Мозок-тизер: Яка очікувана довжина послідовності iid, яка монотонно збільшується, коли виводиться з рівномірного [0,1] розподілу?


28

Це питання для інтерв'ю для кількісної позиції аналітика, про яку тут повідомляється . Припустимо, ми виводимо з рівномірного розподілу, а розіграші - iid, яка очікувана довжина монотонно зростаючого розподілу? Тобто, ми припиняємо малювати, якщо поточний малюнок менший або рівний попередньому розіграшу.[0,1]

Я отримав перші кілька: \ Pr (\ текст {length} = 2) = \ int_0 ^ 1 \ int_ {x_1} ^ 1 \ int_0 ^ {x_2} \ mathrm {d} x_3 \, \ mathrm {d} x_2 \, \ mathrm {d} x_1 = 1/3 \ Pr (\ текст {довжина} = 3) = \ int_0 ^ 1 \ int_ {x_1} ^ 1 \ int_ {x_2} ^ 1 \ int_0 ^ {x_3} \ mathrm {d} x_4 \, \ mathrm { d} x_3 \, \ mathrm {d} x_2 \, \ mathrm {d} x_1 = 1/8

Pr(length=1)=∫01∫0x1dx2dx1=1/2
Pr(length=2)=∫01∫x11∫0x2dx3dx2dx1=1/3
Pr(length=3)=∫01∫x11∫x21∫0x3dx4dx3dx2dx1=1/8

але мені здається, що обчислити ці вкладені інтеграли все складніше, і я не отримую "хитрості" для узагальнення до Pr(length=n) . Я знаю, що остаточна відповідь структурована

E(length)=∑n=1∞nPr(length=n)

Будь-які ідеї, як відповісти на це питання?

Відповіді:


37

Ось декілька загальних підказок щодо вирішення цього питання:

У вас є послідовність безперервних IID випадкових змінних, що означає, що вони можуть бути обмінні . Що це означає про ймовірність отримання певного порядку для перших n значень? Виходячи з цього, яка ймовірність отримати зростаюче замовлення для перших n значень? Зрозуміти це можливо без інтеграції над розподілом базових випадкових величин. Якщо ви зробите це добре, ви зможете отримати відповідь без будь-якого припущення про рівномірний розподіл, тобто ви отримаєте відповідь, яка застосовується до будь-яких змінних послідовностей безперервних випадкових змінних.


Ось повне рішення ( не дивіться, якщо ви повинні самі це з'ясувати ):

Нехай є вашою послідовністю незалежних безперервних випадкових величин, і нехай - кількість елементів, що збільшуються, на початку послідовності. Оскільки це безперервні обмінні випадкові величини, вони майже напевно нерівні між собою, і будь-яке впорядкування однаково ймовірне, тому у нас є: (Зверніть увагу, що цей результат справедливий для будь-якої послідовності IID безперервних випадкових змінних; вони не повинні мати рівномірний розподіл.) Отже, випадкова величина має функцію масової ймовірностіU1,U2,U3,⋯∼IID Continuous DistN≡max{n∈N|U1<U2<⋯<Un}

P(N⩾n)=P(U1<U2<⋯<Un)=1n!.
N
pN(n)=P(N=n)=1n!−1(n+1)!=n(n+1)!.
Ви помітите, що цей результат узгоджується зі значеннями, які ви обчислили, використовуючи інтеграцію за основними значеннями. (Ця частина не потрібна для рішення; вона включена для повноти.) Використовуючи добре відоме правило для очікуваного значення негативної випадкової величини , ми маємо: Зауважте ще раз, що в нашій роботі немає нічого, що використовувало б базовий рівномірний розподіл. Отже, це загальний результат, який стосується будь-якої обмінної послідовності безперервних випадкових величин.
E(N)=∑n=1∞P(N⩾n)=∑n=1∞1n!=e−1=1.718282.

Деякі подальші відомості:

З вищенаведених робіт ми бачимо, що цей розподільний результат і отримане очікуване значення не залежать від базового розподілу, доки він є безперервним розподілом. Це насправді не дивно, якщо ми врахуємо той факт, що кожна неперервна скалярна випадкова величина може бути отримана за допомогою монотонного перетворення рівномірної випадкової величини (перетворення є її квантильною функцією). Оскільки монотонні перетворення зберігають ранговий порядок, дивлячись на ймовірність впорядкування довільних IID безперервних випадкових змінних - це те саме, що дивитись на ймовірності впорядкування IID- рівномірних випадкових величин.


