簡說期望類問題的解法

2021-07-05 10:07:08 字數 3205 閱讀 1571

近年的acm競賽中,數學期望問題常有涉及,在以前也常讓本人感到很頭疼,近來突然開竅,掌握了基本的分析方法,希望對大家有幫助。寫得淺薄,可能數學上不夠嚴謹,只供理解。

首先,來看下期望有啥基本的公式。

對離散型隨機變數x,其概率為p,有 e(

x)=∑

ipix

i 對隨機變數a、b有 e(

αa±β

b)=α

e(a)

±βe(

b)第二條式子是今天的主角,他表明了期望有線性的性質,簡單理解就是期望之間可根據關係,簡單運算(不嚴謹的理解)。這就為我們解決乙個期望問題,不斷轉化為解決另外的期望問題,最終轉化到乙個已知的期望上。

舉乙個求期望最簡單的例子,見下圖。

假設有個人在 1號節點處,每一分鐘他會緣著邊隨機走到乙個節點或者在原地停留,問他走到4號節點需要平均幾分鐘?

這是個簡單的期望問題,我們用 ei

(i=1

,2,3

,4) 表示從i號節點走到4號節點的數學期望值。根據題意對1號節點有 e1

=(1/

3)∗e

1+(1

/3)∗

e2+(

1/3)

∗e3+

1 ①

表示他下一分鐘可以走到2或者3或在原地1,每個可能概率是1/3 ,注意是下一分鐘,故要加上1.

同理我們對節點2,3同樣可以列出e2

=(1/

3)∗e

1+(1

/3)∗

e2+(

1/3)

∗e4+

1 ② e3

=(1/

3)∗e

1+(1

/3)∗

e3+(

1/3)

∗e4+

1 ③ 那e

4 等於多少呢? 很明顯e4

=0④,因為他就是要到點4

這樣上面1234式其實就是組成了一組方程組,解方程組就可得出e1

,用高斯消元,複雜度是o(

n3)

從上述例子,我們可總結出如何解決期望類問題,根據題意,表示出各個狀態的期望(上例的ei

(i=1

,2,3

,4) ),根據概率公式,列出期望之間的方程,解方程即可。

下面看用上述思路如何解決一道題(poj2096)

題意:乙個人受僱於某公司要找出某個軟體的bug和子元件,這個軟體一共有

n 個bug和

s個子元件,每次他都能同時隨機發現

1 個bug和

1個子元件,問他找到所有的bug和子元件的期望次數。

我們用e(i

,j) 表示他找到了

i 個bug和

j個子元件,離找到

n 個bug和

s個子元件還需要的期望次數,這樣要求的就是e(

0,0)

,而e(

n,s)

=0,對任意的e(

i,j)

。 1次查詢4種情況:

1. 沒發現任何新的bug和子元件

2. 發現乙個新的bug

3. 發現乙個新的子元件

4. 同時發現乙個新的bug和子元件

概率公式可得:e(

i,j)

=1+(

i∗j/

n/s)

∗e(i

,j)+

(i∗(

s−j)

/n/s

)e(i

,j+1

)+((

n−i)

∗j/n

/s)∗

e(i+

1,j)

+(n−

i)∗(

s−j)

/n/s

∗e(i

+1,j

+1)

移項可得:(1

−(i∗

j)/(

n∗s)

)e(i

,j)=

1+(i

∗(s−

j)/n

/s)e

(i,j

+1)+

((n−

i)∗j

/n/s

)∗e(

i+1,

j)+(

n−i)

∗(s−

j)/n

/s∗e

(i+1

,j+1

) 這樣根據邊界就可解出所有的e(

i,j)

,注意因為當我們找到n個bug和s個子元件就結束,對

i>n或

j>

s 均無解的情況,並非期望是0 (數學上常見問題,0和不存在的區別)

那這題是否也是要用高斯消元呢? 用高斯消元得話複雜度是o(

n3) ,達到

1018

根本是不可解的!

但其實,注意觀察方程,當我們要解e(

i,j)

的話就需要e(

i+1,

j),e

(i,j

+1),

e(i+

1,j+

1),一開始已知e(

n,s)

,那其實只要我們從高往低乙個個解出i,

j 就可以了! 即可根據遞推式解出所有的e(

i,j)

複雜度是o(

n2) ,完美解決。 my

code

#include 

#include

#include

using

namespace

std;

const

int n = 2005;

double dp[n][n];

int main()

}printf("%.4f\n", dp[0][0]);

}return

0;}

從上面這道題,我們再次看到了解決期望問題的思路,而且是用到了遞推解決問題,其實可遞推的原因,當我們把各個狀態當成是乙個個節點時,概率關係為有向邊,我們可看到,可遞推的問題其實就是這個關係圖是無環的!那必須要用方程組解決的問題其實就是存在環! 而且我還要指出的是用高斯消元的時候,要注意誤差的問題,最好把式子適當的增大,避免解小數,否則誤差太大,估計也會卡題。

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