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Probabilidad de $X > \max\{Y,Z\}$ exponenciales

Dejemos que $X,$ $Y$ y $Z$ se distribuya exponencialmente con $E[X] = 1/\lambda_X$ , $E[Y] = 1/\lambda_Y$ , $E[Z] = 1/\lambda_Z$ respectivamente.

¿Cómo puedo calcular $P(X > \max\{Y,Z\})$ ?


Tengo A, B, C y D para 3 cajas en un sistema de colas. Considero que D es el que está esperando. Quiero encontrar la probabilidad de que D sea el último en salir. Los tiempos de servicio de las cajas C son indep. Exp con media 5 (misma media para las cajas 1, 2 y 3) Así es como estoy tratando de resolver esto: P(D último) = P(T1 > max{T2,T3})*P(T1 < min{T2,T3}) + P(T2 > max{T1,T3})*P(T2 < min{T1,T3}) + P(T3 > max{T1,T2})*P(T3 < min{T1,T2})

Y luego: $$(\frac{1/5}{1/5+1/5})^4+(\frac{1/5}{1/5+1/5})^4+(\frac{1/5}{1/5+1/5})^4 = = 3(\frac{1}{2})^4 = 3\frac{1}{16} = \frac{3}{16}$$

3voto

BruceET Puntos 7117

Comentario:. Cuando obtenga su respuesta general, puede comparar con los resultados específicos, aproximados por simulación, para el caso: $\lambda_x = 1/4, \lambda_y = 1/3, \lambda_z = 1/2.$

set.seed(213)
x = rexp(10^6, 1/4)
y = rexp(10^6, 1/3)
z = rexp(10^6, 1/2)
w = pmax(y,z)
mean(x > w)
[1] 0.469116
mean((x > y) & (x > z))
[1] 0.469116

3voto

Mouffette Puntos 205

El principio de esta respuesta aborda la cuestión original de encontrar $P(X > \max\{Y, Z\})$ . La OP añadió más contexto a la pregunta después; lo abordo al final de esta respuesta.

[Asumiendo la independencia de $X,Y,Z$ .]

Tenga en cuenta que $P(X > \max\{Y, Z\}) = P(X > Y> Z) + P(X > Z > Y)$ .

\begin{align} P(X>Y>Z) &= \int_0^\infty \lambda_Z e^{-\lambda_Z z}\int_z^\infty \lambda_Y e^{-\lambda_Y y}\int _y^\infty \lambda_X e^{-\lambda_X x} \, dx \, dy \, dz \\ &= \int_0^\infty \lambda_Z e^{-\lambda_Z z}\int_z^\infty \lambda_Y e^{-\lambda_Y y} e^{-\lambda_X y} \, dy \, dz \\ &= \int_0^\infty \lambda_Z e^{-\lambda_Z z} \frac{\lambda_Y}{\lambda_X+ \lambda_Y} e^{-(\lambda_X + \lambda_Y) z}\, dz \\ &= \frac{\lambda_Y}{\lambda_X + \lambda_Y} \cdot \frac{\lambda_Z}{\lambda_X + \lambda_Y + \lambda_Z}. \end{align} El otro término $P(X>Z>Y)$ puede calcularse de forma similar.


Verificación con la simulación de BruceET: $$\frac{\lambda_Y}{\lambda_X + \lambda_Y} \cdot \frac{\lambda_Z}{\lambda_X + \lambda_Y + \lambda_Z} + \frac{\lambda_Z}{\lambda_X + \lambda_Z} \cdot \frac{\lambda_Y}{\lambda_X + \lambda_Y + \lambda_Z} = \frac{1/3}{7/12} \frac{1/2}{13/12} + \frac{1/2}{3/4} \frac{1/3}{13/12}=\frac{128}{273} \approx 0.46886$$


Una idea de última hora:

Después de ver la expresión para $P(X>Y>Z)$ y señalando que $\min\{X,Y\} \sim \text{Exponential}(\lambda_X + \lambda_Y)$ Uno podría verse tentado a hacer lo siguiente:

\begin{align} P(X>Y>Z) &= P(Y<X) P(Z < \min\{X,Y\} \mid Y<X) \\ &\overset{?}{=} P(Y<X) P(Z < \min\{X,Y\}) \\ &= \frac{\lambda_Y}{\lambda_X + \lambda_Y} \cdot \frac{\lambda_Z}{\lambda_X + \lambda_Y + \lambda_Z}. \end{align} Sin embargo, la verificación del paso marcado con "?" requiere cierto cuidado. En general, la distribución de $\min\{X,Y\}$ depende del evento $X<Y$ pero en el caso especial de variables aleatorias exponenciales independientes, $\min\{X,Y\}$ no depende de este evento. Esto puede verificarse explícitamente con integrales de la siguiente manera. $$P(\min\{X,Y\} > t \mid Y<X) = \frac{P(X>Y>t)}{P(X>Y)} = \frac{\frac{\lambda_Y}{\lambda_X+\lambda_Y} e^{-(\lambda_X + \lambda_Y) t}}{\frac{\lambda_Y}{\lambda_X+\lambda_Y}} = e^{-(\lambda_X + \lambda_Y) t} = P(\min\{X,Y\}>t)$$ (Creo que se podría justificar alternativamente con un falta de memoria argumento).



