

E(Y)=n=0Pr(Y>n)=n=01n!=e,

QED.


Birkaç kez okudum ve neredeyse anlıyorum ... sabit bilgisayar simülasyonunun bir sonucu olarak Matematik SE'de birkaç soru yayınladım . Onları gördün mü bilmiyorum. Bunlardan biri, ve Taylor serisinin tavan işlevi hakkında Tenfold'daki tür açıklamanızdan önce geri döndü . İkincisi tam olarak bu konuyla ilgiliydi, şimdiye kadar hiç yanıt e1/U(0,1)
alamadı


Kanıtları aynı aralıklarla da ekleyebilir misiniz?
Xi'an

@ Xi'an Bu bağlamda "tekdüze boşluklar" ile ne demek istediğinizi daha spesifik olarak açıklayabilir misiniz?
whuber

Tam bir türetme elde edemediğim Monte Carlo Simülasyonu kullanan Yaklaşık e ipliğinde, düzenli aralıklarla Poisson süreç simülasyonunuza atıfta bulunuyorum .
Xi'an

6

Sheldon Ross'un Olasılıkta İlk Kursu'nda izlemesi kolay bir kanıt var:

OP biraz gösterimini değiştirmek, ve için terimler minimum sayıda ya da farklı şekilde ifade:UiiidU(0,1)YU1+U2++UY>1

Y=min{n:i=1nUi>1}

Bunun yerine aradık:

Y(u)=min{n:i=1nUi>u}
için , , eklendiğinde fazla olacak muntazam çekilişlerin gerçekleşme sayısı beklentisini ifade eder .u[0,1]f(u)=E[Y(u)]u

Sürekli değişkenler için aşağıdaki genel özellikleri uygulayabiliriz:

E[X]=E[E[X|Y]]=E[X|Y=y]fY(y)dy

yu birinci üniformanın sonucu üzerinde şartlı olarak ifade etmek ve , sayesinde yönetilebilir bir denklem elde etmekBu olurdu:f(u)XU(0,1)fY(y)=1.

(1)f(u)=01E[Y(u)|U1=x]dx

Eğer biz makinesi olan daha büyük olan , yani ,Öte yandan, , , çünkü zaten tek tip rastgele çizdik ve aramızdaki fark hala var ve kapsamaktadır. Denkleme (1) geri dönme:U1=xux>uE[Y(u)|U1=x]=1.x<uE[Y(u)|U1=x]=1+f(ux)1xu

f(u)=1+0xf(ux)dx
ve ikame ile biz olurdu .w=uxf(u)=1+0xf(w)dw

Bu denklemin her iki tarafını da ayırt edersek şunu görebiliriz:

f(u)=f(u)f(u)f(u)=1

son bir entegrasyon sayesinde:

log[f(u)]=u+cf(u)=keu

Bildiğimiz beklentisi düzgün dağılımından bir örneği alınması ve aşarak olduğu olduğu ya da . Bu nedenle, ve . Bu nedenle01f(0)=1k=1f(u)=euf(1)=e.


Bunun sonucu genelleştirme şeklini seviyorum.
Silverfish
Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.