ACTUALIZACIÓN:
Si puede demostrar la siguiente identidad:
$$\sum\limits_{t=0}^p \left(\frac{{2t+1 \choose t}}{2^{2t+1}}\right)^2 \frac{1}{t+2} = -1 + \frac{(2+p)}{2^{4p+4}}{2p+3 \choose p+1}^2$$
Entonces esto es suficiente para resolver esta cuestión y obtener mi gratitud así como la recompensa de 50 puntos. Obtuve esta identidad de Mathematica. Ver mi respuesta más abajo para más detalles.
Mi pregunta está relacionada con una suma infinita y su forma cerrada es muy elegante. La expresión es la solución de un bonito problema en el que también entraré. Aquí está la suma:
Déjalo: $$a_t = \left({2t+1 \choose t} - {2t+1 \choose t-1}\right)\frac{1}{2^{2+2t}}$$
y, $$b_t = \left({2t+2 \choose t} - {2t+2 \choose t-1}\right)\frac{1}{2^{3+2t}}$$
Para los primeros términos de estas secuencias, ${n \choose -1} = 0$ para todos $n$ .
Y el resumen:
$$S = \sum_{t=0}^{\infty} \left(1-\sum_{l=0}^{t-1}b_l\right) a_t = 1- \sum_{t=0}^{\infty} \left(\sum_{l=0}^{t-1}b_l\right) a_t = 7-\frac{20}{\pi} \tag{1}$$
Sé que la expresión anterior es correcta (verificada con un programa de python), pero no tengo ni idea de cómo demostrarlo y me gustaría al menos ver cómo podría enfocarlo.
Ahora bien, ¿por qué me importa este resumen? Es la solución al siguiente problema:
Imagina que dos jugadores ricos empiezan a lanzar sus propias monedas justas por separado, ganando 1 \$ on heads and losing 1\$ en las colas. Ambos comienzan en 0 \$ and have infinite bank balances. The first one wants to get to 2\$ y el segundo quiere llegar a 3\$. ¿Cuál es la probabilidad de que el primero alcance su objetivo antes que el segundo?
Una forma de resolver esto es considerar la probabilidad de que un jugador alcance exactamente $k$ dólares para el primera vez en el lanzamiento $n$ . Si tiene $t$ colas, entonces necesita $t+k$ cabezas. Así que, $n=2t+k$ (nota si k=2 \$, he can only reach the target on even tosses and if k=3\$ Sólo puede alcanzarlo en los lanzamientos de impar). Esta probabilidad resulta ser:
$$\left({k+2t-1 \choose t} - {k+2t-1 \choose t-1}\right) \frac{1}{2^{k+t}} \frac{1}{2^t}$$
Ahora, dejemos que $A_n$ sea la probabilidad de que el jugador que apunta 2\$ gane en el lanzamiento $n$ y $A$ sea la probabilidad de que gane. Entonces tenemos $A = \bigcup\limits_{n=1}^{\infty}A_n$ y así, $P(A) = \sum\limits_{n=0}^\infty P(A_n)$ . Ahora bien, para que el jugador que apunta 2\$ gane en el $n$ de la tirada, deberían ocurrir dos cosas:
- Debería alcanzar su objetivo en el $n$ de la tirada para algunos incluso $n$ .
- Su competidor, el jugador 3\$ no debe alcanzar su objetivo en ningún lanzamiento hasta $n-1$ (ya que sólo puede alcanzar su objetivo en los lanzamientos de impar).
Si se combina todo esto, se puede ver que la probabilidad de que el jugador 2\$ gane viene dada por la ecuación (1) anterior. He reunido algunas código python que se aproxima a $S$ por el gran número de lanzamientos. Un usuario de Reddit señaló la forma cerrada para la que utilizó un enfoque ligeramente diferente pero relacionado y Mathematica. Ahora, ¿cómo puedo demostrar que la suma anterior tiene la forma cerrada mencionada $(7-\frac{20}{\pi})$ ?
