Очікувана кількість кидків до появи першої голови


18

Припустимо, що справедлива монета кидається неодноразово, поки вперше не вийде голова.

  • Яка очікувана кількість кидок, які знадобляться?
  • Яка очікувана кількість хвостів, які будуть отримані до отримання першої голови?

2
На це посилання є відповіді на обидва питання: en.wikipedia.org/wiki/Geometric_distribution
— swmo

2
Якщо це питання самостійного вивчення, будь ласка, додайте тег.
— Сіань

Відповіді:


17

На це можна відповісти, використовуючи геометричний розподіл наступним чином:

Кількість відмов k - 1 до першого успіху (голови) з вірогідністю успіху p ("голови") задається:

p(X=k)=(1−p)k−1p

причому k - загальна кількість кидків, включаючи перші «голови», які припиняють експеримент.

І очікуване значення X для заданого p дорівнює .1/p=2

Виведення очікуваного значення можна знайти тут . Останні кроки, що залишилися неявними, повинні бути такими:

ddr11−r=1(1−r)2 підключити до виразу:

E(X)=p1−p∑x=1∞x rx=p1−p r (ddr11−r)=p1−p r 1(1−r)2 . З , це спрощується доr=1−p

E(X)=1p , виправдовуючи його використання вище.]

Крім того, ми могли б використати негативний біноміальний розподіл, інтерпретований як кількість відмов до першого успіху. Функція маси ймовірностей задається як p (кількість відмов, n , перш ніж досягти r успіхів | з урахуванням певної ймовірності, p , успіху в кожному випробуванні Бернуллі):

p(n;r,p)=(n+r−1r−1)pr(1−p)n

Очікування на кількість випробувань, n + r задається загальною формулою:

r(1−p)

З огляду на наші відомі параметри: r = 1 і p = 0,5 ,

E(n+r;1,0.5)=r1−p=11−0.5=2

Отже, ми можемо розраховувати зробити два кидки, перш ніж отримати першу голову, очікувана кількість хвостів - .E(n+r)−r=1

Ми можемо запустити моделювання Монте-Карло, щоб довести це:

   set.seed(1)

p <- 1/2

reps <- 10000                         # Total number of simulations.

tosses_to_HEAD <- 0                   # Setting up an empty vector to add output to.

for (i in 1:reps) {
  head <- 0                           # Set the variable 'head' to 0 with every loop.
  counter <- 0                        # Same forlocal variable 'counter'.
  while (head == 0) {
    head <- head + rbinom(1, 1, p)    # Toss a coin and add to 'head'
    counter <- counter + 1            # Add 1 to 'counter'
  }
  tosses_to_HEAD[i] <- counter        # Append number in counter after getting heads.
}

mean(tosses_to_HEAD)
[1] 2.0097

1
Для поточного питання розподіл називається Геометричним розподілом . G(p)
— Сіань

And the expected value of p 1 / pX for a given p is 1/p і як слід це довести?
— Діліп Сарват

Є приємне виведення на math.stackexchange.com/questions/235927/… Але я можу включити кінець цього виведення у свою відповідь.
— Антоні Пареллада

4

Моделюйте гру, намалювавши квиток з коробки. Є два види квитків. На одному написано «Стоп, ти кинув голови»; з іншого написано "Продовжуй, ти кинув хвости". Очікувана кількість додаткових закидів у першому випадку дорівнює тоді як очікувана кількість додаткових кидок у другому випадку - , скажімо - ми цього ще не знаємо і мусимо це з'ясувати.х0x

Запишіть ці очікування у відповідні квитки: це значення квитків.

Ми знаємо три речі:

  1. Шанс оформлення квитка "Стоп" (зі значенням ) становить .р0p

  2. Шанс оформлення квитка «Продовжити» (зі значенням ) становить .1 - сx1−p

  3. Очікування цього єдиного розіграшу - це, за визначенням, сума значень, зважених на вірогідність, для всіх видів квитків:

    p×0+(1−p)×x=(1−p)x.

Давайте інтерпретуємо це число: це очікувана кількість додаткових закидів, які знадобляться до появи голови. Оскільки розіграші квитків відповідають викидам монет, додавання в одному розіграші, необхідному для отримання квитка, дає нам очікувану кількість кидків - що саме . Рівняючи ці два вирази,x

x=1+(1−p)x.

Розв’язування для відповідає на перше запитання. x Оскільки кількість хвостів завжди на одну меншу, ніж кількість малюнків, очікувана кількість хвостів також повинна бути на одну меншу, ніж очікувана кількість малюнків. Тому відповідає на друге питання.x−1


Друге інтуїтивно зрозуміле рішення можна отримати, розглядаючи дуже довгу послідовність яток. Скільки ігор було зіграно? Відповідь: кількість голів (плюс ще одна неповна гра, якщо послідовність закінчується серією хвостів). Скільки голів очікують? Відповідь: . Зателефонуйте на це число . Слабкий закон великих чисел стверджує , що фактичне кількість головок, досить імовірно, буде дуже близько до при умови досить велике. Тому середня довжина гри , задана деякою кількістю між та , буде довільно близькою доnpnhpnnxn/hn/(h+1)n/(pn) , при цьому вона повинна дорівнювати себе.x

Це призводить до надзвичайно ефективного способу моделювання розподілу тривалості гри . Ось Rкод. Він записує "голови" як істинні значення в булевому масиві і обчислює топки між послідовними істинними значеннями.

p <- 1/3                                           # Set the chance of heads
tosses <- runif(1e6) < p                           # Make a million tosses
sim <- diff(c(TRUE, which(tosses)))                # Compute game lengths
hist(sim, xlab="Game length", main="Distribution") # Graph their distribution
mean(sim)                                          # Report the average length

Коли я запустив цей код після встановлення насіння в ( ), вихід відрізнявся від лише невеликим числом.17set.seed(17)x


Не могли б ви допомогти мені зрозуміти, чому «х» гри для малювання та «х» у другому рівнянні являють собою те саме? Я поняття не маю, як ви отримуєте друге рівняння. Велике спасибі.
— Світло

@Light Друге рівняння пояснено в абзаці, що передує йому.
— whuber

♦ Дякую u за відповідь ур. Я читав визначення x та абзацу, який ви говорили знову і знову, але все ще не розумію. Дозвольте сказати, що я розумію, і, будь ласка, допоможіть мені знати, якщо я неправильно розумію, що. З мого розуміння, x - це «додаткове» очікуване число в грі на розіграші квитків, яке відрізняється від оригінальної гри, оскільки очікування (дозвольте мені це назвати «E») гри з монетою включає перше жеребкування. На мою думку, E має бути "x + 1", але вони не те саме. У рівнянні ви зробили х і Е те саме, що мене збиває з пантелику. Дякую.
— Світло

2

Нехай X - кількість обертів монети, необхідних до отримання головки. Отже, нам потрібно обчислити E (X) (тобто очікуване значення X).

Ми можемо умовити E (X) на будь-якому першому перевороті. Нехай E (X | H) позначає кількість решти монет, що залишилися, якщо я отримав голову на першому фліпі. Аналогічно, нехай E (X | T) позначає кількість решти монет, що залишилися, якщо я отримав хвіст на першому фліпі.

Першим кроком кондиціонування у нас є

E(X)=12∗(1+E(X|H))+12∗(1+E(X|T))

E(X|H)

E(X|T)=E(X)

E(X)=12∗(1+0)+12∗(1+E(X))

E(X)=2

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.