POJ2151题解(统计数学)

本文针对POJ2151题进行详细解析,通过动态规划的方法求解多队参赛解决特定数量问题的概率。文章介绍了如何利用概率DP求解每支队伍至少解决一个问题且至少一支队伍解决n个问题的概率。

POJ2151题解

题意

m个问题,t个队伍参加比赛,要求所有队伍解决至少一道问题,且至少有一支队伍解决n道问题的概率。

笺释

//这道题的笺释乱写的,又不想删掉,若有读者可跳过直接看你公式化推理部分。
首先明确这个几个点
设dp[i][j]为第i支队做出j道题的概率,这个概率并不等同于把P[i][j]按从大到小的顺序排序然后说i队做出j道题的概率是P[i][1]P[i][2]*P[i][3]…*P[i][j]。
其次设dp[i][j][k]为第i支队在前j题中做出k道题的概率(k<=j),那么

dp[i][j][k]=dp[i][j-1][k]*(1-P[i][j])+dp[i][j-1][k-1]*P[i][j]

这个公式很重要,个人认为又一次体现了概率dp的本质特征。
在前j道题中,有可能做出来的题目数为0,1,2,
…j,且做出来k道题互相独立。
因此i至少做出来一道题的概率P1为dp[i][m][1]+…+dp[i][m][m],每支队伍都要至少做出来1道题,根据这个要求把每支队伍的P1相乘,这体现了每支队伍的独立性。
还要求至少有一支队伍做出来m道题,在上述每支队伍都要至少做出来1道题这个可能性集合α中,已经包含了做出来m道题的可能性,因此在α中减去只每支队伍都只能做出来1…m-1道题的可能性集合β得到的就是至少有一支队伍做出来m道题且每支队伍都至少做出来一道题的概率。

公式化

定义1:事件

对于事实的是否发生的陈述,以大写英文字母表示。

定义2:概率

概率定义为这样的一个函数f(X),给定事件X,f(X)返回事件X发生的可能性。(在何等情况下发生,可能性的定义等诸问题暂时悬置。)

定义3:子事件

如果事件A由事件B与事件C的运算([加法原理],[乘法原理])表示,则称事件B和C是事件A的子事件。
例如,每支队伍都做出来3道题的事件A,可分解第1支队伍做出来3道题的事件B*第2支队伍做出来3道题的事件C*…*第m支队伍做出来3道题的事件M。

定义3推论:

若A可以由有限个子事件B,C,D,…X,表示,那么f(A)也就可以由同样的运算得到。

定义4:最小子事件

无法再分的事件。
例如,第1支队在前5道题中做出来了3道题,已经无法将这个事实分为更多子事实,因此称此事件为子事件。
再例如,第1支队在前五道题中至少做出来了3道题,那么这个事件可以分解为子事件[第1支队在前5道题中做出来了1道题][第1支队在前5道题中做出来了2道题][第1支队在前5道题中做出来了3道题]

以公式化的语言重新描述本题

要求事件A:所有队伍解决至少一道问题,且至少有一支队伍解决n道问题。
将事件A做等价变形->所有队伍解决至少一道问题,所有队伍不能只解决1-n-1个问题。(将主语化为同一)
所有队伍解决至少一道问题为事件B,所有队伍只解决1-n-1个问题为事件C。

为什么是分解为所有队伍只解决1-n-1个问题,而不是分解为所有队伍只解决0-n-1个问题?
看起来,至少有一支队伍解决n道问题的等价变形应该是所有队伍只解决0-n-1道问题,但是实际上,我们并没有在追求对其做形式上的完全等价变形,也可以理解为是由事件A描述中的“且”字决定的这种变形方式。

用符号化的语言表示就是:A=B-C
根据定义3推论,f(A)=f(B)=f(C)
考虑将B分解,首先分解队伍,设队伍i解决至少一道问题为事件Bi,那么可以得到这样的分解

B=B1*B2*B3*...Bm
其中m为队伍数

然后再考虑对Bi分解,队伍i至少解决一道问题可以分解为队伍i解决1道问题(Bi1),队伍i解决2道问题(Bi2)…队伍i解决n道问题(Bin)。

Bi=Bi1+Bi2+...+Bin
其中n为冠军需要解决的问题数

此时,Bi1等已被分解为最小子事件,分解结束。
考虑分解C,首先分解队伍,设队伍i解决没有解决n道问题为事件Ci,那么可以得到这样的分解

C=C1*C2*C3*...Cm
其中m为队伍数

然后再考虑对Di分解,队伍i没有解决n道问题可以分解为队伍i解决了1道问题(Di1),队伍i解决了2道问题(Di2)…队伍i解决了n-1道问题(Din-1)。

Ci=Ci1+Ci2+...+Cin-1
其中n为冠军需要解决的问题数

其余部分相当显然,略过。

完整代码

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