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東京大学 工学系研究科 2020年度 数学 第6問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

問題

独立な nn 回の試行を行い、各回で +1+1 点または 1-1 点をそれぞれ確率 1/21/2 で得る。第 kk 回の得点を XkX_kSk=i=1kXiS_k=\sum_{i=1}^kX_i とする。以下、n4n\ge4 は偶数、tt2tn2\le t\le n を満たす偶数とする。

I. P(S4=0)P(S_4=0) を求めよ。

II. Pn(t)=P(Sn=t)P_n(t)=P(S_n=t) を求めよ。

III. Pn+(t)=P(S1=1,Sn=t)P_n^+(t)=P(S_1=1,S_n=t) を求めよ。

IV. Pn(t)=P(S1=1,Sn=t)P_n^-(t)=P(S_1=-1,S_n=t) を求めよ。

V. Qn(t)=P(S1>0,,Sn1>0,Sn=t)Q_n(t)=P(S_1>0,\ldots,S_{n-1}>0,S_n=t) とする。まず Pn+,PnP_n^+,P_n^- を用いて表し、次に PnP_n を用いて表せ。

VI. P(S1>0,,Sn>0)P(S_1>0,\ldots,S_n>0) を求めよ。

题目描述

nn 次相互独立的试验中,每次以相同概率 1/21/2 得到 +1+11-1 分。令第 kk 次的得分为 XkX_kSk=i=1kXiS_k=\sum_{i=1}^kX_i。以下 n4n\ge4 为偶数,tt 为满足 2tn2\le t\le n 的偶数。

I. 求 P(S4=0)P(S_4=0)

II. 令 Pn(t)=P(Sn=t)P_n(t)=P(S_n=t),求 Pn(t)P_n(t)

III. 令 Pn+(t)=P(S1=1,Sn=t)P_n^+(t)=P(S_1=1,S_n=t),求 Pn+(t)P_n^+(t)

IV. 令 Pn(t)=P(S1=1,Sn=t)P_n^-(t)=P(S_1=-1,S_n=t),求 Pn(t)P_n^-(t)

V. 令 Qn(t)=P(S1>0,,Sn1>0,Sn=t)Q_n(t)=P(S_1>0,\ldots,S_{n-1}>0,S_n=t)。先用 Pn+,PnP_n^+,P_n^- 表示 QnQ_n,再用 PnP_n 表示。

VI. 求 P(S1>0,,Sn>0)P(S_1>0,\ldots,S_n>0)

Kai

I–IV.

k=(n+t)/2k=(n+t)/2 とおく。これは nn 回中で +1+1 が出る回数である。直接数え上げて

P(S4=0)=(42)24=38,Pn(t)=2n(nk).\boxed{P(S_4=0)=\frac{\binom42}{2^4}=\frac38},\qquad \boxed{P_n(t)=2^{-n}\binom nk}.

最初の符号を固定すると

Pn+(t)=2n(n1k1)=n+t2nPn(t),\boxed{P_n^+(t)=2^{-n}\binom{n-1}{k-1}=\frac{n+t}{2n}P_n(t)},
Pn(t)=2n(n1k)=nt2nPn(t).\boxed{P_n^-(t)=2^{-n}\binom{n-1}{k}=\frac{n-t}{2n}P_n(t)}.

範囲外の二項係数は零とする。

V.

最初に +1+1 へ進んだ後、終点に達する前に零へ戻る経路を考える。出発点から初めて零に戻る時点までを横軸について反射すると、最初に 1-1 へ進んで同じ終点に達する経路と一対一に対応する。したがって

Qn(t)=Pn+(t)Pn(t)=tnPn(t).\boxed{Q_n(t)=P_n^+(t)-P_n^-(t)=\frac tnP_n(t)}.

VI.

正の偶数の終点について和をとり、二項係数の差を望遠和として計算すると

P(S1>0,,Sn>0)=2nk=n/2+1n[(n1k1)(n1k)]=2n(n1n/2)=2n1(nn/2).\begin{aligned} P(S_1>0,\ldots,S_n>0) &=2^{-n}\sum_{k=n/2+1}^n \left[\binom{n-1}{k-1}-\binom{n-1}{k}\right]\\ &=\boxed{2^{-n}\binom{n-1}{n/2} =2^{-n-1}\binom n{n/2}}. \end{aligned}