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Espera que el número de devoluciones a cero en una caminata aleatoria simétrica - forma cerrada

El número esperado de los rendimientos de una caminata aleatoria simétrica está dada por

$\sum_{k=0}^n \binom{2k}{k} / 2^{2k} -1$

El ejercicio consiste en calcular una forma explícita para ello. Traté de hacerlo de la siguiente manera:

$\sum_{k=0}^n \binom{2k}{k} / 2^{2k}= \sum_{k=0}^n 1/(2 \pi i) \int_{|z|=0.5} 1/2^{2k}(1+z)^{2k}/ z^{k+1} dz $

$=1/(2 \pi i) \int_{|z|=0.5}\sum_{k=0}^n 1/2^{2k}((1+z)^2)^k/ z^{k+1}dz $

Desde aquí uno puede utilizar la serie geométrica y la simplificación de la doble relación de llegar a $1/(2 \pi i) \int_{|z|=0.5} 1/2^{2n}((1+z)^{2n+2}- 2^{2n+2} z^{n+1})/ ((z-1)^2z^{n+1})dz$

El monomio en el numerador con el poder de n tiene un coeficiente de 2n+2 elija n. Todos los demás términos se desvanecen cuando la aplicación de los residuos theore. Por lo tanto el resultado debe ser $\binom{2n+2}{n}$. Pero sé que a partir de la conferencia en la que no es (también desde el comportamiento asintótico) yo puedo averiguar lo que hice mal.

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Marko Riedel Puntos 19255

Aquí hay una respuesta que se repite algunos de los materiales de la cuestión pero los bravos de forma ligeramente diferente.

Buscamos para calcular $$\sum_{k=0}^n {2k\choose k} 2^{-2k}.$$

Introducir la representación integral $${2k\elegir k} = \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{(1+z)^{2k}}{z^{k+1}} \; dz.$$

Esto da por la suma $$\frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z} \sum_{k=0}^n \frac{(1+z)^{2k}}{z^k} 2^{-2k} \; dz \\ = \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z} \sum_{k=0}^n \left(\frac{(1+z)^2}{4z}\right)^k \; dz \\ = \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z} \frac{((1+z)^2/4/z)^{n+1}-1}{(1+z)^2/4/z-1} \; dz \\ = \frac{4}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{((1+z)^2/4/z)^{n+1}-1}{(1-z)^2} \; dz.$$

El segundo término de la diferencia no contribuir y estamos a la izquierda con $$\frac{4}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{(1-z)^2} ((1+z)^2/4/z)^{n+1} \; dz \\ = \frac{4}{4^{n+1}}\frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z^{n+1}} \frac{1}{(1-z)^2} (1+z)^{2n+2} \; dz .$$

La extracción de los coeficientes de esto podemos obtener $$\frac{1}{2^{2n}} \sum_{q=0}^n {2n+2\choose q} (n-q+1).$$

Aquí hemos calculado $$[z^n] \frac{1}{(1-z)^2} (1+z)^{2n+2}$$ por la coincidencia de la primera $n+1$ potencias $z^q$ $z^n$ desde el polinomio con el poder correspondiente $z^{n-q}$ a partir de los racionales plazo.

Hay dos piezas de aquí, la primera es: $$\frac{n+1}{2^{2n}} \sum_{q=0}^n {2n+2\elegir q} = \frac{n+1}{2^{2n}} \frac{1}{2} \left(2^{2n+2} - {2n+2\elegir n+1}\right).$$

La segunda pieza es: $$- \frac{1}{2^{2n}} \sum_{q=0}^n {2n+2\elegir q} \times p = - \frac{1}{2^{2n}} \sum_{q=1}^n {2n+2\elegir q} \times p \\ = - \frac{2n+2}{2^{2n}} \sum_{q=1}^n {2n+1\elegir q-1} = - \frac{2n+2}{2^{2n}} \sum_{q=0}^{n-1} {2n+1\elegir q} \\ = - \frac{2n+2}{2^{2n}} \frac{1}{2} \left(2^{2n+1} - 2 {2n+1\elegir n}\right).$$

El nonbinomial plazo en la primera pieza es $$\frac{n+1}{2^{2n}} \frac{1}{2} 2^{2n+2} = 2n+2$$ y en la segunda pieza $$- \frac{2n+2}{2^{2n}} \frac{1}{2} 2^{2n+1} = -(2n+2)$$ así que estos dos cancelar.

Esto deja $$\frac{n+1}{2^{2n}} \left(2{2n+1\elegir n} - \frac{1}{2}{2n+2\elegir n+1}\right)$$ que es $$\frac{n+1}{2^{2n}} \left(2 \frac{n+1}{2n+2} {2n+2\elegir n+1} - \frac{1}{2}{2n+2\elegir n+1}\right) \\= \frac{n+1}{2^{2n}} \frac{1}{2} {2n+2\elegir n+1} = \frac{n+1}{2^{2n+1}} {2n+2\elegir n+1}.$$

Al parecer, este método es debido a Egorychev.

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