EDITAR:
Aquí hay un breve fragmento de python que demuestra la suma en la ecuación (1) anterior.
a_t = np.array([(comb(2*t+1,t)-comb(2*t+1,t-1))/2**(2*t+2) for t in range(500)])
b_t = np.array([(comb(2*t+2,t)-comb(2*t+2,t-1))/2**(2*t+3) for t in range(500)])
b_sum = 1-np.concatenate(([0],np.cumsum(b_t)))
s = sum(a_t*b_sum[:500])
print(7-20/np.pi-s)
Además, aquí está el fragmento de Mathematica que muestra el resultado (gracias a @SteveKass por ayudar con eso):
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Este juego puede considerarse un paseo aleatorio en el plano que comienza en $(-2,-3)$ con pasos diagonales $(\pm1,\pm1)$ . Termina cuando el paseo llega a un eje de coordenadas, y se quiere que la probabilidad de escape del primer cuadrante en $(0,k)$ con $k>0$ . Hay una buena cantidad de literatura sobre las probabilidades de escape para los paseos aleatorios (¡no es mi especialidad!), y tal vez este encuadre sea útil. He encontrado un artículo que menciona el paseo de pasos diagonales en ddiiggiittaallccoommmmoonnss.d.wiwkgkuiu.t.eaedlducu/o/cmcgmgioi/n/ s .wku.edu/cgi/ Tal vez sea útil, o algunas de sus referencias.
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¿De dónde viene esa extraña expresión $7-\dfrac{20}{\pi}$ ¿de dónde viene? ¿Existe una base teórica para ello, o simplemente se acerca numéricamente a su valor calculado?
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Lo siento - demasiado tarde para editar el comentario, pero el punto de partida debería ser $(2,3)$ .
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@TonyK - de aquí salió: imgur.com/a/BQUBEjV . Utilizaba Mathematica y una suma ligeramente diferente a la mía (que aún no entiendo del todo), pero la respuesta cuadra perfectamente. Aquí está el hilo de Reddit: reddit.com/r/math/comments/a6wkf7/
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Había publicado una respuesta, pero era a una mala interpretación de la pregunta. Ahora lo he borrado. Para aclarar para que otros no cometan el mismo error, los dos jugadores no están apostando el uno contra el otro, sino que apuestan independientemente contra la casa. Es un problema de dos dimensiones.
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Por cierto, no obtengo la misma suma que tú cuando la evalúo en Mathematica. i.stack.imgur.com/Dx9EO.png También cabe destacar la identidad del coeficiente binomial ${\binom {n - 1} {k}} - {\binom {n - 1} {k - 1}} = {\frac {n - 2 k} {n}} {\binom {n} {k}} $
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@Steve - el método de python que he enlazado en la pregunta hace lo mismo y produce esta suma, pero déjame volver a comprobar la fórmula.
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@Steve - corregido un error tipográfico. Tenía 4 cuando debería haber tenido 2. Además, la suma hasta 20 no te dará la respuesta. Ve más alto (al menos unos cientos). He editado la pregunta para incluir el código de python que confirma que tiende a la forma cerrada. ¿Puedes ejecutarlo en mathematica hasta la suma infinita ahora (no lo tengo)?
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Creo que podría haber programado un error de signo o fuera de uno en alguna parte, pero (después de un error que publiqué y borré), Mathematica me está dando $\frac{20}{\pi }-\frac{195}{32}$ . Al menos hay un $\frac{20}{\pi }$ ¡en la respuesta! Por supuesto, ahora sabemos que Mathematica puede encontrar la $\frac{20}{\pi }$ pero aún no sabemos cómo conseguir esa forma cerrada nosotros mismos.
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@SteveKass ¿puedes compartir una captura de pantalla? Es muy agradable ver el $\frac{20}{\pi}$ . Debe ser algo muy menor ahora. Pero la pregunta definitiva es, ¿cómo llegó Mathematica a ella :)
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i.stack.imgur.com/lIJtF.png
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La fórmula de la sección 11.3 en pi314.net/esp/hypergse11.php : $$\pi=2\sum_{n=1}^\infty {{2n\choose n}\over4^n(2n+1)}$$ junto con la identidad básica del coeficiente binomial que mencioné antes, lo que lleva a $$a_t={{2t+2\choose t}\over(t+1)4^{t+1}}, b_t={3{2t+3\choose t}\over2(2t+3)4^{t+1}}$$ podría ayudar. pi314.net/esp/hypergse11.php
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En realidad, puede que no ayude tanto, porque tiene $\pi$ en el numerador, no en el denominador, pero espero que lo consigas.
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Ciertamente ayuda a ver el pi. Tratando de ver lo que puedo trabajar, pero definitivamente algo para masticar. ¡Gracias por toda su ayuda en esto!
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@SteveKass - lo siento, otro problema era que mis sumas empezaban desde 1 en lugar de 0. He corregido eso también y he modificado tu código de mathematica para que ahora produzca la respuesta correcta.