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Note per Studenti Esercizio - Dimostrazioni su esponenziale, Erlang e processo di Poisson (domande da orale)

Esercizio - Dimostrazioni su esponenziale, Erlang e processo di Poisson (domande da orale)

Teoria: Distribuzione esponenziale e processo di Poisson per l'informaticaL'esponenziale Exp(λ) è l'unica legge continua senza memoria: P(X>s+t | X>s)=P(X>t). Il minimo di esponenziali indipendenti è Exp(Σλ_i) e l'indice del minimo è i con probabilità λ_i/Σλ (indipendente dal valore del minimo); il massimo di n esponenziali Exp(λ) ha media H_n/λ. Il processo di Poisson di intensità λ ha interarrivi Exp(λ) i.i.d., N(t) ~ Poisson(λt) e incrementi indipendenti; la scomposizione (ogni evento tenuto con probabilità p) dà due processi di Poisson indipendenti, la sovrapposizione dà un processo di intensità somma. Applicazioni: carichi Poisson delle urne (poissonizzazione, con costo e√m), server replicati, arrivi durante un servizio.Distribuzione esponenziale e processo di Poisson per l'informatica →.

Testo. Dimostrare e verificare numericamente:

  1. Il massimo di tre variabili Exp(1)\text{Exp}(1) indipendenti ha media 116\tfrac{11}6 e varianza 4936\tfrac{49}{36}.
  2. Se X∼Exp(λ)X\sim\text{Exp}(\lambda) allora ⌈X⌉\lceil X\rceil è geometrica di parametro 1−e−λ1-e^{-\lambda}. Per λ=ln⁡2\lambda=\ln2, scrivere la legge.
  3. Dualità Erlang-Poisson: per Sk∼Erlang(k,λ)S_k\sim\text{Erlang}(k,\lambda) vale P(Sk>t)=P(N(t)≤k−1)P(S_k>t)=P(N(t)\le k-1), con N(t)∼Poisson(λt)N(t)\sim\text{Poisson}(\lambda t). Verificarlo per k=2k=2, λ=2\lambda=2, t=1t=1.
  4. In un processo di Poisson di intensità λ=3\lambda=3, dato N(2)=1N(2)=1, l'istante dell'evento è uniforme su [0,2][0,2]: calcolare P(S1≤0,5∣N(2)=1)P(S_1\le0{,}5\mid N(2)=1).

Soluzione

1. Il massimo è la somma di tre tempi indipendenti: il primo completamento T1∼Exp(3)T_1\sim\text{Exp}(3), poi (assenza di memoria) T2∼Exp(2)T_2\sim\text{Exp}(2), poi T3∼Exp(1)T_3\sim\text{Exp}(1), tutti indipendenti. Quindi E[max⁡]=13+12+1=116=1,8333,Var[max⁡]=19+14+1=4+9+3636=4936=1,3611.E[\max]=\tfrac13+\tfrac12+1=\tfrac{11}6=1{,}8333,\qquad\text{Var}[\max]=\tfrac19+\tfrac14+1=\tfrac{4+9+36}{36}=\tfrac{49}{36}=1{,}3611. (La varianza della somma di variabili indipendenti è la somma delle varianze, 1μ2\tfrac1{\mu^2} per ciascuna.) Simulazione con 10610^6 terne (codice sotto): media 1,8341{,}834, varianza 1,3611{,}361.

