【2019正睿金华集训】0728总结(概率期望)

本文深入探讨了期望概念学习的基础理论,包括随机变量、独立事件、期望值计算及线性特性,通过具体实例讲解了离散变量的期望计算方法,如求随机变量的最大值期望、概率事件的期望次数,以及在不同场景下的游走问题期望步数计算。

期望概念学习

上午的学习还算好,听得懂,但是下午老师讲的挺快,题目难度增大,有点懵。要认真理解,勤做笔记很重要。

基础概念:

随机变量:有多种可能的取值的变量
P(A)P(A)P(A):事件A发生的概率
E(X)E(X)E(X):随机变量X的期望值,E(X)=Sum[P(X=i)∗i]E(X)=Sum[P(X=i)*i]E(X)=Sum[P(X=i)i]独立事件:互相不影响的事件,满足以下性质:P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B)P(AB)=P(A)P(B) ; E(AB)=E(A)E(B)E(AB)=E(A)E(B)E(AB)=E(A)E(B)

P(X+Y=K)P(X+Y=K)P(X+Y=K)的含义并非两件事件同时发生,X+Y重新形成一个新的随机变量Z,那么P(X+Y=K)P(X+Y=K)P(X+Y=K)=P(Z=K)P(Z=K)P(Z=K)=∑iP(X=i且Y=K−i)\sum_{i}P(X=i且Y=K-i)iP(X=iY=Ki)

同理P(XY=K)=P(Z=K)=P(XY=K)=P(Z=K)=P(XY=K)=P(Z=K)= ∑iP(X=i且Y=Ki)\sum_{i}P(X=i且Y={K\over{i}})iP(X=iY=iK)

常用公式:

当0<x<1时,有
1.∑i=0nxi=1−xn+11−x\sum^n_{i=0}x^i={1-x^{n+1}\over{1-x}}i=0nxi=1x1xn+1

2.∑i=0∞xi=11−x\sum^\infty_{i=0}x^i={1\over{1-x}}i=0xi=1x1

期望的线性性
E[X+Y]=E[X]+E[Y]E[X+Y]=E[X]+E[Y]E[X+Y]=E[X]+E[Y]
PS:该公式运用广泛,对于所有事件均成立

证明如下:

E[X+Y]E[X+Y]E[X+Y]

=∑i∑j(i+j)P(X=i,Y=j)\sum_{i}\sum_j(i+j)P(X=i,Y=j)ij(i+j)P(X=i,Y=j)

=∑i∑j(i)P(X=i,Y=j)+∑i∑j(j)P(X=i,Y=j)\sum_{i}\sum_j(i)P(X=i,Y=j)+\sum_{i}\sum_j(j)P(X=i,Y=j)ij(i)P(X=i,Y=j)+ij(j)P(X=i,Y=j)

=∑ii∑jP(X=i,Y=j)+∑ij∑jP(X=i,Y=j)\sum_{i}i\sum_jP(X=i,Y=j)+\sum_i j\sum_j P(X=i,Y=j)iijP(X=i,Y=j)+ijjP(X=i,Y=j)-------------------1

=∑iiP(X=i)+∑jjP(Y=j)\sum_i i P(X=i)+\sum_j j P(Y=j)iiP(X=i)+jjP(Y=j)--------------------------2

=E[X]+E[Y]E[X]+E[Y]E[X]+E[Y]

解释:1到2的转换,前一项∑ii∑jP(X=i,Y=j)\sum_{i}i\sum_jP(X=i,Y=j)iijP(X=i,Y=j)Y随机变量已经固定接下来是枚举X,那么就变成了P(X=i),后面同理。

常用技巧-前缀和技巧

离散变量:以整数为分布的变量
对于一个离散变量X,有P(X=K)=P(X<=K)-P(X<=K-1)

例1:有 n 个随机变量量 X[1…n],每个随机变量量都是从 1…S 中 随机一个整数,求 Max(X[1…n]) 的期望

我们设Y为答案,那么答案就是E(Y)
根据定义有:E(Y)=∑i=1SP(Y=i)∗i\sum^S_{i=1}P(Y=i)*ii=1SP(Y=i)i
P(Y=i)=P(Y<=i)−P(Y<=i−1)=(iS)n−(i−1S)nP(Y=i)=P(Y<=i)-P(Y<=i-1)=({i\over{S}})^n-({i-1\over{S}})^nP(Y=i)=P(Y<=i)P(Y<=i1)=(Si)n(Si1)n
即最大值<=i就是所有X[1…n]的数都小于i
所以E(Y)=∑i=1S∗((iS)n−(i−1S)n)∗i\sum^S_{i=1}*(({i\over{S}})^n-({i-1\over{S}})^n)*ii=1S((Si)n(Si1)n)i

