Esercizio - Chebyshev sul collezionista, 50 tipi di figurine
Teoria: Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzataVar(ΣX_i) = ΣVar + 2ΣCov, e basta l'indipendenza a coppie perché la varianza si sommi. Chebyshev dà code polinomiali (collezionista: P(T ≥ nH_n + cn) ≤ π²/(6c²)); il metodo del secondo momento dà P(X=0) ≤ Var(X)/E[X]². Algoritmo della mediana: campione di n^(3/4) elementi, due estremi d e u a ±√n, ordinamento dei soli elementi tra d e u; fallisce con probabilità ≤ n^(-1/4) ed è Las Vegas con 2n + o(n) confronti.Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzata → (collezionista e Chebyshev); il valore atteso è in 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 →. L'esercizio sull'album da 20 figurine, che calcola solo la media, è in Esercizio - album di 20 figurine, acquisti attesi per completarlo.
Testo. Ci sono tipi di figurine, e a ogni acquisto se ne ottiene uno uniforme e indipendente dai precedenti. è il numero di acquisti necessari per averli tutti.
- Calcolare e .
- Limitare con Markov e con Chebyshev.
- Limitarla con l'unione sugli eventi "il tipo manca dopo acquisti".
- Calcolare il valore esatto con un programma e trovare il più piccolo con secondo ciascun metodo.
Soluzione
1. Media e varianza. , con geometrica di parametro (quando si hanno tipi, ne mancano ), indipendenti (Distribuzione geometricaGeo(p) è il numero della prova in cui arriva il primo successo in prove indipendenti: P(X = n) = (1−p)^(n−1) p per n ≥ 1, P(X > n) = (1−p)^n (lunga attesa), media 1/p, varianza (1−p)/p², ed è senza memoria.Distribuzione geometrica →). Da e : (Il limite è appena più grande.)
2. Markov e Chebyshev. Markov: . Per Chebyshev lo scostamento è :
3. Unione. Dopo acquisti il tipo manca con probabilità . Poiché vuol dire che dopo acquisti manca almeno un tipo, È circa volte meglio di Chebyshev: l'unione sfrutta la forma esponenziale della coda che Chebyshev ignora.
4. Valore esatto e soglie. Sia il numero di tipi distinti dopo acquisti: passa da a con probabilità . Con un programma dinamico su si trova e quindi . L'unione (0,0262) è quasi esatta, Chebyshev (0,1705) no.
Soglie per :
| Metodo | Condizione | |
|---|---|---|
| Chebyshev | ||
| Unione | ||
| Esatto |
Con 502 acquisti Chebyshev ne chiede il in più del necessario; l'unione solo l'. Una simulazione di collezioni dà media e .
Risultato. , ; : Markov , Chebyshev , unione , esatto .
Verifica.
n = 50
dp = [0.0] * (n + 1); dp[0] = 1.0
cdf = {}
for t in range(1, 600): # dp[d] = P(d tipi distinti dopo t acquisti)
nuovo = [0.0] * (n + 1)
for d, p in enumerate(dp):
if d < n: nuovo[d + 1] += p * (n - d) / n
nuovo[d] += p * d / n
dp = nuovo; cdf[t] = dp[n] # P(T <= t)
print(1 - cdf[374], n * 0.98 ** 374) # 0.02587 0.02615
print(min(t for t in range(1, 599) if 1 - cdf[t] <= 0.05)) # 341
E = sum(n / (n - i) for i in range(n))
V = sum((i / n) / ((n - i) / n) ** 2 for i in range(n))
print(E, V) # 224.96 3837.87Versione ripasso
Passi (Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzataVar(ΣX_i) = ΣVar + 2ΣCov, e basta l'indipendenza a coppie perché la varianza si sommi. Chebyshev dà code polinomiali (collezionista: P(T ≥ nH_n + cn) ≤ π²/(6c²)); il metodo del secondo momento dà P(X=0) ≤ Var(X)/E[X]². Algoritmo della mediana: campione di n^(3/4) elementi, due estremi d e u a ±√n, ordinamento dei soli elementi tra d e u; fallisce con probabilità ≤ n^(-1/4) ed è Las Vegas con 2n + o(n) confronti.Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzata →). , geometrica di parametro , indipendenti (Distribuzione geometricaGeo(p) è il numero della prova in cui arriva il primo successo in prove indipendenti: P(X = n) = (1−p)^(n−1) p per n ≥ 1, P(X > n) = (1−p)^n (lunga attesa), media 1/p, varianza (1−p)/p², ed è senza memoria.Distribuzione geometrica →): , , .
. Markov . Chebyshev con scostamento : . Unione: implica che dopo acquisti manca un tipo: . Esatto (programma dinamico sul numero di tipi distinti): .
Soglia per . Chebyshev (); unione , cioè ; esatto . La coda vera è esponenziale e Chebyshev la sovrastima.
Errore tipico. Dimenticare di usare lo scostamento dalla media () e non la soglia in Chebyshev.