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Buscando la intuición detrás de la expectativa del patrón de lanzamiento de monedas

Estaba discutiendo el siguiente problema con mi hijo:

Supongamos que empezamos a lanzar una moneda (justa) y anotamos la secuencia; por ejemplo, podría salir HTTHTHHTTTTH... . Estoy interesado en el número esperado de vueltas para obtener un patrón dado. Por ejemplo, se esperan 30 vueltas para obtener HHHH . Pero lo más sorprendente es que sólo se necesitan 20 giros esperados para conseguir HTHT .

La intuición tentadora es pensar que cualquier patrón XXXX es equiprobable ya que, en lotes de 4 volteos aislados, esto es cierto. Pero cuando buscamos patrones incrustados como éste, las cosas cambian. Mi hijo quería saber por qué HTHT era mucho más probable que ocurriera antes HHHH pero no pude articular ningún tipo de explicación satisfactoria. ¿Y tú?

6voto

theog Puntos 585

Las otras respuestas son perfectamente buenas, pero creo que una imagen vale más que mil palabras en este caso.

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Cuando se espera el HHHH, se va directamente a la cárcel (no se pasa, no se cobran 200 dólares) mucho más a menudo que cuando se espera el HTHT.

4voto

Did Puntos 1

Se puede explicar la ordenación de los dos tiempos medios de primer golpe como sigue.

La aparición de una palabra puede modelarse a través de la secuencia de las longitudes de los prefijos más largos de esta palabra alcanzados en cada momento. Si la palabra a alcanzar es U=HHHH entonces la palabra W=HTTHTHHTTTTH de su ejemplo da como resultado la secuencia $(0,1,0,0,1,0,1,2,0,0,0,0,1)$ . Si la palabra a alcanzar es V=HTHT entonces W se obtiene la secuencia $(0,1,2,0,1,2,3,1,2,0,0,0,1)$ .

En ambos casos la secuencia resultante es una cadena de Markov en el espacio de estados $\{0,1,2,3,4\}$ y se pregunta por el tiempo medio de llegada del estado $4$ a partir del estado $0$ . Las probabilidades de transición de las transiciones válidas son todas $\frac12$ . Las transiciones válidas en ambos modelos son $0\to0$ , $0\to1$ , $1\to2$ , $2\to0$ , $2\to3$ y $3\to4$ . Las transiciones válidas en el modelo U sólo son $1\to0$ y $3\to0$ . Las transiciones válidas en el modelo V sólo son $1\to1$ y $3\to1$ .

Se pueden acoplar las dos cadenas de Markov de forma que ambas realicen los pasos $n\to n+1$ simultáneamente. Entonces, la posición del V cadena de Markov es al menos tan alta como la posición del U cadena de Markov al mismo tiempo. Por lo tanto, el V la cadena llega a $4$ antes, mientras tanto.

Advertencia: este acoplamiento no significa que el V secuencia de una palabra dada es siempre al menos tan alta como la U secuencia, sólo que se pueden encontrar dos procesos $(U_n)_n$ y $(V_n)_n$ tal que $(U_n)_n$ se distribuye como la secuencia de las longitudes de los prefijos de U , $(V_n)_n$ se distribuye como la secuencia de las longitudes de los prefijos de V y $U_n\geqslant V_n$ casi con toda seguridad, para cada $n$ .

Una consecuencia de esta construcción simultánea de los tiempos de golpeo $T_U$ y $T_V$ es que, para cada $t$ , $\mathrm P(T_U\geqslant t)\leqslant\mathrm P(T_V\geqslant t)$ . Por lo tanto, $\mathrm E(T_V^k)\geqslant\mathrm E(T_U^k)$ para cada no negativo $k$ y, en general, $\mathrm E(a(T_V))\geqslant\mathrm E(a(T_U))$ para todo lo que no sea decreciente $a$ .

3voto

psychotik Puntos 171

Supongamos que tenemos una cola de 4 ranuras. Mediante estado nos referimos a la cola más larga de la secuencia de monedas que coincide con el patrón $XXXX$ desde la izquierda. Si no hay coincidencia, denotamos el estado como $\varnothing$ . Por ejemplo, el estado de la secuencia $$TTTTHTHHTTTHTH,$$ dado el patrón $XXXX = HTHT$ es $HTH$ y el estado para el patrón $TTTT$ es $\varnothing$ .

Ahora supongamos que el patrón es $XXXX = HHHH$ . Si tiene $T$ y no se completa el patrón, el estado se derrumba a $\varnothing$ así que tenemos que empezar por el principio.

Pero si el patrón es $XXXX = HTHT$ y el estado anterior es $H$ o $HTH$ entonces el estado colapsa a $H$ incluso si fracasa. Por lo tanto, en este caso no tenemos que empezar por el principio. Esta diferencia nos permite completar el patrón más rápidamente, lo que se traduce en el corto tiempo previsto.

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