Actualización después de que el OP añadiera el contexto:

Las simulaciones de Stacker sugieren que la respuesta a la pregunta original "¿Cuándo es D el último en salir?" es $1/3$ . Tu trabajo casi lo consigue, excepto que introduces los números equivocados. Puedes utilizar el resultado anterior para demostrar que $P(T_1 > \max\{T_2, T_3\}) = \frac{1}{3}$ . El otro término $P(T_1 < \min\{T_2, T_3\})$ también es $1/3$ si observa que $\min\{T_2, T_3\}$ es exponencial con media $5/2$ .

Pero porque $T_1,T_2,T_3$ se distribuyen de forma idéntica, se puede utilizar la simetría para notar inmediatamente que ambos son $1/3$ : cada una de las tres casillas tiene la misma probabilidad de terminar primero o de terminar último. Así que se puede omitir la complejidad del subproblema de calcular $P(X > \max \{Y,Z\})$ en conjunto.

Enchufar $1/3$ en cada término de su expresión da $\frac{1}{3} \cdot \frac{1}{3} + \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{3} + \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{3} = \frac{1}{3}$ que coincide con las simulaciones de Stacker.

Además, al llegar al $P(T_1 > \max\{T_2, T_3\}) P(T_1 < \min\{T_2, T_3\}) + \cdots$ expresión en su intento implica una falta de memoria argumento que no debe ser glosado (es decir, dado que A termina primero, el tiempo adicional que B necesita para terminar es también exponencial con la misma media, etc.), pero le daré el beneficio de la duda.

1voto

Stacker Puntos 6

Simulación

Aquí hay una simulación en R que puedes usar para ver si D es el último en salir dado que hay 3 personas por delante de él. Puedes establecer los parámetros de la tasa para las tres cajas usando rata1, rata2, rata3 para las tres cajas. En este caso he utilizado 1/5, 1/5, 1/5 como se indica en la descripción del problema.

nit=10000
rat1=1/5
rat2=1/5
rat3=1/5
a=rexp(nit, rat1)
ad=a+rexp(nit, rat1)
b=rexp(nit, rat2)
bd=b+rexp(nit, rat2)
c=rexp(nit, rat3)
cd=c+rexp(nit, rat3)
coun=0
for (i in 1:nit) {
  # a is the first to leave & d is last to leave
  if (((a[i]<min(b[i],c[i])) & ad[i]>(max(b[i], c[i]))) | ((b[i]<min(a[i],c[i])) & bd[i]>(max(a[i], c[i]))) | ((c[i]<min(a[i],b[i])) & cd[i]>(max(a[i], b[i])))) {
    coun=coun+1
  }
}
print(coun/nit)

Hay un 33%-34% de posibilidades de que D sea el último en irse.

-fuera

0.3363
0.3431
0.339

Cálculo

Queremos encontrar $P(\infty>D+A>C>B>A>0)$ y luego multiplicarlo por 6 (cambiando el orden de B y C y permitiendo que B o C sea el primero en terminar, etc.). Estos límites pueden expresarse como $A>0,B>A,C>B,D>C-A$ . Calculamos directamente la integral

$$\begin{split}\int_{0}^{\infty}\frac{e^{-\frac a 5}} 5 \int_{a}^{\infty}\frac{e^{-\frac b 5}} 5\int_{b}^{\infty}\frac{e^{-\frac c 5}} 5\int_{c-a}^{\infty}\frac{e^{-\frac d 5}} 5\text{dd dc db da} &=\int_{0}^{\infty}\frac{e^{-\frac a 5}} 5 \int_{a}^{\infty}\frac{e^{-\frac b 5}} 5\int_{b}^{\infty}\frac{e^{-\frac c 5}} 5\left(e^{\frac a 5-\frac c 5}\right)\text{ dc db da}\\ &=\int_{0}^{\infty}\frac{e^{-\frac a 5}} 5 \int_{a}^{\infty}\frac{e^{-\frac b 5}} 5\left(\frac{e^{\frac a 5-\frac {2b} 5}}2\right)\text{ db da}\\ &=\int_{0}^{\infty}\frac{e^{-\frac a 5}} 5 \frac{e^{-\frac{2a}5}}{6}\text{ da}\\ &=\frac{1}{18}\end{split}$$

Multiplique esto por 6 para obtener $\frac 1 3$ como la probabilidad de que D sea el último. Sorprendentemente, esto es lo mismo que si no hubiera ninguna persona delante de D.

Comentario

Creo que tu fórmula funciona, pero debes tener cuidado de no sobrecargar $T_1$ para representar dos cosas diferentes, porque $P(T_1>\max(T_2,T_3))*P(T_1<\min(T_2,T_3))$ es sólo 0, no puede ser mayor que el máximo y menor que el mínimo. Se podría escribir

$$P(\text{D last one}) = P(T_1' > \max(T_2',T_3'))*P(T_1 < \min(T_2,T_3)) + P(T_2' > \max(T_1',T_3'))*P(T_2 < \min(T_1,T_3)) + P(T_3' > \max(T_1',T_2'))*P(T_3 < \min(T_1,T_2))$$

con los primos indicando después de que el primer cliente termine (lo que implica falta de memoria).

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