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均匀和分布


UniformSumDistribution

和的分布 X_1+X_2+...+X_nn 个在区间上的均匀变量 [0,1] 可以直接找到为

 P_(X_1+...+X_n)(u)=intint...int_()_(n)delta(x_1+x_2+...+x_n-u)dx_1dx_2...dx_n,
(1)

其中 delta(x) 是一个 delta 函数

一个更优雅的方法是使用 特征函数 来获得

 P_(X_1+...+X_n)(u)=F_t^(-1)[((i(1-e^(it)))/t)^n](u) 
 =1/(2(n-1)!)sum_(k=0)^n(-1)^k(n; k)(u-k)^(n-1)sgn(u-k),
(2)

其中傅里叶参数取为 (1,1)。前几个值 P_n(u) 然后由下式给出

P_(X_1)(u)=1/2[sgn(1-u)+sgnu]
(3)
P_(X_1+X_2)(u)=1/2[(-2+u)sgn(-2+u)-2(-1+u)sgn(-1+u)+usgnu]
(4)
P_(X_1+X_2+X_3)(u)=1/4[-(-3+u)^2sgn(-3+u)+3(-2+u)^2sgn(-2+u)-3(-1+u)^2sgn(-1+u)+u^2sgnu]
(5)
P_(X_1+X_2+X_3+X_4)(u)=1/(12)[(-4+u)^3sgn(-4+u)-4(-3+u)^3sgn(-3+u)+6(-2+u)^3sgn(-2+u)-4(-1+u)^3sgn(-1+u)+u^3sgnu],
(6)

如上图所示。

有趣的是,从均匀分布中选取一个数字 x_k 的期望次数 n[0,1] 上,使得和 sum_(k=1)^(n)x_k 超过 1 是 e (Derbyshire 2004, pp. 366-367)。这可以通过注意到以下概率来证明:n 个变量之和大于 1,而 n-1 个变量之和小于 1 是

P_n^((1))=int_1^nP_(X_1+...+X_n)(u)du-int_1^(n-1)P_(X_1+...+X_(n-1))(u)du
(7)
=(1-1/(n!))-[1-1/((n-1)!)]
(8)
=1/(n(n-2)!).
(9)

对于 n=1, 2, ... 的值是 0, 1/2, 1/3, 1/8, 1/30, 1/144, 1/840, 1/5760, 1/45360, ... (OEIS A001048)。首次超过 1 所需的期望选取次数然后简单地是

 <n_1>=sum_(n=1)^inftynP_n^((1))=sum_(n=1)^infty1/((n-2)!)=sum_(n=0)^infty1/(n!)=e.
(10)

计算它们的和首次超过 2 所需的期望选取次数更为复杂。在这种情况下,

P_n^((2))=int_2^nP_(X_1+...+X_n)(u)du-int_2^(n-1)P_(X_1+...+X_(n-1))(u)du
(11)
=((n-2)(2^(n-1)-n))/(n!).
(12)

因此,前几项是 0, 0, 1/6, 1/3, 11/40, 13/90, 19/336, 1/56, 247/51840, 251/226800, ... (OEIS A090137A090138)。首次超过 2 所需的期望选取次数然后简单地是

<n_2>=sum_(n=1)^(infty)nP_n^((2))
(13)
=sum_(n=1)^(infty)(n(n-2)(2^(n-1)-n))/(n!)
(14)
=e^2-e.
(15)

下表总结了和首次超过整数 s 的期望选取次数 <n_s> (OEIS A089087)。闭合形式由下式给出

 <n_s>=1/(n!)sum_(k=0)^n((-1)^kn!(n-k+1)^k)/(k!)e^(n-k+1)
(16)

(Uspensky 1937, p. 278)。

s<n_s>OEIS近似
1eA0011132.71828182...
2e^2-eA0901424.67077427...
31/2(2e^3-4e^2+e)A0901436.66656563...
41/6(6e^4-18e^3+12e^2-e)A0891398.66660449...
51/(24)(24e^5-96e^4+108e^3-32e^2+e)A09061110.66666206...

参见

均匀差分布, 均匀分布, 均匀积分布, 均匀比分布

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参考文献

Derbyshire, J. Prime Obsession: Bernhard Riemann and the Greatest Unsolved Problem in Mathematics. New York: Penguin, 2004.Sloane, N. J. A. 序列 A001048/M0890, A001113/M1727, A089087, A089139, A090137, A090138, A090142, A090143, 和 A090611 在 "整数序列在线百科全书" 中。Uspensky, J. V. Introduction to Mathematical Probability. New York: McGraw-Hill, 1937.

在 Wolfram|Alpha 上引用

均匀和分布

引用为

Weisstein, Eric W. "均匀和分布。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/UniformSumDistribution.html

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