例2:证明:概率为p的事件期望1/p次后发生
根据定义:
设X表示第几次时成功
E(X)E(X)E(X)=∑i=1∞P(X=i)∗i\sum^\infty_{i=1}P(X=i)*ii=1P(X=i)i

=∑i=1∞(P(X>=i)−P(X>=i+1))∗i\sum^\infty_{i=1}(P(X>=i)-P(X>=i+1))*ii=1(P(X>=i)P(X>=i+1))i

观察:当i=1时P(X>=2)的系数为-1,而当i=2时原先的P(X>=0)的系数为2,那么得P(X>=2)的系数为1,以此类推可得所有的P(X>=i)的系数都为1

那么E(X)=∑i=1∞P(X>=i)−−−−重要结论\sum^\infty_{i=1}P(X>=i)----重要结论i=1P(X>=i)

=∑i=1∞(1−p)i−1\sum^\infty_{i=1}(1-p) ^{i-1}i=11p)i1【P(X>=i)表示至少在第i次后成功】

=1p1\over{p}p1 【根据等比数列求和,当n趋近正无穷时的公式】

拿球问题

• 箱子里有 n 个球 1…n,你要从⾥⾯拿 m 次球,拿了后不放回,求取出的数字之和的期望【解】:可以转换成在n个数中选m个数求取出的数字之和的期望值,那么对于每一种取法,每一个数字要么选要么不选。

【解】设S为最终答案(显然是一个随机变量),然后令S= ∑i=1nXi\sum^{n}_{i=1}Xii=1nXi
Xi有两种取值,1.不选 为0 2.选了 为i
那么E(S)=E(∑i=1nXi\sum^{n}_{i=1}Xii=1nXi)=∑i=1n\sum^{n}_{i=1}i=1nE(Xi)
而E(Xi)=mnm\over{n}nm *i(n个里面选m个选到的概率显然为mnm\over{n}nm)
那么E(S)=mnm\over{n}nm *(1+2+3+4+…+n)=mnm\over{n}nm *(1+n)∗n2{(1+n)*n\over{2}}2(1+n)n=m(n+1)2m(n+1)\over22m(n+1)

• 箱⼦⾥有 n 个球 1…n,你要从⾥⾯拿 m 次球,拿了后放回,求取出的数字之和的期望

【解】:设S为最终答案,令S=∑i=1mXi\sum^m_{i=1}Xii=1mXi
其中Xi表示第i次取数的大小,那么显然E(S)=E(∑i=1mXi\sum^m_{i=1}Xii=1mXi)=∑i=1m\sum^m_{i=1}i=1mE(Xi)
而E(Xi)=∑i=1n\sum^n_{i=1}i=1n 1n1\over{n}n1 * iii=1n1\over{n}n1* (1+n)∗n2{(1+n)*n\over2}2(1+n)n
而因为每一次都放回,所以显然E[X1]=E[X2]=E[X3]=…,每一次取数的分布是均等的
那么E[S]=m*1n1\over{n}n1* (1+n)∗n2{(1+n)*n\over2}2(1+n)n=m(n+1)2m(n+1)\over22m(n+1)

• 箱⼦里有 n 个球 1…n,你要从里⾯拿 m 次球,拿了后以 p1 的概率放回,以 p2 的概率放回两个和这个相同的球, 求取出的数字之和的期望

【解】:类似于上面考虑每一个球被拿了几次,设S最终答案(显然是一个随机变量),然后令S= ∑i=1nXi\sum^{n}_{i=1}Xii=1nXi,Xi表示第i个球做出的贡献,则Xi=Yi*i,其中Yi表示第i个球被取出几次,那么明显令T=∑i=1n\sum^{n}_{i=1}i=1nYi=m,那么E(T)=∑i=1n\sum^{n}_{i=1}i=1nE(Yi)=m,而每一个球的机会是均等的,所以E(Y1)=E(Y2)=…E(Yn),所以E(Yi)=mn{m}\over{n}nm
所以E(S)=∑i=1n\sum^{n}_{i=1}i=1nE(Xi)=∑i=1n\sum^{n}_{i=1}i=1nE(Yi)*i=m(n+1)2m(n+1)\over22m(n+1)
然后就发现其实和p1,p2那些没什么关系,那么即使有更多类似情况也是如此。
看似不同的三个问题其实答案是一样的:m(n+1)2m(n+1)\over22m(n+1)

