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Note per Studenti Esercizio - Markov traslato e ribaltato sui punteggi di un esame (lezioni MIT)

Esercizio - Markov traslato e ribaltato sui punteggi di un esame (lezioni MIT)

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 → (Markov e Chebyshev); dimostrazioni in Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e JensenMarkov: per X ≥ 0, P(X ≥ a) ≤ E[X]/a; Chebyshev: P(|X − μ| ≥ ε) ≤ Var(X)/ε²; Jensen: per φ convessa, φ(E[X]) ≤ E[φ(X)]. Stimano probabilità e medie conoscendo solo media e varianza.Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e Jensen →. Esempi tratti dalle videolezioni di Mathematics for Computer Science, MIT OpenCourseWare.

Testo. Il punteggio RR di uno studente scelto a caso sta in [30,100][30,100] e E[R]=75E[R]=75.

  1. Limitare P(R≥90)P(R\ge90) con Markov applicato a RR e poi a R−30R-30. Quale limite è migliore? Trovare una distribuzione per cui il secondo è un'uguaglianza.
  2. Limitare P(R≤65)P(R\le65). Perché Markov su RR non serve? Che cosa si fa?
  3. Se il punteggio potesse scendere fino a −30-30 (penalità) con la stessa media, quanto varrebbe il limite per P(R≥90)P(R\ge90)? Perché non si può applicare Markov a RR direttamente? Mostrare con R=±1R=\pm1 che cosa succede.
  4. Sapendo anche che Var(R)=25\mathrm{Var}(R)=25, limitare P(R≤65)P(R\le65) con Chebyshev.
  5. nn persone lasciano il telefono all'ingresso e lo riprendono a caso; NN è il numero di persone che riprendono il proprio, con E[N]=1E[N]=1. Limitare P(N=n)P(N=n) con Markov e confrontare con il valore vero quando i telefoni sono su un vassoio girevole ruotato a caso e quando sono restituiti con una permutazione uniforme.

Soluzione

1. Markov e traslazione. R≥0R\ge0, quindi Markov si applica: P(R≥90)≤7590=56=0,833P(R\ge90)\le\frac{75}{90}=\frac56=0{,}833. Ma si sa di più: R≥30R\ge30. La variabile R′=R−30R'=R-30 è ancora ≥0\ge0, ha media 75−30=4575-30=45, e {R≥90}={R′≥60}\{R\ge90\}=\{R'\ge60\}: P(R≥90)=P(R′≥60)≤4560=34=0,75.P(R\ge90)=P(R'\ge60)\le\frac{45}{60}=\frac34=\mathbf{0{,}75}. È migliore perché un limite superiore più piccolo dice di più. Markov è un'uguaglianza quando tutta la massa sta in 00 e sulla soglia: per R′R' si prende R′=0R'=0 (cioè R=30R=30) con probabilità 14\frac14 e R′=60R'=60 (R=90R=90) con probabilità 34\frac34. Allora E[R]=30⋅14+90⋅34=7,5+67,5=75E[R]=30\cdot\frac14+90\cdot\frac34=7{,}5+67{,}5=75 e P(R≥90)=34P(R\ge90)=\frac34: con queste informazioni non si può dire di meglio.

2. Coda inferiore, variabile ribaltata. P(R≤65)=1−P(R≥66)P(R\le65)=1-P(R\ge66), e Markov dà solo P(R≥66)≤7566>1P(R\ge66)\le\frac{75}{66}>1: nessuna informazione. Si usa il massimo 100100: S=100−R≥0S=100-R\ge0, E[S]=100−75=25E[S]=100-75=25, e {R≤65}={S≥35}\{R\le65\}=\{S\ge35\}: P(R≤65)=P(S≥35)≤2535=57=0,714.P(R\le65)=P(S\ge35)\le\frac{25}{35}=\frac57=\mathbf{0{,}714}. Anche questo è stretto: R=65R=65 con probabilità 57\frac57 e R=100R=100 con probabilità 27\frac27 hanno media 325+2007=75\frac{325+200}{7}=75.