6
Чудово зроблено! (+1)
— jbowman

1
@Ben я стежу за вами до останнього рівняння ... Я думав, очікуване значення повинно бути, а не ... чи можете ви поясніть цю деталь детальніше?
E(N)=∑n=1∞P(N=n)∗n=∑n=1∞n2/(n+1)!
E(N)=∑n=1∞P(N⩾n)
— Амазонія

5
Це добре відоме правило для очікуваного значення невід’ємної випадкової величини . Використовуючи техніку, що передбачає заміну порядку підсумок, у вас є: Отже, ви повинні знайти, що .
E(N)=∑n=1∞nP(N=n)=∑n=1∞∑k=1nP(N=n)=∑n=1∞∑k=n∞P(N=k)=∑n=1∞P(N⩾n).
∑n1n!=∑nn2(n+1)!
— Відновіть Моніку

Чи можете ви, будь ласка, детальніше пояснити, чому ? P(N⩾n)=P(U1<U2<⋯<Un)
— badmax

1
@badmax: Випадкова величина - кількість зростаючих елементів на початку послідовності (див. її визначення). Таким чином, якщо це означає, що на початку послідовності є принаймні зростаючих елементів. Це означає, що перші елементів повинні бути у порядку зростання, що становить . NUN⩾nnnU1<U2<⋯<Un
— Відновіть Моніку

8

Ще один метод вирішення, який дає вам рішення для більш загального випадку.

Припустимо, - очікувана довжина монотонної послідовності , така що . Значення, яке ми хочемо обчислити, - . І ми знаємо . Умови для наступного значення,F(x){x1,x2,...}x≤x1≤x2≤⋯F(0)F(1)=0

F(x)=∫0xπ(y)⋅0dy+∫x1π(y)(1+F(y))dy=∫x11+F(y)dy

де - щільність U [0,1]. Такπ(y)=1

F′(x)=−(1+F(x))

Розв’язуючи граничну умову , отримаємо . Звідси .F(1)=0F(x)=e(1−x)−1F(0)=e−1


2
Це дуже розумно. Просто, щоб трохи прописати це: ваші спостереження полягають у тому, що 1) якщо - довжина найдовшої початкової послідовності збільшення мінус одна, то досить визначити і встановити , 2) дорівнює нулю, якщо і іншому випадку. Оскільки отримаємо , яку в рівномірному випадку можна вирішити безпосередньо. LE(L|X0=x)=:F(x)x=0E(L|X0=x,X1=y)y<x1+E(L|X0=y)E(L|X0=x)=E(E(L|X0=x,X1))=∫RfX(y)E(L|X0=x,X1=y)dy=∫x1fX(y)(1+E(L|X0=y))dy=∫x1fX(y)(1+F(y))dyF′(x)=−fX(x)(1+F(x))
— Меттью Тауерс

2
+1 Дуже розумно дійсно. Але оскільки остаточна відповідь не залежить від розподілу (як обговорюється інша відповідь), це обчислення також повинно якось не залежати від . Чи є спосіб це побачити? CC до @m_t_. π(y)
— амеба каже, що повернемо Моніку

3
@amoeba Я погоджуюся, що не повинен залежати від розподілу s, але інші значення повинні: загальне рішення цього DE -F(0)XFF=Ce−∫π−1
— Меттью Тауерс

1
@MartijnWeterings Я думаю, що , а не 1, наприклад, в єдиному випадку ми отримуємоC=eee−x−1
— Matthew Towers

1
Так, ти правий. Я використав єдиний випадок, щоб вивести своє твердження, але помилково використав замістьce1−x−1ce−x−1
— Секст Емпірік

0

Ще один метод вирішення - обчислити інтеграл безпосередньо.

Ймовірність генерації послідовності, збільшуюча частина якої має довжину є , де .≥nfn(0)fn(x)=∫x1∫x11∫x21...∫xn−21∫xn−11dxndxn−1...dx2dx1

Що нам потрібно зробити - це обчислити .fn(0)

Якщо ви спробуєте обчислити перші кілька , можливо, ви виявите, щоfn(x)fn(x)=∑t=0n(−x)tt!(n−t)!

Базовий випадок: коли ,n=1f1(x)=∑t=01(−x)tt!(n−t)!=1−x=∫x1dx1

Індуктивна гіпотеза: коли ,n=kfn(x)=∑t=0k(−x)tt!(k−t)! , for k≥1

Індуктивний крок: коли ,n=k+1

     fn(x)=fk+1(x)=∫x1fk(x∗)dx∗

=∫x1∑t=0k(−x∗)tt!(k−t)!dx∗

=∑t=0k−(−x∗)t+1t!(k−t)!×(t+1)|x1=∑t=0k−(−x∗)t+1(t+1)!(k−t)!|x1

=∑t=1k+1−(−x∗)tt!(k−t+1)!|x1

=∑t=1k+1(−1)t+1t!(k−t+1)!+∑t=1k+1(−x)tt!(k−t+1)!

=∑t=1k+1(−1)t+1Ctk+1(k+1)!+∑t=1k+1(−x)tt!(k−t+1)!

=1(k+1)!+∑t=0k+1(−1)t+1Ctk+1(k+1)!+∑t=1k+1(−x)tt!(k−t+1)!

=1(k+1)!−(1−1)k+1(k+1)!+∑t=1k+1(−x)tt!(k−t+1)!

=∑t=0k+1(−x)tt!(k−t+1)!

За математичною індукцією припущення має місце.

Таким чином, отримуємо, щоfn(0)=1n!

Отже,E(length)=∑n=1∞Pr(length≥n)=∑n=1∞1n!=e−1

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.