試題1---經典概率問題:優惠券收集問題


 

問題:

    1維,1米長的路面,每次下一滴雨,每滴雨落到地面上長度是0.01米,落點假設均勻分布,求問下了多少滴雨之后路面會全部濕透,求期望?

分析:

 

    把一米長的路面分成100個格子,每個格子都落了雨滴了那么路面就濕透了。隨機性在於每次哪個格子落雨是不確定的。 分析到這,了解優惠券收集問題的人應該知道這其實可以歸約到該問題的。那么優惠券收集問題是怎樣的呢?

 

優惠券收集問題:

    有個餐館,每天隨機發印有12生肖中的一種生肖的優惠券,小明每天都去該餐館。問小明期望需要幾天能收集到所有12生肖圖案的優惠券。

這個問題如果直接去求,從至少需要12天開始,計算每種可能的概率進而計算期望會很麻煩。 我們借助概率性質:

隨機變量的和的期望等於這些隨機變量期望之和

 

    對於這個問題,我們需要把要求的期望分解為若個個隨機變量的和。(E(X1+X2)=E(X1)+E(X2), 當 X1, X2相互獨立時)

設隨機變量S表示收集到所有生肖優惠券所需的最少天數, 我們用Xi表示收集到(i-1)種優惠券后,還需要多少天才能收集到第i種優惠券。

  1. X1表示收集到第一種優惠券所需天數,顯然X1=1

  2. 我們來算X2,收集到第一種后,除了第一種的優惠券,其他任何一種都可以算第二種了,從而,他每天出現的 概率為11/12,進而期望天數為12/11 【1】(每天可以看出一個獨立的貝努利實驗)

  3. 類似X3的期望為12/10, E(Xi)=12/(13-i) (i取值從1到12)

    我們有S=X1+X2+...X12,

E(S)=E(X1)+E(X2)+...+E(X12) = 12(1+1/2+1/3+..1/12)。

 

括號里面的那個為調和級數,近似地1+1/2+....1/n =log(n) (可以從積分角度證明)

 

    現在我們回到原題,100個格子可以看出100種優惠券,從而期望雨滴數為100(1+1/2+....1/100).

 【1】根據伯努利分布計算天數期望的推導過程如下圖:

   

   

 

變種

    這個問題特別經典,有些問題可能比這題看起來更不容易歸約,作為練習,大家可以考慮下面的問題:

    假設給定長度N的數組,我們需要對數組里的元素做隨機打亂,采用如下算法, 請給出該算法復雜度:

1) 從第一個元素開始,我們隨機產生一個1到N之間的下標,也用這個下標的元素跟第一元素交換

2) 處理第i個位置時,我們仍然是先隨機產生一個1到N之間的下標,如果產生的下標在[1,i-1]中,我們丟棄這個下標,重現取個新的,直到滿足要求

3) 處理完N個位置后,原數組被隨機打亂了


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