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概率与期望

内容来自2019 wannafly winter camp
不知道有没有时间完全听懂…… https://www.bilibili.com/video/BV1Jt41137DT/

概率与期望

期望的定义

主要用离散型随机变量的期望的定义

离散型随机变量 X∼(a0a1a2⋯p0p1p2⋯) ,则期望为 E(X)=∑i=0∞aipi

期望的性质

1.线性性E(X+Y)=E(X)+E(Y)

证明:全概率公式+期望定义

2. E(X)=∑k=1∞P(X⩾k)

证明:
E(X)=∑k=1∞k⋅P{X=k}=∑k=1∞P{X=k}∑i=1k1=∑i=1∞1∑k⩾iP{X=k}=∑k=1∞P(X⩾k)

问题

1)每次随机有放回地取一个[1,n]的数,问期望取几次能使所有数都至少被取出一次。

设随机变量X为:能使所有数都至少被取出一次所需要取的次数次,问题即求 E(X) 。直接不好求,需要分解为其他随机变量的和,然后利用期望的线性性。

设随机变量 Ti 为:当前有 i 个数,第一次取到新的数字需要取的次数。

则 X=∑i=0n−1Ti 。

T0∼G(1),T1∼G(n−1n),T2∼G(n−2n),⋯,Ti∼G(n−in),⋯,Tn−1∼G(1n)

E(T0)=1,E(T1)=nn−1,E(T2)=nn−2,⋯,E(Ti)=nn−i,E(Tn−1)=n1

2)随机取一个长度为n的排列P,问p[i]是p[1:i]中最大的数的概率。

设 Xi={1,pi是p[1:i]中最大的数0,其他 ,则 ∑i=1nXi=1

设p[k]是最大的数,则 E(∑i=1nXi)=1=0+⋯+kE(Xk)+⋯+0 (期望的线性性)

3)NOIP2016 换教室

一天共有n节课,第i节课默认在第c[i] 间教室上。在一天刚开始的时候可以一次性提出最多m门课的申请,将第i节课改为到第d[i] 间教室上(c[i],d[i]是固定的),每一个申请通过的概率是k[i]。第x间教室到第y间教室的距离是dis[x][y]。要求上课之间移动的距离的期望最小,求最小的距离的期望。

n,m<=2000

 

期望的线性性,背包即可

随机游走

问题

1)一条长度为n的链,从一端走到另一端的期望时间。

设 X=∑i=1n−1Xi

Xi 是第一次从i走到第一次走到i+1需要走的时间。

EX1=1

Xi∼(11+Xi−1+Xi1/21/2) (1:直接从i走到i+1,2:走回去,再走回来,再走到i+1)

EXi=12+12(1+EXi−1+EXi)

2)一个n个点的完全图,求从S走到T的期望时间。

p={1n−1走到Tn−2n−1走到另外的点

X∼G(p)

EX=1/p=n−1

3)硬币游戏,给n个硬币,第i个硬币的价值是w[i],每次随机取走一个硬币,获得的收益是左右两个硬币的价值的乘积(最左或最右边的收益是0),求期望总价值。 1⩽n⩽200 , 1⩽w[i]⩽109

获得收益是指两个硬币碰在一起,令随机变量 Xi,j={1碰在一起0没碰 , E(∑i<jXi,jw[i]w[j])=∑i<jE(Xi,j)w[i]w[j] 。

n⩽200 :枚举i,j,计算概率,然后用期望的线性性加起来。

n⩽105 : E(Xi,j)=P{Xi,j=1}=2(j−i+1)(j−i)

E(∑i<jXi,jw[i]w[j])=∑l=1n−1∑i=2n−12(l+1)lw[i]w[i+l]=∑l=1n−12(l+1)l∑i=2n−1w[i]w[i+l]

怎么快速算出 ∑i=2n−1w[i]w[i+l] ?(不知道,以后再看)

期望线性性在同分布的随机变量中的一个应用(等价性)

若 X1,X2,⋯,Xn 同分布(不需要独立), E(Xi) 存在,若 E(∑Xi)=1 ,则 E(Xi)=1/n

问题

1)随机生成一个1..n的排列p,求p[i]是p[1..i]中的最大数的概率。

设随机变量 Xk={1,是1..i中的最大数0,不是 , E(X1+X2+⋯+Xi)=1

E(Xi)=P{Xi=1}=1/i

2)随机生成一个1..n的排列p,求p[i]是p[1..n]中的前k大的数的概率。

设随机变量 Xi={1,p[i]是前k大的数0,不是 , E(X1+X2+⋯+Xn)=k

E(Xi)=P{Xi=1}=1/k

3)给一棵n个结点的有根树,一开始每一个点都是白色,每次等概率随机选择一个白点,将整个子树染黑,问期望几次能够把整个子树染黑( n⩽105 )

