Несоответствие между головами и хвостами


12

Рассмотрим последовательность из n бросков несмещенной монеты. Пусть Hi обозначает абсолютное значение превышения количества голов над хвостами, которые были замечены в первом i броске. Определить H=maxiHi . Покажите, что E[Hi]=Θ(i)иE[H]=Θ(n).

Эта проблема появляется в первой главе «Рандомизированных алгоритмов» Рагхавана и Мотвани, поэтому, возможно, есть элементарное доказательство вышеприведенного утверждения. Я не могу решить это, поэтому я был бы признателен за любую помощь.

Ответы:


9

Ваша монета подбрасывает форму одномерного случайного блуждания начиная с , с , каждый из вариантов с вероятностью . Теперьи поэтому . Легко вычислить (это всего лишь дисперсия), поэтому по выпуклости. Мы также знаем, что распределено примерно нормально с нулевым средним и дисперсией , и поэтому вы можете вычислить .X0,X1,…X0=0Xi+1=Xi±11/2Hi=|Xi|Hi2=Xi2E[Xi2]=iE[Hi]≤E[Hi2]=iXiiE[Hi]≈(2/π)i

Что касается , у нас есть закон повторного логарифма , который (возможно) заставляет нас ожидать чего-то немного большего, чем . Если вам хорошо с верхней границей , вы можете использовать большую границу отклонения для каждого а затем границу объединения, хотя это игнорирует тот факт, что связаны между собой.√E[maxi≤nHi]˜ O ( √nXiXiO~(n)XiXi

Изменить: Как это происходит, из-за принципа отражения, см. Этот вопрос . Итак, поскольку . Теперь и, следовательно,E [ max i ≤ n X i ]Pr[maxi≤nXi=k]=Pr[Xn=k]+Pr[Xn=k+1] Pr[Hn=k]=Pr[Xn=k]+Pr[Xn=-k]=2Pr[Xn=k] max i ≤ n X i + max i ≤ n (- X i

E[maxi≤nXi]=∑k≥0k(Pr[Xn=k]+Pr[Xn=k+1])=∑k≥1(2k−1)Pr[Xn=k]=∑k≥12kPr[Xn=k]−12+12Pr[Xn=0]=E[Hn]+Θ(1),
Pr[Hn=k]=Pr[Xn=k]+Pr[Xn=−k]=2Pr[Xn=k]E[maxi≤nHi]≤2E[Hn]+Θ(1)=O(√
maxi≤nXi+maxi≤n(−Xi)2≤maxi≤nHi≤maxi≤nXi+maxi≤n(−Xi),
E[maxi≤nHi]≤2E[Hn]+Θ(1)=O(n), Другое направление аналогично.

После того, как мы доказали , мы не можем сказать, что для у нас есть второй результат, т.е. нет больше чем . i=nE[H i ]Θ( √E[Hi]=Θ(i)i=nE[Hi]Θ(n)
— Chazisop

1
Если были независимыми, то вывод не будет верным, так как вы на самом деле ожидаете, что некоторые из этих значений будут несколько больше, чем ожидалось. В общем случае неверно, что . E [ max ( A , B ) ] = max ( E [ A ] , E [ B ] )HiE[max(A,B)]=max(E[A],E[B])
— Yuval Filmus

1
Закон повторного логарифма здесь не применим, так как фиксировано, и мы не нормализуем по . Ответ для - . i E max i ≤ n H i θ ( √niEmaxi≤nHiθ(n)
— Питер Шор

+1 за первую часть. но я, честно говоря, не понимаю вторую часть (не могли бы вы рассказать подробнее, плз). Это не значит, что это не правильно, хотя.
— AJed

1
Хорошее доказательство. Но я застрял в том, как доказать, является нижней границей ? Похоже, что в ответе нет подробностей о нижней границе. E(Hi)nE(Hi)
— Конжак

2

Вы можете использовать полунормальное распределение, чтобы доказать ответ.

Полунормальное распределение утверждает, что если - нормальное распределение со средним 0 и дисперсией , тоследует половинному распределению со средним значением и дисперсией . Это дает требуемый ответ, поскольку дисперсия нормального блуждания равна , и вы можете приблизить распределение к нормальному распределению, используя центральную предельную теорему.σ 2 | X | σ √Xσ2|X|σ2πσ2(1−2/π)σ2nX

X - сумма случайного блуждания, как упоминал Ювал Фильмус.


Я не предпочитаю это, что я отправил .. хотя он дает нижнюю границу, ничего не может быть сказано о верхней границе. Я попытался использовать аргумент максимального распределения, чтобы решить его, это оказалось ужасной интеграцией. Но хорошо знать все эти дистрибутивы.
— 13

2

В первых переворотах предположим, что мы получаем хвостов, затем, Поэтому Используйте приближение Стирлинга , мы знаем .2ikH2i=2|i−k|E(H2i)=Θ(√

E(H2i)=2∑k=0i(2ik)(12)2i⋅2(i−k)=(12)2i−2[i∑k=0i(2ik)−∑k=0ik(2ik)]=(12)2i−2[i(22i+(2ii))/2−2i∑k=0i−1(2i−1k)]=(12)2i−2⋅i[22i−1+(2ii)/2−2⋅22i−1/2]=2i⋅(2ii)/22i.
E(H2i)=Θ(2i)

не должны ли мы принимать во внимание случаи, когда ? кажется, что вы пропустите коэффициент умножения 2, верно? i<k≤2i
— omerbp
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.