31
правка
Изменения
Нет описания правки
{{Определение
|definition = '''Случайное блуждание''' (англ. ''random walk'') {{---}} случайный процесс, состоящий из последовательности случайных шагов на каком-нибудь множестве. Обычно рассматриваются случайные блуждания на множестве целых чисел $\mathbb{Z}$ с началом в нуле и с равновероятными шагами либо на $+1$, либо на $-1$.}}
{{Определение
|definition = Иногда также может рассматриваться просто '''блуждание''' {{---}} комбинаторный объект, который появляется как результат случайного блуждания над целочисленной прямой. Блуждание из $n$ шагов можно однозначно задать последовательностью длины $n$, на $i$-й позиции которой стоит либо $+1$, либо $-1$, то есть битовым вектором. }}
== Примеры ==
Теорема | id=2
|statement=
Число различных блужданий длины $n$, заканчивающихся в целой координате $x$ (<tex>|x| \leq \lfloor \frac{n}{2} \rfloor</tex>), равно <tex>\binomdbinom{n}{\frac{n + x}{2}}</tex>, если $n$ и $x$ имеют одинаковую четность, и 0 иначе.
|proof=
Чтобы блуждание закончилось в координате $x$, нужно, чтобы количество движений на $+1 $ было на $x$ больше (на $-x$ меньше) количества движений на $-1$. Ясно, что это невозможно, если координата $x$ имеет не ту же четность, что и $n$, так как в результате любого блуждания из $n$ шагов координата, в которой мы оказываемся в конце, всегда имеет такую же четность, что и $n$. В случае однаковой четности искомое количество равно количеству битовых векторов длины $n$, в которых ровно <tex>\frac{n + x}{2}</tex> единиц. Понятно, что все такие битовые вектора можно получить следующим способом: выберем <tex>\frac{n + x}{2}</tex> позиций в векторе длины $2n$, на этих позициях расположим значение $1$, а на остальных {{---}} значение $0$. Из построения ясно, что количество таких способов по определению равно числу сочетаний <tex>\binomdbinom{n}{\frac{n + x}{2}}</tex>.
}}
=== Свойства случайных блужданий ===
{{
Теорема | id=3
|statement=
Математическое ожидание квадрата координаты, в которой заканчивается блуждание длины $n$, равно $n$.
|proof=
Потом.
}}
{{
Теорема | id=4
|statement=
Математическое ожидание модуля координаты, в которой заканчивается блуждание длины $n$, асимптотически растёт, как <tex>\mathcal O(\sqrt n)</tex>.
|proof=
Из предыдущей теоремы известно, что <tex>E \left[ X_n^2 \right] = n</tex>. По неравенству Йенсена для математического ожидания для выпуклой функции <tex>\varphi (x)</tex> выполнено <tex>\varphi \left( E \left[ X \right] \right) \leq E \left[ \varphi (X) \right]</tex>. Таким образом, взяв <tex>X = |X_n|</tex> и <tex>\varphi (x) = x^2</tex>, получаем <tex>E |X_n| \leq \left( E \left[ X_n^2 \right] \right)^{1/2} = \sqrt{n}</tex>, а значит <tex>E |X_n| = \mathcal O(\sqrt{n})</tex>.
}}
== Производящие функции ==
{{
Теорема | id=5
|statement=
Пусть $w_i$ {{---}} количество блужданий длины $2n$, которые оканчиваются в нуле. Тогда верна следующая рекуррентная формула:
|proof=
Доказательство очень похоже на вывод количества формулы для числа путей Дика длины $2n$.
Рассмотрим позицию последнего пересечения путем блуждания нулевой координаты, номер шага не равную равного $2n$, на котором траектория блуждания последний раз заходит в нулевую координату. Пусть эта координата равна $2x$, тогда после этого есть два варианта развития: перемещение либо на $+1$, либо на $-1$. В обоих случаях путь в следующий раз пересечёт нулевую координату только на $2n$-ое пермещение, поэтому при перемещении из координаты $2x$ далее лежит путь Дика длины $2n - 2x - 2$, не заходящий либо левее координаты $1 $ (в случае перемещений перемещения $+1$), либо не заходящий правее кординаты $-1 $ (в случае перемещения $-1$). Количество путей Дика длины $2n - 2x - 2$ равно $C_{n-x-1}$. Так как в каждом пути существует у каждого блуждания есть его последняя позиция пересечения нулевой координаты, не равная $2n$, то можно рекурсивно посчитать все блуждания следующим образом:
<tex>w_n = \sum\limits_{x = 0}^{n - 1}{w_x \cdot 2 C_{n-x-1}} = 2 \sum\limits_{i = 0}^{n - 1}{w_i C_{n-i-1}}</tex>
{{
Теорема | id=46
|statement=
Производящая функция для количества блужданий чётной длины, заканчивающихся в нулевой координате, равна:
<tex>W(t) = \dfrac{1}{1 - 2 t C(t)} = \dfrac{1}{\sqrt{1 - 4 t}}</tex>
}}
{{
Теорема | id=7
|statement=
Производящая функция для количества блужданий, заканчивающихся в некоторой положительной координате $n$ и не заходящих в отрицательную полупрямую, равна:
<tex>W_n(t) = \dfrac{(1 - \sqrt{1 - 4t^2})^{n+1}}{2^{n+1}t^{n+2}} = t^n C^{n+1}(t^2)</tex>
|proof=Потом.
}}
{{
Теорема | id=8
|statement=
Производящая функция для значений $w_{n,m}$ {{---}} количества блужданий длины $n$, заканчивающихся в некоторой положительной координате $m$ и не заходящих в отрицательную полупрямую, равна:
<tex>W(u, v) = \dfrac{C(v^2)}{1 - u v C(v^2)}</tex>
|proof=Потом.
}}
