합계가 1을 초과하는 데 필요한 (0,1)의 연속 균일 변수의 수가 평균


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우리는 랜덤 변수들의 스트림 합계하자 X I I I D ~ U ( 0 , 1 )XiiidU(0,1) ; YY 가 총계가 1을 초과하는 데 필요한 항의 수 라고하자 . 즉 YY 는 가장 작은 수이다.

X 1 + X 2 + + X Y > 1.

X1+X2++XY>1.

Y 의 평균이 Y오일러 상수 e와 같은 이유는 무엇 e입니까?

E ( Y ) = e = 10 ! +11 ! +12 ! +13 ! +

E(Y)=e=10!+11!+12!+13!+

10 년 전에이 질문을 처음 본 것 같지만 자율 학습 질문의 정신으로 이것을 게시하고 있습니다. 나는 당시에 어떻게 대답했는지 기억할 수 없지만 Monte Carlo Simulation 스레드를 사용하여 Approximate ee 스레드에서 언급 한이 속성을 보았을 때 마음에 들지 않았다고 확신합니다 . 나는 이것이 상당히 일반적인 운동 문제라고 생각하기 때문에, 주요 "스포일러 경고"가 질문 자체에 속한다고 가정하지만, 완전한 해결책보다는 스케치를 제시하기로 선택했습니다!
Silverfish

나는 다른 접근법에 계속 관심이있다. 나는 이것이 Gnedenko의 확률 이론 (원문은 러시아어이지만 널리 번역 되어 있음)에 질문으로 포함되어 있음을 알고 있지만 어떤 해결책이 거기에 있거나 다른 곳에서 제기되었는지는 알 수 없습니다.
Silverfish

1
내가 당신 심플 렉스 방법을 사용하여 MATLAB에서 시뮬레이션 솔루션을. 나는 심플 렉스와의 연결에 대해 몰랐다.
Aksakal

답변:


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첫 번째 관찰 : YY 는 PMF보다 즐거운 CDF를 가지고 있습니다

확률 질량 함수 P Y ( N은 )pY(n) 확률이고 , N은n 총 화합을 초과 할 "단지 충분한"이며, 즉, X 1 + X 2 + ... X NX1+X2+Xn 중에 하나를 초과하는 X 1 + + X N - 1X1++Xn1 않는다 아니.

누적 분포 F Y ( n ) = Pr ( Y n )은FY(n)=Pr(Yn) 단순히 nn 이 "충분히" 요구합니다 . 즉, n i = 1 X i > 1ni=1Xi>1 얼마만큼 제한없이 입니다. 이것은 확률을 다루는 훨씬 간단한 사건처럼 보입니다.

두 번째 관찰 : YY 는 음이 아닌 정수 값을 취하므로 E ( Y )E(Y) 를 쓸 수 있습니다 CDF의 관점에서

분명히 Y는Y 에서만 값을 사용할 수 있습니다 { 0 , 1 , 2 , ... }{0,1,2,} , 우리는 측면에서 그 의미를 작성할 수 있도록 보완 CDF , ˉ F YF¯Y .

E ( Y ) = n = 0 ˉ F Y ( n ) = n = 0 ( 1 - F Y ( n ) )

E(Y)=n=0F¯Y(n)=n=0(1FY(n))

실제로 Pr ( Y = 0 )Pr ( Y = 1 ) 은 모두 0이므로 처음 두 항은 E ( Y ) = 1 + 1 + 입니다.Pr(Y=0)Pr(Y=1)E(Y)=1+1+

후자의 경우와 같이 F Y ( n )n i = 1 X i > 1 일 확률 이면 어떤 이벤트가 ˉ F Y ( n ) 일까요?FY(n)ni=1Xi>1F¯Y(n)

Third observation: the (hyper)volume of an nn-simplex is 1n!1n!

The nn-simplex I have in mind occupies the volume under a standard unit (n1)(n1)-simplex in the all-positive orthant of RnRn: it is the convex hull of (n+1)(n+1) vertices, in particular the origin plus the vertices of the unit (n1)(n1)-simplex at (1,0,0,)(1,0,0,), (0,1,0,)(0,1,0,) etc.

volumes of 2-simplex and 3-simplex

예를 들어, x 1 + x 21 인 위의 2 단순 은 영역 1을 갖습니다.x1+x212 이고x1+x2+x31 인3심플 렉스는 부피가1입니다.12x1+x2+x31도 6 .16

증명 직접 설명 이벤트의 확률에 대한 적분의 평가에 의해 진행하는 것이 ˉ F Y ( N ) , 2 개 개의 다른 인자에 대한 링크는, 볼 이 수학 SE 쓰레드 . 관련 스레드도 관심 이있을 수 있습니다. en -simplexes 볼륨 의 합계 사이에 관계가 있습니까?F¯Y(n)en