设随机变量 Xi={1,第i个点先被选中0,第i个点的祖先先被选中

P{Xi=1|i和n个结点没被染黑}=i比祖先先被选中的排列数量所有的排列数量=Cnd(n−d)!(d−1)!n!=1d ,根据全概率公式 P{Xi}=1d∑P{i和n个结点没被染黑}=1d ,d是第i个结点的深度, E(Xi)=1d

求和即可

4)有n堆石头,每堆有a[i]个石头,每个石头被选中的概率相等,现在等概率随机选一个石头,然后把选中的石头所属的那一堆石头全扔了,直到第一堆石头被扔,问期望扔几次。( n⩽105 )

总的期望 EX=1+∑i=2nEXi

设随机变量 Xi={1,第i堆在第一堆之前扔掉0,其他

这个看起来很难计算 P{Xi=1} ,先从最简单的情况开始(我不会严谨的证明,下面的过程仅供参考)

我们用事件 S=(k1,k2,⋯,kn) 表示除了第一堆和第i堆外还有n堆石头,每一堆分别有 k1,k2,⋯,kn 个石头。

那么就来计算 P{Xi=1|S}

可以尝试计算一下一些简单的情况

P{Xi=1|()}=aia1+ai

P{Xi=1|(k1)}=aia1+ai+k1+k1a1+ai+k1⋅P{Xi=1|()}=aia1+ai+k1+k1a1+ai+k1⋅aia1+ai

=aia1+ai+k1+aia1+ai+k1⋅k1a1+ai=a1+ai+k1a1+ai+k1⋅aia1+ai=aia1+ai

然后用数学归纳法,假设对于所有n-1个元素的 Sn−1 , P{Xi=1|Sn−1}=aia1+ai

那么可以证明 P{Xi=1|Sn}=aia1+ai (重复上面的过程,然后合并同类项)

根据全概率公式, P{Xi=1}=aia1+ai

那么EX就很好计算了。

5)对于一个1..n的等概率随机生成的排列p,定义它的价值为:所有满足p[i]>max(p[i-1],p[i+1])的i的和,求价值的期望。

X=∑Xi⋅i , Xi={1,p[i]>max(p[i−1],p[i+1])0,其他

EX=∑i⋅E(Xi) , E(Xi)={1/3,1<i<n0,其他 ,直接加就行了

6)随机生成一个长度为 n 的01串,每个位置取0和取1的概率相等,不同位置取的数字相互独立。定义01串的价值为:所有极长全1连续子串的长度的平方和,求价值的期望。

需要用一个很复杂的构造,长度为 n 的全1连续子串中有 Cn2=n(n−1)2 个长度大于等于2的全1连续子串,设随机变量 Xi,j={1,S[i..j]≡10,其他 , X=2∑i<jXi,j+∑i=1nXi,i ,其中 X 就是需要求的价值。

E(Xi,i)=1/2 , E(Xi,j)=(1/2)j−i+1

7)等概率随机生成一个排列 p[1..n] ,定义 f(p) 为有多少个 i 满足 p[i] 是 p[1..i] 的最大值,求 f(p) 、 [f(p)]2 的期望。

Xi={1,p[i]=max(p[1],p[2],⋯,p[i])0,其他

期望的线性性: E[f(p)]=E(∑i=1nXi)=∑i=1nEXi=∑i=1n1i

E[f(p)]2=E[(∑i=1nXi)2]=E(∑i=1n∑j=1nXiXj)=2E(∑i<jXiXj)+E(∑i=1nXi2)

=2E(∑i<jXiXj)+E(∑i=1nXi)=2E(∑i<jXiXj)+E[f(p)]

可以证明 Xi 之间两两独立

P{Xi=1,Xj=1}=CnjCj−1i(i−1)!(j−i−1)!(n−j)!n!=1ij=P{Xi=1}P{Xj=1}

利用 P(AB)=P(A)−P(AB¯) 可以证明 Xi 之间两两独立,因此

E(XiXj)=EXiEXj

字符串拼接

posted on 2023-06-14 16:56  调几算方  阅读(161)  评论(0)    收藏  举报