東京大学 工学系研究科 2013年8月実施 数学 第6問
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
表の確率が p∈(0,1) のコインを独立に n 回投げる。ちょうど k 回表が出る確率を Pn(k)(0≤k≤n)とする。
I. Pn(k) を求めよ。
II. μ=∑k=0nkPn(k) から μ=np を示せ。
III. 0<x<1 に対し I(x)=limn→∞[−n−1logePn(⌊xn⌋)] を求め、その最小値と最小点を求めよ。
Stirling の公式 m!∼2πm(m/e)m を用いてよい。
IV. ϕn(θ)=loge∑k=0neθkPn(k)(θ∈R)を求めよ。
さらに ϕ(θ)=limn→∞ϕn(θ)/n とし、0<η<1 に対して
ϕ∗(η)=maxθ∈R[ηθ−ϕ(θ)] を求めよ。
题目描述
独立掷同一枚硬币 n 次,每次正面概率 p∈(0,1)。令 Pn(k) 为恰好 k 次正面的概率,0≤k≤n。
I. 求 Pn(k)。
II. 从 μ=∑k=0nkPn(k) 证明 μ=np。
III. 对 0<x<1,求 I(x)=limn→∞[−n−1logePn(⌊xn⌋)],并求其最小值及取得最小值的 x。
可用 Stirling 公式 m!∼2πm(m/e)m。
IV. 令 ϕn(θ)=loge∑k=0neθkPn(k),θ∈R。求 ϕn(θ);再令
ϕ(θ)=limn→∞ϕn(θ)/n,求
ϕ∗(η)=maxθ∈R[ηθ−ϕ(θ)],其中 0<η<1。
Kai
I–II
Pn(k)=(kn)pk(1−p)n−k.
k(kn)=n(k−1n−1) と二項定理より、
μ=npj=0∑n−1(jn−1)pj(1−p)n−1−j=np.
III
xn=⌊xn⌋/n→x とおく。Stirling の公式から、
n1log(nxnn)=−xnlogxn−(1−xn)log(1−xn)+o(1).
従って、
I(x)=xlogpx+(1−x)log1−p1−x.
I′(x)=logp(1−x)x(1−p)、I′′(x)=1/x+1/(1−x)>0。
唯一の最小点は x=p、最小値は 0 である。
二項定理より、
ϕn(θ)=nlog(1−p+peθ),ϕ(θ)=log(1−p+peθ).
最大点は η=peθ/(1−p+peθ) を満たすから、
θ∗=log[η(1−p)/(p(1−η))]。
目的関数の二階導関数は常に負なので、
ϕ∗(η)=ηlogpη+(1−η)log1−p1−η=I(η).