Esercizio - tempo atteso per vedere HH, HT e HHH nei lanci di una moneta
Teoria: Linearità del valore atteso e variabili indicatriciLa linearità $E[X+Y]=E[X]+E[Y]$ vale sempre, anche senza indipendenza; con le variabili indicatrici ($E[I_A]=P(A)$) trasforma un conteggio in una somma di probabilità. Applicazioni: attesa del primo successo $1/p$, collezionista di figurine $nH_n$, punti fissi di una permutazione (media $1$), record (media $H_n$), inversioni ($n(n-1)/4$), attesa condizionata, identità di Wald $E[S_N]=E[N]E[X]$.Linearità del valore atteso e variabili indicatrici → (valore atteso condizionato). Lo stesso problema si risolve come catena di Markov in Catene di Markov - matrice di transizione, classificazione degli stati e distribuzione stazionariaUna catena di Markov a tempo discreto e stati finiti è descritta da una matrice stocastica P: P(X_{n+1}=j | X_n=i)=P_ij, la legge al tempo n è π_0 P^n. Gli stati si classificano in classi comunicanti (irriducibilità), periodo (aperiodicità) e ricorrenza/transitorietà. Una distribuzione stazionaria soddisfa πP=π; per catene finite irriducibili esiste ed è unica, vale π_i=1/h_ii (h_ii = tempo medio di primo ritorno), e se la catena è anche aperiodica P^n converge a una matrice con tutte le righe uguali a π. Le catene reversibili (π_i P_ij = π_j P_ji) hanno stazionaria immediata.Catene di Markov - matrice di transizione, classificazione degli stati e distribuzione stazionaria →.
Testo. Si lancia ripetutamente una moneta equa. Sia il numero di lanci fino alla prima comparsa della sequenza di esiti consecutivi.
- Calcolare e condizionando sul lancio successivo.
- Spiegare perché richiede più tempo di pur avendo la stessa probabilità () in ogni posizione.
- Calcolare e indicare il caso generale .
- Verificare con una simulazione.
Soluzione
Si definiscono gli stati come la lunghezza del più lungo prefisso della sequenza cercata che coincide con la fine dei lanci fatti, e per ogni stato l'attesa del numero di lanci ancora da fare.
1a. . Stati: (nessun progresso, o ultimo lancio ), (ultimo lancio ). Sia , l'attesa dei lanci mancanti.
- Da : si lancia (costo ); con probabilità esce e si passa a , con esce e si resta in : , cioè .
- Da : si lancia; con si ha e si finisce, con si torna a : , cioè .
Si sostituisce: , quindi e .
1b. . Stessi stati, ma il lancio da stato mantiene lo stato (l'ultimo lancio è ancora ): , da cui . Da : , cioè . Quindi .
2. Perché aspetta di più. In , dopo aver visto un azzera tutto il progresso: si torna a . In , dopo un altro non fa perdere nulla: si resta in "ultimo lancio ". Un'altra lettura: due occorrenze di possono sovrapporsi ( contiene due ) e perciò le occorrenze arrivano a gruppi; per avere la stessa frequenza media ( per posizione) i gruppi devono essere più radi, con un'attesa iniziale più lunga.
3. . Stati (numero di finali): da ogni stato un riporta a , un avanza.
- ;
- ;
- .
Sostituendo in : . Poi , cioè e .
In generale (: ; : ; : ).
4. Simulazione.
import random
def attesa(pat, T=100000):
tot = 0
for _ in range(T):
s, c = "", 0
while not s.endswith(pat):
s += random.choice("HT"); c += 1
tot += c
return tot / T
print(attesa("HH"), attesa("HT"), attesa("HHH")) # circa 6, 4, 14Risultato. , , ; in generale .
Verifica Python: sistema lineare risolto con Fraction per i pattern (); simulazioni .
Versione ripasso
- Stati = lunghezza del prefisso della sequenza raggiunto; equazioni di attesa condizionando sul lancio successivo (Linearità del valore atteso e variabili indicatriciLa linearità $E[X+Y]=E[X]+E[Y]$ vale sempre, anche senza indipendenza; con le variabili indicatrici ($E[I_A]=P(A)$) trasforma un conteggio in una somma di probabilità. Applicazioni: attesa del primo successo $1/p$, collezionista di figurine $nH_n$, punti fissi di una permutazione (media $1$), record (media $H_n$), inversioni ($n(n-1)/4$), attesa condizionata, identità di Wald $E[S_N]=E[N]E[X]$.Linearità del valore atteso e variabili indicatrici →, Formula delle probabilità totali e formula di BayesSe (A_i) è una partizione di Ω, P(B) = Σ P(B ∣ A_i) P(A_i) (probabilità totali); la formula di Bayes inverte il condizionamento: P(A_k ∣ B) = P(B ∣ A_k) P(A_k) / P(B).Formula delle probabilità totali e formula di Bayes →).
- : , ; .
- : da un resta in : ; . Dopo , un azzera ma non .
- : , , . In generale .
- Verifica: sistema esatto (e : ); simulazione . Si riscrive come catena di Markov: Catene di Markov - matrice di transizione, classificazione degli stati e distribuzione stazionariaUna catena di Markov a tempo discreto e stati finiti è descritta da una matrice stocastica P: P(X_{n+1}=j | X_n=i)=P_ij, la legge al tempo n è π_0 P^n. Gli stati si classificano in classi comunicanti (irriducibilità), periodo (aperiodicità) e ricorrenza/transitorietà. Una distribuzione stazionaria soddisfa πP=π; per catene finite irriducibili esiste ed è unica, vale π_i=1/h_ii (h_ii = tempo medio di primo ritorno), e se la catena è anche aperiodica P^n converge a una matrice con tutte le righe uguali a π. Le catene reversibili (π_i P_ij = π_j P_ji) hanno stazionaria immediata.Catene di Markov - matrice di transizione, classificazione degli stati e distribuzione stazionaria →.
- Errore tipico: dire che sequenze di uguale probabilità hanno uguale tempo di attesa.