2. Per k≥1k\ge1, P(⌈X⌉=k)=P(k−1<X≤k)=e−λ(k−1)−e−λk=(e−λ)k−1(1−e−λ)P(\lceil X\rceil=k)=P(k-1<X\le k)=e^{-\lambda(k-1)}-e^{-\lambda k}=\bigl(e^{-\lambda}\bigr)^{k-1}\bigl(1-e^{-\lambda}\bigr): è la geometrica (Distribuzione geometricaGeo(p) è il numero della prova in cui arriva il primo successo in prove indipendenti: P(X = n) = (1−p)^(n−1) p per n ≥ 1, P(X > n) = (1−p)^n (lunga attesa), media 1/p, varianza (1−p)/p², ed è senza memoria.Distribuzione geometrica →) con probabilità di successo p=1−e−λp=1-e^{-\lambda}. Per λ=ln⁡2\lambda=\ln2: e−λ=12e^{-\lambda}=\tfrac12, p=12p=\tfrac12 e P(⌈X⌉=k)=2−kP(\lceil X\rceil=k)=2^{-k}: 12,14,18,116,…\tfrac12,\tfrac14,\tfrac18,\tfrac1{16},\dots La simulazione dà 0,4992; 0,2505; 0,1251; 0,0626; 0,03140{,}4992;\ 0{,}2505;\ 0{,}1251;\ 0{,}0626;\ 0{,}0314. Questo è l'ingrediente di un campionatore: un'esponenziale discretizzata è geometrica (Metodi Monte Carlo - stima, generazione di variabili aleatorie e MCMCMonte Carlo stima una grandezza come media di campioni casuali: errore tipico σ/√N, numero di campioni N ≥ ln(2/δ)/(2ε²) per Hoeffding (probabilità), N ≥ 3 ln(2/δ)/(pε²) per Chernoff (errore relativo). Stima di π con p=π/4; integrali come media di g(U); eventi rari con campionamento per importanza (pesi φ/q); conteggio DNF con Karp-Luby in tempo polinomiale perché P(Y=1) ≥ 1/m. Generazione: trasformazione inversa X=F^{-1}(U) e accettazione-rifiuto (f ≤ M g, efficienza 1/M). MCMC: Metropolis-Hastings costruisce una catena con stazionaria π (nota a meno di costante) imponendo il bilancio dettagliato con probabilità di accettazione min(1, π(y)Q(y,x)/(π(x)Q(x,y))).Metodi Monte Carlo - stima, generazione di variabili aleatorie e MCMC →).

3. Dimostrazione. Sk>tS_k>t significa che il kk-esimo evento avviene dopo tt, cioè che in [0,t][0,t] ci sono al più k−1k-1 eventi: {Sk>t}={N(t)≤k−1}\{S_k>t\}=\{N(t)\le k-1\} (stesso evento, per definizione di NN a partire da SkS_k). Quindi P(Sk>t)=∑j=0k−1e−λt(λt)jj!P(S_k>t)=\sum_{j=0}^{k-1}e^{-\lambda t}\frac{(\lambda t)^j}{j!}. Numeri: k=2k=2, λ=2\lambda=2, t=1t=1: P(S2>1)=e−2(1+2)=3e−2=0,4060P(S_2>1)=e^{-2}(1+2)=3e^{-2}=0{,}4060. Direttamente, con la densità di Erlang: P(S2>1)=∫1∞4se−2sds=[−(2s+1)e−2s]1∞=3e−2=0,4060P(S_2>1)=\int_1^\infty4se^{-2s}ds=\bigl[-(2s+1)e^{-2s}\bigr]_1^\infty=3e^{-2}=0{,}4060 ✓ (simulazione: 0,40640{,}4064).

4. Con N(2)=1N(2)=1, la densità congiunta di S1=sS_1=s e {N(2)=1}\{N(2)=1\} è λe−λs⋅e−λ(2−s)=λe−2λ\lambda e^{-\lambda s}\cdot e^{-\lambda(2-s)}=\lambda e^{-2\lambda}, costante in s∈[0,2]s\in[0,2]; dividendo per P(N(2)=1)=2λe−2λP(N(2)=1)=2\lambda e^{-2\lambda} si ottiene la densità condizionata 12\tfrac12: uniforme su [0,2][0,2]. Quindi P(S1≤0,5∣N(2)=1)=0,52=0,25per ogni λ.P(S_1\le0{,}5\mid N(2)=1)=\frac{0{,}5}{2}=\boxed{0{,}25}\quad\text{per ogni }\lambda. La simulazione con λ=3\lambda=3 (88568856 casi su 600 000600\,000 con esattamente un evento, contro i 600 000⋅6e−6≈8924600\,000\cdot6e^{-6}\approx8924 attesi) dà 0,25110{,}2511. Il risultato non dipende da λ\lambda: l'intensità decide quanti eventi cadono in [0,t][0,t], non dove.

