小球碰撞问题中的统计学
朋友给我发了一道笔试题让我帮忙做。题目大概是这样:
(1) 有 1 个小球放在一个 1m 长的光滑凹槽里,小球初始位置随机(均匀分布),初始速度 1m/s,方向随机。求小球滑出凹槽的期望值。
(2) 如果有 2 个小球,且小球碰撞为刚性碰撞,求两个小球全部从凹槽掉落的时间期望值。
(3) 如果有 n 个小球呢?
这道题其实用直觉做很简单。主要有两个关窍: 1. 刚性碰撞后,小球交换速度 动量守恒+能量守恒 2. n 个小球在轨道上均匀分布大概是什么样? 其期望就是均匀把轨道分成 n + 1 份。
因此答案是:1/2,2/3,和 n/(n+1)
当然,这完全不够严谨。下面进入数学部分。
N 个独立同分布最大值的期望
这道题可以提炼出一个数学问题,即求 N 个独立同分布最大值的期望。
假设 \(Y\) 是 N 个随机变量的最大值,则 \(Y\) 的累积分布函数(Cumulative Distribution Function)为:
\[G(y) = P(Y \leq y) = P( \max(X_1, X_2, ..., X_n) \leq y)\]
由于 X 相互独立,上式等价于:
\[\begin{align}
G(y) &= P(X_1 \leq y) P( X_2 \leq y) P(X_n \leq y) \\
&= F^n(y)
\end{align}\]
其中 \(F\) 表示 \(X\) 的累积分布函数。
那么 \(Y\) 的期望值可以表示为:
\[\begin{align}
E(Y) &= \int_a^b y G'(y) dy \\
&= yG(y)|_a^b - \int_a^bG(y)dy \\
&= b - \int_a^bF^n(y)dy
\end{align}\]
均匀分布情形
对于 \((a, b)\) 区间上的均匀分布有:
\[F(x) = \frac{x-a}{b-a}\]
故
\[\begin{align}
E(Y) &= b - \int_a^bF^n(y)dy \\
&= b - \frac{1}{(b-a)^n} \int_a^b(y-a)^n dy \\
&= b - \frac{b-a}{n+1} \\
&= \frac{a + nb}{n+1}
\end{align}\]
带入题目中的区间 \((0,1)\) 得到:
\[E(Y) = \frac{n}{n+1}\]