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更快掷出正面的人:条件期望

Better Coin Flipper

专题
Probability / 概率
难度
L6

题目详情

Alex 和 Blake 各自独立地反复掷一枚公平硬币,直到第一次掷出正面(Heads)为止。

已知 Alex 获得第一次正面所用的掷币次数严格少于 Blake,求 Alex 的掷币次数的期望。

Alex and Blake each flip fair coins until they obtain their first heads, respectively. Given that it takes strictly fewer flips for Alex to get his first heads than Blake, compute the expected number of flips Alex performed.

解析

XX 为 Alex 得到第一次正面所需掷币次数,YY 为 Blake 的对应次数。则 X,YX,Y 独立同分布,且

P(X=k)=2k,k=1,2,\mathbb{P}(X=k)=2^{-k},\quad k=1,2,\ldots

我们要算 E[XX<Y]\mathbb{E}[X\mid X<Y]

k1k\ge 1,有

P(X=k,X<Y)=P(X=k)P(Y>k)=2k2k=4k.\mathbb{P}(X=k, X<Y)=\mathbb{P}(X=k)\mathbb{P}(Y>k)=2^{-k}\cdot 2^{-k}=4^{-k}.

P(X=Y)=k14k=1/411/4=13,\mathbb{P}(X=Y)=\sum_{k\ge 1}4^{-k}=\frac{1/4}{1-1/4}=\frac{1}{3},

由对称性 P(X<Y)=P(X>Y)=1P(X=Y)2=13\mathbb{P}(X<Y)=\mathbb{P}(X>Y)=\frac{1-\mathbb{P}(X=Y)}{2}=\frac{1}{3}

因此

P(X=kX<Y)=4k1/3=34k.\mathbb{P}(X=k\mid X<Y)=\frac{4^{-k}}{1/3}=3\cdot 4^{-k}.

从而

E[XX<Y]=k1k34k=314(114)2=349=43.\mathbb{E}[X\mid X<Y]=\sum_{k\ge 1} k\cdot 3\cdot 4^{-k}=3\cdot \frac{\frac14}{(1-\frac14)^2}=3\cdot \frac{4}{9}=\frac{4}{3}.

答案:43\boxed{\frac{4}{3}}