3. Valori negativi. Con R∈[−30,100]R\in[-30,100] Markov su RR non è lecito: nella dimostrazione si scrive E[R]≥a P(R≥a)E[R]\ge a\,P(R\ge a) trascurando il contributo dell'evento {R<a}\{R<a\}, che deve essere ≥0\ge0; se RR può essere negativa quel contributo può essere negativo. Si trasla: T=R+30≥0T=R+30\ge0, E[T]=105E[T]=105, {R≥90}={T≥120}\{R\ge90\}=\{T\ge120\}, quindi P(R≥90)≤105120=78=0,875P(R\ge90)\le\frac{105}{120}=\frac78=\mathbf{0{,}875}, più debole del punto 1 perché si sa meno sul minimo. Controesempio. R=±1R=\pm1 con probabilità 12\frac12: E[R]=0E[R]=0 e "Markov" darebbe P(R≥12)≤01/2=0P(R\ge\frac12)\le\frac{0}{1/2}=0, mentre P(R≥12)=P(R=1)=12P(R\ge\frac12)=P(R=1)=\frac12.

4. Chebyshev. La deviazione standard è 25=5\sqrt{25}=5 e 6565 è a 10=2σ10=2\sigma sotto la media. La coda sinistra è contenuta nell'unione delle due code: P(R≤65)≤P(∣R−75∣≥10)≤25102=14=0,25,P(R\le65)\le P(|R-75|\ge10)\le\frac{25}{10^2}=\frac14=\mathbf{0{,}25}, molto meglio di 57\frac57 perché si usa anche la varianza. Il limite è prudente: include anche la coda R≥85R\ge85 che non interessa.

5. Telefoni. N≥0N\ge0 e E[N]=1E[N]=1: P(N=n)=P(N≥n)≤1nP(N=n)=P(N\ge n)\le\frac1n.

La media da sola non distingue le due situazioni: Markov deve valere per entrambe, quindi non può essere migliore di 1n\frac1n.

Risultato. P(R≥90)≤34P(R\ge90)\le\frac34 (traslando), P(R≤65)≤57P(R\le65)\le\frac57 (ribaltando) e ≤14\le\frac14 con la varianza; con minimo −30-30: 78\frac78; telefoni: 1n\frac1n, esatto per il vassoio, contro 1n!\frac1{n!} per la permutazione.

Verifica.

python
from fractions import Fraction as F
from itertools import permutations

E = lambda d: sum(x * p for x, p in d.items())
d1 = {30: F(1, 4), 90: F(3, 4)}                    # rende stretto il limite 3/4
d2 = {65: F(5, 7), 100: F(2, 7)}                   # rende stretto il limite 5/7
print(E(d1), d1[90], E(d2), d2[65])                # 75 3/4 75 5/7
print(F(75, 90), F(45, 60), F(25, 35), F(105, 120), F(25, 100))
n = 5
vassoio = [sum((i + r) % n == i for i in range(n)) for r in range(n)]
perm = [sum(p[i] == i for i in range(n)) for p in permutations(range(n))]
print(F(sum(vassoio), n), F(vassoio.count(n), n), F(sum(perm), len(perm)), F(perm.count(n), len(perm)))

Risultato: 75 3/4 75 5/7, poi 5/6 3/4 5/7 7/8 1/4, poi 1 1/5 1 1/120.

Versione ripasso

Traslare (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 →). R∈[30,100]R\in[30,100], E[R]=75E[R]=75: Markov diretto 7590=56\frac{75}{90}=\frac56; con R−30≥0R-30\ge0 (media 4545) 4560=34\frac{45}{60}=\frac34, stretto per R=30R=30 con 14\frac14 e R=90R=90 con 34\frac34.

Ribaltare. P(R≤65)P(R\le65): Markov su RR dà 7566>1\frac{75}{66}>1; con S=100−RS=100-R (media 2525) 2535=57\frac{25}{35}=\frac57, stretto per R=65R=65 con 57\frac57 e 100100 con 27\frac27.

Valori negativi. Markov richiede R≥0R\ge0: con minimo −30-30 si usa R+30R+30, 105120=78\frac{105}{120}=\frac78. Con R=±1R=\pm1 "Markov" darebbe P(R≥12)≤0P(R\ge\frac12)\le0 invece di 12\frac12.

Chebyshev. Var=25\mathrm{Var}=25, 6565 a 2σ2\sigma: P(R≤65)≤P(∣R−75∣≥10)≤14P(R\le65)\le P(|R-75|\ge10)\le\frac14.

Telefoni. E[N]=1E[N]=1, P(N=n)≤1nP(N=n)\le\frac1n: esatto per il vassoio girevole, 1n!\frac1{n!} per la permutazione uniforme (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 →).

Errore tipico. Passare al complementare con soglia sotto la media (limite >1>1) invece di ribaltare la variabile.

Teoria collegata