問題描述:
有一個木桶,里面有M個白球,小明每分鍾從桶中隨機取出一個球塗成紅色(無論白或紅都塗紅)再放回,問小明將桶中球全部塗紅的期望時間是多少?
分析過程:
數學期望類的題目,主要是要理解什么是數學期望,數學期望是干什么用的,關於這些問題的解答,大家可以自己去理解,思考或者翻書,我要講的內容是如何利用這些數學期望的特點。
數學期望的遞歸特性:
飛行棋大家都玩過吧,應該知道每次拋到6,就有一架飛機可以出門了,那么問你一架飛機可以出門的時候,拋篩子次數的數學期望是多少?
你估計會毫不猶豫的說是6(P=1/6,E=1/P=6),但是你思考過深一層次的原因嗎?
好吧,我來告訴你,我們記拋6的期望次數是E,如果第一次拋的是6,那么就是1次,概率是1/6;如果第一次不是6呢,那么次數是1+E,概率為5/6;
那么 E = 1 * (1/6) + (1+E) * (5/6),你可以很容易的解出 E = 6
上面加粗的紅色字體用的就是類似一個遞歸的概念,希望你能理解吧,不行的話,那只能自己去努力理解了,呵呵。
現在我們開始解答上面的問題:
令P[i]代表M個球中已經有i個球是紅色后,還需要的時間期望,去將所有球都變成紅色。
So,給出遞歸式:P[i]= (i/M) * P[i] + (1-i/M)* P[i+1] + 1
我相信大家都能理解這個公式的含義,不過還是解釋一下,在P[i]的情況下,我們選一次球,如果是紅球,那么概率是i/M,子問題還是P[i],如果是白球,那么概率是1-i/M,子問題是P[i+1],注意你當前的選球操作要計算在內,即一次
化簡如上遞歸式得:P[i] = P[i+1] + M/(M-i),顯然P[M] = 0;
所以:
P[M-1] = P[M] + M/1
P[M-2] = P[M-1] + M/2
…
P[0] = P[1] + M/M
綜上:P[0] = 0 + M/1 + M/2 + … + M/M,至此問題已經解決,不過我希望大家學到的不是這個答案,而是分析這個題目的過程
最終答案:
0 + M/1 + M/2 + M/3 + … + M/M