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算法导论5.4 概率分析和指示器随机变量的进一步使用–几个有趣的问题

2012年10月02日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2265字 ⁄ 字号 评论关闭

1  生日悖论

一个房间的人数必须要达到多少,才能使得有两个人生日相同的机会达到50%?

1)用概率来分析

假设一年 n = 365天,

两个人的生日都落在某一个固定的天数r上的概率为 1/n * 1/n  = 1 / n^2

两个人的生日落在同一天上的概率为n * 1 / n^2 = 1 / n    

注意两个人的生日落在同一天的概率 = 某个人的生日落在指定一天的概率 = 1 / n     这个巧合依赖于个各人生日独立。

k个人中至少有2人生日相同的概率等于1减去所有人生日都不互不相同的概率。即:

1 -  1 * (n-1)/n * (n-2)/n......* (n-k+1)/n   >=   1/2

=>  (n-1)/n * (n-2)/n......* (n-k+1)/n    <=  1/2

由不等式:1+x <= e^x

=>  e^{-1/n  -2/n  ... -(k-1)/n}   =   e^{ -k*(k-1) / 2n}    <=  1/2

=>  k * (k-1)  >= 2n*ln2

可以解除k为23时,至少有2个人生日相同的概率在50%以上。

2)用指示器随机变量来计算 期望至少有2个人的生日相同   时需要的人数。

用X表示具有相同生日的对数(一对是2个人),

那么一共是C(k,2)对人,每一对人生日相同的概率都是1/n

所以当有k个人时,生日相同的人的对数的期望是 C(k,2) * 1/n   =  k(k-1) / 2n

k(k-1) / 2n  >= 1    即可求出k=28人时,可以期望有一对人的生日相同。

注意1)和2)的描述不同,是2个不同的问题。

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2  球与盒子(赠券收集者问题)

一个人如果想要收集齐b种不同赠券中的每一种,大约需要b*lnb张随机得到的赠券才能完成

用球和盒子的模型说明:把相同的球随机投到b个盒子中去。  

1>有多少个求落入指定的盒子中?服从二态分布(k;n,1/b),则期望值为n/b

2>在给定的盒子中至少一个球之前,平均需要投多少个球?服从几何分布,概率为1/b,成功前的期望个数为1/(1/b)=b

3>在每个盒子至少有一个球之前,要投多少个球?

大约投球b*lnb次就可以满足条件

证明见书

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3    序列(抛掷n次硬币连续正面次数的期望)

在CSDN的算法版上有这样一个讨论:

adrew教授招了一个研究生,给他布置了一个任务,让他拿着硬币抛100次,如果是正面则在纸上写1,若是反面则在纸上写0,最后把这个序列给adrew教授。这个学生半个小时后回来,给出了下面的数据,Adrew教授立刻就识破了这个学生是随便写的数据,并没有确实去做这个实
验,你能猜出为什么吗?

数据
1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1
1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1
0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1
1 0 1 1

设想你抛一枚硬币n次,你期望看到的连续正面的最长序列是多长?答案是O(lgn)

证明见书

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4  在线雇佣问题(苏格拉底的捡麦穗问题)

对雇佣问题进行修改,现在我们只雇佣一次:

选择一个正整数k < n,面试前k个应聘者然后拒绝他们,再雇佣其后第一个比前面所有应聘者分数都高的人,如果没有这个人,就雇佣最后一个人。

ON-LINE-MAXIMUM(k, n)
1 bestscore  -
2 for i  to k
3      do if score(i) > bestscore
4            then bestscore  score(i)
5 for i  k + 1 to n
6      do if score(i) > bestscore
7            then return i
8 return n


怎么才可以捡到期望的最大麦穗呢?

方法是在前k次中不捡麦穗,但是比较找出最大麦穗并记住,在后面的n-k个麦穗中第一次遇到比前k个中的最大的还要大的麦穗就捡起,就是目标麦穗。如果没有发现比前k个还要大的,就捡最后一个第n个。

这里的关键是取好k的值,使得能够捡到最大的麦穗的可能性最大,根据算法导论(中文版)第67和68页分析,这个k值取n/e时,则可以至少有1/e的概率渠道最大的麦穗。k=n/e

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总结:

了解这些问题。证明见书

前5章是算法导论的第一部分--基础知识

其中第5章不乏许多有意思的问题

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