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Note per Studenti Esercizio - cappotti restituiti a caso e punti fissi di una permutazione

Esercizio - cappotti restituiti a caso e punti fissi di una permutazione

Teoria: Linearità del valore atteso e variabili indicatriciLa linearità $E[X+Y]=E[X]+E[Y]$ vale sempre, anche senza indipendenza; con le variabili indicatrici ($E[I_A]=P(A)$) trasforma un conteggio in una somma di probabilità. Applicazioni: attesa del primo successo $1/p$, collezionista di figurine $nH_n$, punti fissi di una permutazione (media $1$), record (media $H_n$), inversioni ($n(n-1)/4$), attesa condizionata, identità di Wald $E[S_N]=E[N]E[X]$.Linearità del valore atteso e variabili indicatrici → (punti fissi di una permutazione).

Testo. In un guardaroba nn persone lasciano il cappotto; all'uscita ricevono un cappotto a caso, con ogni assegnazione (permutazione) ugualmente probabile. Sia XX il numero di persone che ritrovano il proprio.

  1. Calcolare E[X]E[X] per ogni nn.
  2. Calcolare E[X(X−1)]E[X(X-1)] e Var(X)\mathrm{Var}(X).
  3. Per n=5n=5 scrivere la distribuzione completa di XX e confrontare E[X]E[X].
  4. Dimostrare che XX non è somma di indicatrici indipendenti.

Soluzione

1. Attesa. Sia Ik=1I_k=1 se la persona kk ritrova il proprio cappotto. Le permutazioni con π(k)=k\pi(k)=k sono (n−1)!(n-1)! su n!n! totali, quindi P(Ik=1)=(n−1)!n!=1nP(I_k=1)=\frac{(n-1)!}{n!}=\frac1n ed E[Ik]=1nE[I_k]=\frac1n. Poiché X=∑k=1nIkX=\sum_{k=1}^nI_k, per linearità E[X]=n⋅1n=1per ogni n.E[X]=n\cdot\frac1n=1\qquad\text{per ogni }n.

2. Secondo momento. X(X−1)=∑j≠kIjIkX(X-1)=\sum_{j\ne k}I_jI_k (le coppie ordinate di persone che ritrovano entrambe il proprio). Per j≠kj\ne k le permutazioni con π(j)=j\pi(j)=j e π(k)=k\pi(k)=k sono (n−2)!(n-2)!, quindi E[IjIk]=(n−2)!n!=1n(n−1)E[I_jI_k]=\frac{(n-2)!}{n!}=\frac1{n(n-1)}. Le coppie ordinate sono n(n−1)n(n-1): E[X(X−1)]=n(n−1)⋅1n(n−1)=1  ⟹  E[X2]=E[X(X−1)]+E[X]=2,Var(X)=2−12=1.E[X(X-1)]=n(n-1)\cdot\frac1{n(n-1)}=1\;\Longrightarrow\;E[X^2]=E[X(X-1)]+E[X]=2,\quad\mathrm{Var}(X)=2-1^2=1. (Var(X)=E[X2]−E[X]2\mathrm{Var}(X)=E[X^2]-E[X]^2: Varianza e momentiI momenti E[X^k] e i momenti centrati E[(X − μ)^k] descrivono la forma di una legge; la varianza Var(X) = E[(X − μ)²] = E[X²] − E[X]² misura quanto X si disperde attorno alla media, vale Var(aX + b) = a² Var(X) e Var(X) = 0 solo se X è costante.Varianza e momenti →.) Anche la varianza è 11 per ogni n≥2n\ge2. Lo stesso valore, ottenuto con varianze e covarianze delle indicatrici, e il suo uso nei limiti di Markov e Chebyshev per P(X≥4)P(X\ge4) sono in Esercizio - varianza dei punti fissi di una permutazione e Chebyshev.

3. Distribuzione per n=5n=5. Le 120120 permutazioni si contano per numero di punti fissi: con mm punti fissi la permutazione è determinata scegliendo quali sono i fissi ((5m)\binom5m modi) e un derangement (permutazione senza punti fissi) degli altri 5−m5-m, che sono D0=1,D1=0,D2=1,D3=2,D4=9,D5=44D_0=1,D_1=0,D_2=1,D_3=2,D_4=9,D_5=44:

mm (5m)D5−m\binom5m D_{5-m} probabilità
0 1⋅44=441\cdot44=44 44120=0,367\frac{44}{120}=0{,}367
1 5⋅9=455\cdot9=45 0,3750{,}375
2 10⋅2=2010\cdot2=20 0,1670{,}167
3 10⋅1=1010\cdot1=10 0,0830{,}083
4 5⋅0=05\cdot0=0 00
5 1⋅1=11\cdot1=1 0,0080{,}008

Totale 44+45+20+10+0+1=12044+45+20+10+0+1=120. Attesa: 0⋅44+1⋅45+2⋅20+3⋅10+5⋅1120=120120=1\frac{0\cdot44+1\cdot45+2\cdot20+3\cdot10+5\cdot1}{120}=\frac{120}{120}=1. Confermato. Per nn grande P(X=0)→e−1≈0,368P(X=0)\to e^{-1}\approx0{,}368 (per n=5n=5 già 0,3670{,}367).

4. Dipendenza. Se n−1n-1 persone ritrovano il proprio cappotto, anche l'ultima lo ritrova: P(In=1∣I1=⋯=In−1=1)=1≠1n=P(In=1)P(I_n=1\mid I_1=\dots=I_{n-1}=1)=1\ne\frac1n=P(I_n=1). Quindi gli IkI_k non sono indipendenti (Indipendenza di eventiA e B sono indipendenti se P(A ∩ B) = P(A) P(B), cioè se sapere che uno si è verificato non cambia la probabilità dell'altro; l'indipendenza passa ai complementari, non va confusa con l'incompatibilità, e per più eventi va richiesta su ogni sottofamiglia.Indipendenza di eventi →). Ciononostante E[X]=1E[X]=1: la linearità non richiede indipendenza.

Risultato. E[X]=1E[X]=1, E[X(X−1)]=1E[X(X-1)]=1, Var(X)=1\mathrm{Var}(X)=1 per ogni n≥2n\ge2; per n=5n=5: P(X=0,1,2,3,5)=44120,45120,20120,10120,1120P(X=0,1,2,3,5)=\frac{44}{120},\frac{45}{120},\frac{20}{120},\frac{10}{120},\frac1{120}.

Verifica Python: enumerazione di tutte le permutazioni per n=3n=3 (punti fissi 3,1,1,0,0,13,1,1,0,0,1; media 11, E[X(X−1)]=1E[X(X-1)]=1) e n=5n=5 (distribuzione sopra, E[X(X−1)]=1E[X(X-1)]=1, E[X2]=2E[X^2]=2).

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