游走问题

1• 在一条 n 个点的链上游走,求从一端⾛到另一端的期望步数

【解】:设S为最终答案,则所求为E(S),令S=∑i=1n−1Xi\sum^{n-1}_{i=1}Xii=1n1Xi
XiXiXi表示第i个点随机游走第一次到i+1的步数
则E(S)=E(∑i=1n−1Xi\sum^{n-1}_{i=1}Xii=1n1Xi)=∑i=1n−1\sum^{n-1}_{i=1}i=1n1E(Xi)
现在主要问题变成求E[Xi],显然E[X1]=1*1=1
E[X2]=0.5∗1(直接到)+0.5∗(E[X1]+E[X2])(返回1后面要到2再到3)E[X2]=0.5 * 1(直接到)+0.5*(E[X1 ] +E[X2]) (返回1后面要到2再到3)E[X2]=0.51()+0.5(E[X1]+E[X2])(123)
以此可以推得 E[X2]=E[X1]+2=3E[X2]=E[X1]+2=3E[X2]=E[X1]+2=3,类似E[Xi]=E[Xi−1]+2E[Xi]=E[Xi-1]+2E[Xi]=E[Xi1]+2
那么最终就变成了一个等差数列求和得E(S)=(n−1)2E(S)=(n-1)^2E(S)=(n1)2

2• 在一张 n 个点的完全图上游⾛,求从一个点走到另⼀个点的期望步数

【解】:有1n−11\over{n-1}n11的概率成功–不管走到哪个点到达目标点的概率始终不变
因此期望步数为n-1

3• 在⼀张 2n 个点的完全二分图上游走,求从⼀个点⾛到另⼀个点的期望步数

【解】:A.从一个点到同侧点的期望步数 B.从一个点到不同侧点的期望步数
明显A=1+B(先到异侧转换为B) 而B= 1n1\over nn1 * 1(有 1n1\over nn1的概率直接到)+ n−1n{n-1}\over{n}nn1*(A+1)(先走一步没到达地点转化为A)

4• 在⼀张 n 个点的菊花图上游走,求从一个点⾛到另⼀个点的期望步数

【解】:A.叶子到叶子 B.叶子到中心 C.中心到叶子 的期望步数
明显B=1*1=1 而A=B+C=1+C 而 C=1n−11\over{n-1}n11 * 1+n−2n−1{n-2}\over{n-1}n1n2 * (A+1)

5• 在⼀棵 n 个点的树上游走,求从根走到 x 的期望步数

【解】:转化为x走到根的期望步数,倒着做。
设f[i]为节点i第一次走到fa[i]的步数,设d[i]为i节点的度数,f[1]=0
则f[i]=1d[i]1\over{d[i]}d[i]1*1+∑y属于i的儿子\sum_{y属于i的儿子}yi * 1d[i]1\over{d[i]}d[i]1 *(1+f[y]+f[x]) 类似于1的思想
最后的答案E(S)=∑y属于根节点到x的路径上\sum_{y属于根节点到x的路径上}yxf[y]

6• 构造一张200个点的无向图,使得上面从 S ⾛到 T 的随机游走期望步数>=1000000

假设我们让S成为链的一端点,T成为链的另一个端点
在前面已经提过1的期望步数时n2n^2n2级别的,我们若使1中的E[X1]=1改为n2n^2n2即可以达到我们的目的。那就可以构造成左边一个100个点的完全图,其中一个点延申出去一百个点的链,E[X1]=1n1\over nn1 * 1+n−1n{n-1}\over nnn1 * (1+n-1+E[X1])
[其中的n-1则为2中问题答案]

方法小总结:

先设一个答案,将答案拆成若干份,对于每一个小份进行更细的操作,考虑每一种情况,利用期望的线性性进行操作即可。【一般操作】

1.设S为答案
2.设S=∑i=......\sum^{...}_{i=...}i=......Xi 然后Xi表示…
3.根据线性性E[S]=E[ ∑i=......\sum^{...}_{i=...}i=......Xi ] =∑i=......\sum^{...}_{i=...}i=...... E[Xi]
4.然后表示出E[Xi]即可…

还有一些难的问题我还有点懵,有些用组合计数可以很好理解。

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