Codice di verifica

python
import numpy as np
from math import exp, log
rng = np.random.default_rng(3)

M = rng.exponential(1, size=(1_000_000, 3)).max(axis=1)
print("1.", M.mean(), M.var(), "attesi", 11 / 6, 49 / 36)

C = np.ceil(rng.exponential(1 / log(2), 1_000_000))
print("2.", [round((C == k).mean(), 4) for k in range(1, 6)])

S2 = rng.exponential(1 / 2, size=(1_000_000, 2)).sum(axis=1)
print("3.", (S2 > 1).mean(), 3 * exp(-2))

lam, t, tot, hit = 3, 2, 0, 0
for _ in range(600_000):
    a = rng.exponential(1 / lam)
    if a <= t and a + rng.exponential(1 / lam) > t:      # esattamente un evento in [0, t]
        tot += 1; hit += a <= 0.5
print("4.", tot, hit / tot)

Versione ripasso

Teoria: Distribuzione esponenziale e processo di Poisson per l'informaticaL'esponenziale Exp(λ) è l'unica legge continua senza memoria: P(X>s+t | X>s)=P(X>t). Il minimo di esponenziali indipendenti è Exp(Σλ_i) e l'indice del minimo è i con probabilità λ_i/Σλ (indipendente dal valore del minimo); il massimo di n esponenziali Exp(λ) ha media H_n/λ. Il processo di Poisson di intensità λ ha interarrivi Exp(λ) i.i.d., N(t) ~ Poisson(λt) e incrementi indipendenti; la scomposizione (ogni evento tenuto con probabilità p) dà due processi di Poisson indipendenti, la sovrapposizione dà un processo di intensità somma. Applicazioni: carichi Poisson delle urne (poissonizzazione, con costo e√m), server replicati, arrivi durante un servizio.Distribuzione esponenziale e processo di Poisson per l'informatica →.

  • Massimo di tre Exp(1)\text{Exp}(1): T1∼Exp(3)T_1\sim\text{Exp}(3), T2∼Exp(2)T_2\sim\text{Exp}(2), T3∼Exp(1)T_3\sim\text{Exp}(1) indipendenti (assenza di memoria): media 13+12+1=116\tfrac13+\tfrac12+1=\tfrac{11}6, varianza 19+14+1=4936\tfrac19+\tfrac14+1=\tfrac{49}{36}.
  • Discretizzazione: P(⌈X⌉=k)=e−λ(k−1)−e−λkP(\lceil X\rceil=k)=e^{-\lambda(k-1)}-e^{-\lambda k}: geometrica con p=1−e−λp=1-e^{-\lambda}; λ=ln⁡2\lambda=\ln2: 2−k2^{-k}.
  • Dualità: {Sk>t}={N(t)≤k−1}\{S_k>t\}=\{N(t)\le k-1\}; k=2k=2, λ=2\lambda=2, t=1t=1: 3e−2=0,40603e^{-2}=0{,}4060 (anche con l'integrale della densità di Erlang).
  • Uniformità condizionata: densità congiunta λe−λse−λ(t−s)=λe−λt\lambda e^{-\lambda s}e^{-\lambda(t-s)}=\lambda e^{-\lambda t} costante, divisa per λte−λt\lambda te^{-\lambda t} dà 1t\tfrac1t; P(S1≤0,5∣N(2)=1)=0,25P(S_1\le0{,}5\mid N(2)=1)=0{,}25, indipendente da λ\lambda.
  • Errori tipici: sommare i tassi invece dei tempi medi per il massimo; dimenticare che {Sk>t}\{S_k>t\} include N(t)=k−1N(t)=k-1; credere che il tempo condizionato dipenda da λ\lambda.

Teoria collegata