Esercizio - Approssimazione di Poisson dei carichi e limite sul carico massimo
Teoria: Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di PoissonModello palline e urne (m palline, n urne, scelte indipendenti e uniformi): paradosso del compleanno con soglia sqrt(2 n ln 2), urne vuote attese n e^(-m/n), carico massimo ln n / ln ln n con dimostrazione (first moment e union bound), approssimazione di Poisson con il fattore e sqrt(m), potere delle due scelte (ln ln n / ln 2).Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di Poisson → (approssimazione di Poisson e teorema esatto contro Poisson), Distribuzione di PoissonPoi(λ) conta eventi rari: P(X = k) = e^(−λ) λ^k / k! per k = 0, 1, 2, …, con media e varianza entrambe uguali a λ; approssima la binomiale Bin(n, p) quando n è grande e p piccolo, con λ = np.Distribuzione di Poisson →.
Testo. Si lanciano palline in urne ().
- Per confrontare la probabilità esatta che un'urna abbia palline () con quella di e calcolare la distanza in variazione totale. Quante urne vuote ci si aspetta secondo i due modelli?
- Dimostrare che usando , e verificare la disuguaglianza per .
- Usando il teorema con l'union bound nel modello di Poisson, dare un limite superiore a per e , e confrontarlo con una simulazione.
- Rifare il confronto per e . Quando il limite è inutile?
Soluzione
1. Binomiale contro Poisson. , quindi :
| binomiale | ||||||
| Poisson |
La distanza in variazione totale vale . Urne vuote attese: (esatto) contro (Poisson). Il modello di Poisson dà frazioni quasi identiche, con errore sotto l'.
2. . Dalla disuguaglianza si ha Per : il membro sinistro vale e il destro . (Il valore giusto è per Stirling: il fattore al posto di è il prezzo di una disuguaglianza valida per ogni .)
3. Limite per . Nel modello di Poisson sono indipendenti e per l'union bound Il teorema moltiplica per :
| limite | simulazione ( prove) | ||
|---|---|---|---|
Il limite è corretto ma più largo di un fattore (il fattore stesso), e per vale : utile solo per . Si noti che nel modello Poisson l'union bound è quasi esatto (il valore è molto vicino alla simulazione nel modello esatto), quindi tutto lo spreco è nel fattore .
4. . Ora il fattore è .
| limite | simulazione ( prove) | ||
|---|---|---|---|
Per il limite supera : vuoto. Il metodo è utile solo quando , cioè sulle code lontane. L'union bound sul modello esatto, senza il fattore, dà per ma richiede di gestire la dipendenza tra i carichi.
Codice di verifica
import numpy as np
from math import comb, exp, factorial, e, sqrt
n = 100
bino = [comb(n, k) * 0.01 ** k * 0.99 ** (n - k) for k in range(6)]
poi = [exp(-1) / factorial(k) for k in range(6)]
print([round(x, 5) for x in bino], [round(x, 5) for x in poi])
print(0.5 * sum(abs(comb(n, k) * 0.01 ** k * 0.99 ** (n - k) - exp(-1) / factorial(k)) for k in range(n + 1)))
def prova(n, T, ks):
rng = np.random.default_rng(1)
mx = np.array([np.bincount(rng.integers(0, n, size=n), minlength=n).max() for _ in range(T)])
for k in ks:
P = n * (1 - sum(exp(-1) / factorial(j) for j in range(k))) # n P(Poi(1) >= k)
print(n, k, round(P, 5), round(P * e * sqrt(n), 4), (mx >= k).mean())
prova(1000, 100000, (8, 9, 10))
prova(100, 100000, (5, 6, 7, 8))Risultato: le due liste della tabella, 0.002775, poi righe n k P limite frequenza come 1000 8 0.01025 0.881 0.00964 e 100 6 0.05942 1.6152 0.0533 (i valori delle due tabelle).
Versione ripasso
- Bin contro Poisson (). esatta per ; : . Variazione totale ; urne vuote contro (Distribuzione di PoissonPoi(λ) conta eventi rari: P(X = k) = e^(−λ) λ^k / k! per k = 0, 1, 2, …, con media e varianza entrambe uguali a λ; approssima la binomiale Bin(n, p) quando n è grande e p piccolo, con λ = np.Distribuzione di Poisson →).
- Lemma. da ; per : (Stirling: ).
- Teorema. perché condizionata a la legge di Poisson è la multinomiale (Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di PoissonModello palline e urne (m palline, n urne, scelte indipendenti e uniformi): paradosso del compleanno con soglia sqrt(2 n ln 2), urne vuote attese n e^(-m/n), carico massimo ln n / ln ln n con dimostrazione (first moment e union bound), approssimazione di Poisson con il fattore e sqrt(m), potere delle due scelte (ln ln n / ln 2).Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di Poisson →). Con l'union bound .
- (fattore ): dà contro simulati : valido ma largo volte, inutile per .
- (fattore ): dà (vuoto); : contro simulati .
- Errori tipici. Applicare il limite quando ; dimenticare il fattore e trattare i carichi esatti come indipendenti; confondere il modello (somma libera) con il modello esatto (somma ).