Esercizio - Dado lanciato fino al primo sei con tutti i lanci pari (lezioni MIT)
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 → (primo successo e valore atteso condizionato); base in Probabilità condizionataLa probabilità di A sapendo che si è verificato B è P(A ∣ B) = P(A ∩ B) / P(B), con P(B) > 0; è una nuova misura di probabilità, e da essa seguono la regola del prodotto e la regola della catena.Probabilità condizionata → e 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 →. Problema dalle videolezioni di Principles of Discrete Applied Mathematics, MIT OpenCourseWare.
Testo. Si lancia un dado equo finché non esce (il finale è compreso). Sia il numero di lanci ed l'evento «tutti i lanci fatti sono pari».
- Calcolare .
- Trovare la distribuzione di condizionata a e il valore atteso .
- Un ragionamento diffuso dice: «se tutti i lanci sono pari, è come lanciare un dado con le sole facce , quindi ». Dove sbaglia?
- Controllare il risultato con la formula della probabilità totale per l'attesa, calcolando .
- Calcolare il valore atteso della somma dei lanci condizionato a .
Soluzione
1. Probabilità di . con significa: i primi lanci sono o (probabilità ciascuno, lanci indipendenti) e l'-esimo è (probabilità ): Gli eventi sono disgiunti, quindi si sommano e si usa la serie geometrica :
2. Distribuzione condizionata. Per la definizione di probabilità condizionata cioè per (somma ). È una geometrica di parametro , quindi
Lettura senza conti: si guarda il primo lancio che esce in (probabilità a ogni lancio). Il numero di lanci fino a quel momento è geometrico di parametro , e il simbolo che lo ferma è con probabilità , indipendentemente da quanti lanci ci sono voluti. L'evento è proprio «il primo lancio fuori da è un »: condizionare su non cambia la lunghezza, che resta geometrica di parametro .
3. L'errore. Il dado a tre facce condiziona ogni singolo lancio a essere pari. Qui invece si condiziona su un evento che riguarda tutta la sequenza, ed favorisce le sequenze corte: una sequenza lunga ha molte occasioni di contenere un dispari, quindi sopravvive al condizionamento con probabilità molto più piccola. Numericamente : già con le sequenze compatibili con sono solo il . Il condizionamento pesa le lunghezze con e abbassa la media da a .
4. Controllo con la probabilità totale. Senza condizioni è geometrica di parametro , . Per la formula : Il calcolo diretto, , dà lo stesso : le sequenze con almeno un dispari sono in media più lunghe di quelle senza.
5. Somma condizionata. Dato e dato , i primi lanci sono uniformi in (media ) e l'ultimo vale . Per linearità, condizionando su :
Risultato. ; dato , è geometrica di parametro ed (non ); ; .
import random
T, acc, tot, somma = 400000, 0, 0, 0
for _ in range(T):
n, s, pari = 0, 0, True
while True:
x = random.randint(1, 6); n += 1; s += x
if x % 2: pari = False
if x == 6: break
if pari: acc += 1; tot += n; somma += s
print(acc / T, tot / acc, somma / acc) # circa 0.25 1.5 7.5Verificato con frazioni esatte (serie troncate a termini) e con la simulazione: , .
Versione ripasso
- Dati: dado lanciato fino al primo ; = tutti i lanci pari. (prima o , poi ).
- : (serie geometrica).
- Condizionata: , geometrica di parametro (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 →), quindi . Lettura: ci si ferma al primo lancio in (probabilità ), ed = «quel lancio è un », indipendente dalla lunghezza.
- Errore del valore : il dado condiziona ogni lancio; qui si condiziona l'intera sequenza, e penalizza le sequenze lunghe (Probabilità condizionataLa probabilità di A sapendo che si è verificato B è P(A ∣ B) = P(A ∩ B) / P(B), con P(B) > 0; è una nuova misura di probabilità, e da essa seguono la regola del prodotto e la regola della catena.Probabilità condizionata →).
- Probabilità totale: (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 →).
- Somma: .
- Errore tipico: trattare un condizionamento globale come se fosse lancio per lancio.