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This is an interesting geometric approach, and easy to solve this way. Beautiful. Here's the equation for a volume of a simplex. I don't think there could be a more elegant solution, frankly
Aksakal

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+1 You can also obtain the full distribution of YY from any of the approaches in my post at stats.stackexchange.com/questions/41467/….
whuber

If I stumbled on this solution, there's no way they could force me do it other way in a school :)
Aksakal

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Fix n1n1. Let Ui=X1+X2++Ximod1

Ui=X1+X2++Ximod1
be the fractional parts of the partial sums for i=1,2,,ni=1,2,,n. The independent uniformity of X1X1 and Xi+1Xi+1 guarantee that Ui+1Ui+1 is just as likely to exceed UiUi as it is to be less than it. This implies that all n!n! orderings of the sequence (Ui)(Ui) are equally likely.

Given the sequence U1,U2,,UnU1,U2,,Un, we can recover the sequence X1,X2,,XnX1,X2,,Xn. To see how, notice that

  • U1=X1U1=X1 because both are between 00 and 11.

  • If Ui+1UiUi+1Ui, then Xi+1=Ui+1UiXi+1=Ui+1Ui.

  • Otherwise, Ui+Xi+1>1Ui+Xi+1>1, whence Xi+1=Ui+1Ui+1Xi+1=Ui+1Ui+1.

There is exactly one sequence in which the UiUi are already in increasing order, in which case 1>Un=X1+X2++Xn1>Un=X1+X2++Xn. Being one of n!n! equally likely sequences, this has a chance 1/n!1/n! of occurring. In all the other sequences at least one step from UiUi to Ui+1Ui+1 is out of order. This implies the sum of the XiXi had to equal or exceed 11. Thus we see that

Pr(Y>n)=Pr(X1+X2++Xn1)=Pr(X1+X2++Xn<1)=1n!.

Pr(Y>n)=Pr(X1+X2++Xn1)=Pr(X1+X2++Xn<1)=1n!.

This yields the probabilities for the entire distribution of YY, since for integral n1n1

Pr(Y=n)=Pr(Y>n1)Pr(Y>n)=1(n1)!1n!=n1n!.

Pr(Y=n)=Pr(Y>n1)Pr(Y>n)=1(n1)!1n!=n1n!.

Moreover,

E(Y)=n=0Pr(Y>n)=n=01n!=e,

E(Y)=n=0Pr(Y>n)=n=01n!=e,

QED.


I have read it a couple of times, and I almost get it... I posted a couple of questions in the Mathematics SE as a result of the ee constant computer simulation. I don't know if you saw them. One of them came back before your kind explanation on Tenfold about the ceiling function of the 1/U(0,1)1/U(0,1) and the Taylor series. The second one was exactly about this topic, never got a response, until now...
Antoni Parellada


And could you add the proof with the uniform spacings as well?
Xi'an

@Xi'an Could you indicate more specifically what you mean by "uniform spacings" in this context?
whuber

I am referring to your Poisson process simulation via the uniform spacing, in the thread Approximate e using Monte Carlo Simulation for which I cannot get a full derivation.
Xi'an

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In Sheldon Ross' A First Course in Probability there is an easy to follow proof:

Modifying a bit the notation in the OP, UiiidU(0,1) and Y the minimum number of terms for U1+U2++UY>1, or expressed differently:

Y=min{n:ni=1Ui>1}

If instead we looked for:

Y(u)=min{n:ni=1Ui>u}

for u[0,1], we define the f(u)=E[Y(u)], expressing the expectation for the number of realizations of uniform draws that will exceed u when added.

We can apply the following general properties for continuous variables:

E[X]=E[E[X|Y]]=E[X|Y=y]fY(y)dy

to express f(u) conditionally on the outcome of the first uniform, and getting a manageable equation thanks to the pdf of XU(0,1), fY(y)=1. This would be it:

f(u)=10E[Y(u)|U1=x]dx

If the U1=x we are conditioning on is greater than u, i.e. x>u, E[Y(u)|U1=x]=1. If, on the other hand, x<u, E[Y(u)|U1=x]=1+f(ux), because we already have drawn 1 uniform random, and we still have the difference between x and u to cover. Going back to equation (1):

f(u)=1+x0f(ux)dx

, and with substituting w=ux we would have f(u)=1+x0f(w)dw.

If we differentiate both sides of this equation, we can see that:

f(u)=f(u)f(u)f(u)=1

with one last integration we get:

log[f(u)]=u+cf(u)=keu

We know that the expectation that drawing a sample from the uniform distribution and surpassing 0 is 1, or f(0)=1. Hence, k=1, and f(u)=eu. Therefore f(1)=e.


I do like the manner in which this generalises the result.
Silverfish
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