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Hallo nochmals
Ich bin jetzt endlich auch mal wieder dazu gekommen, meine Gedanken weiterzuführen und zu formulieren.
Zunächst mal Lob an alexg, dein ZickZack-Diagramm sieht schon sehr ähnlich aus, wie meines.
Ich wiedme mich jetzt dem Beweis a.2. (siehe hierzu mein Diagramm...)
a) Ich gehe davon aus, dass beim ersten Mal würfeln die '+1' kommt.
Nebenbemerkung: Sollte die '-1' kommen, dann stellen wir eben alles auf den Kopf, d.h. spiegeln an der x-Achse, und alles ist wieder beim selben.
Nach dem ersten Mal würfeln stehen wir also bei (x=1, y=1).
b) zweites Mal würfeln (x=2):
> mit Wahrscheinlichkeit p=1/2 kehren wir zurück zu y=0,
> mit Wahrscheinlichkeit p=1/2 steigen wir auf y=2 .
Ich habe immer die Anzahl der Wege, die zu einem Punkt (x,y) führen, über den Punkt geschrieben.
> zum Punkt (x=2, y=0) führt ein Weg.
> zum Punkt (x=2, y=2) führt ein Weg.
c) drittes Mal würfeln (x=3):
(Nebenbemerkung: Ich verfolge jetzt nur noch die Wege, die y>=0 sind. Denn wir wollen ja beweisen, dass mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit irgendwann die Null (y=0) wieder erreicht wird. Wenn y=0 erreicht wurde, dann ist ja das Ziel auf diesem speziellen Weg erreicht, und ich muss den Weg nicht weiter verfolgen.)
> mit Wahrscheinlichkeit p=(1/2)*(1/2) kommen wir zum Punkt (x=3, y=1),
> mit Wahrscheinlichkeit p=(1/2)*(1/2) kommen wir zum Punkt (x=3, y=3) .
> zum Punkt (x=3, y=1) führt ein Weg.
> zum Punkt (x=3, y=3) führt ein Weg.
d) viertes Mal würfeln (x=4):
> mit Wahrscheinlichkeit p=(1/2)*(1/2)*(1/2) kommen wir zum Punkt (x=4, y=4),
> mit Wahrscheinlichkeit p=(1/2)*(1/2)*(1/2) kommen wir über Punkt (x=3, y=3) zum Punkt (x=4, y=2),
> mit Wahrscheinlichkeit p=(1/2)*(1/2)*(1/2) kommen wir über Punkt (x=3, y=1) zum Punkt (x=4, y=2),
> mit Wahrscheinlichkeit p=(1/2)*(1/2)*(1/2) kommen wir zum Punkt (x=4, y=0).
> zum Punkt (x=4, y=4) führt ein Weg.
> zum Punkt (x=4, y=2) führen 2 Wege.
> zum Punkt (x=4, y=0) führt ein Weg.
e) So allmählich erkennen wir das Prinzip.
Nennen wir die Anzahl Wege, die zu einem Punkt (x,y) führen: "a_xy"
Dann gilt doch:
> für y=0: a_(x+1, y=0)= a_(x, y=1)
> für y=1: a_(x+1, y=1)= a_(x, y=2)
> für y>=2: a_(x+1, y) = a_(x, y-1) + a_(x, y+1)
Na wunderbar. Das riecht nach Tabellenkalkulationsprogramm. Ich habe das mal für uns tabelliert, siehe Diagramm "a(x,y)".
f) Ich will jetzt die Wahrscheinlichkeit errechnen, dass nach x mal Würfeln die y=0 - Linie noch NIEMALS wieder erreicht wurde.
f.1) Anzahl möglicher Ereignisse (Zick-Zack-random-walk-Wege): n_mög= 2^(x-1)
f.2) Anzahl günstiger Ereignisse:
> bei x=3 sind es 2 Wege, nämlich einer zum Punkt (x=3,y=1), und einer zum Punkt (x=3,y=3).
> bei x=5 sind es 6 Wege, nämlich 2 zu (5,1), 3 zu (5,3), und 1 zu (5,5).
> usw.
Nennen wir die Anzahl Wege, die nicht über (y=0) führten, also die Anzahl günstiger Ereignisse: "b(x)"
Betrachten wir die Reihe b(x):
x= ;|; b(x)=
2 ;|; 1
4 ;|; 3
6 ;|; 10
8 ;|; 35
10 ;|; 126
12 ;|; 462
14 ;|; 1716
16 ;|; 6435
18 ;|; 24310
20 ;|; 92378
g) Ich behaupte:
b(x)= ((x-1) über (x/2))
(Nebenbemerkung: Natürlich müsste ich diese Behauptung für einen ausführlichen Beweis jetzt auch noch ausführlich beweisen.
> Ich habe hier keine Lust, mir die Finger noch mehr wund zu tippen.
> Zugegeben, ich habe mir diesen Beweis jetzt auch noch nicht ausführlich zurecht gelegt.
> Ich halte es für plausibel, weil die Verwandschaft zum Pascalschen Dreieck und damit zum Binomial-Koeffizienten ja geradezu ins Auge fällt.
> Ich habe es per Tabellenkalkulationsprogramm bis x=170 numerisch durchexerziert und geprüft (dann gehen Excel die Zahlen aus).
> Dem Herrn George Polya scheint der Beweis ja gelungen zu sein. Und er kommt auf seine Weise auch auf einen sehr ähnlich klingenden Binomialkoeffizienten.
> Es ist ja nicht meine Hausaufgabe. Und für meine Zwecke bin ich schon sehr zufrieden mit diesem Stand der Behauptung oder auch "Quasi-Beweis".
Nebenbemerkung_Ende)
h) Unter f) wollte ich doch die Wahrscheinlichkeit errechnen. Also dann:
Wahrscheinlichkeit dafür, dass nach x mal Würfeln die y=0 - Linie noch NIEMALS erreicht wurde:
p(x)= Anzahl_günstiger_Ereignisse / Anzahl_möglicher_Ereignisse
p(x)= b(x)/ [2^(x-1)]
p(x)= 2*[(x-1) über (x/2)]/(2^x)
Für das Folgende empfiehlt sich eine Substitution:
d= x/2
x= 2*d
damit:
p(d)= 2*[(2*d-1) über d]/(2^(2*d)) = 2*[(2*d-1) über d]/(4^*d)
i) Ich ziele Aufgaben-gemäß auf den Grenzwert der Wahrscheinlichkeit für x-> Unendlich.
Siehe dazu den Scan unter ...
Ich habe mir dabei erlaubt, bei den Binomial-Koeffizienten bzw. deren Fakultäten auf die Stirling-Formel zurückzugreifen:
n! = sqrt(2*pi*n)*(n^n)/exp(n)
j)
Die Näherungsformel
p_Nährg.(x)= sqrt(2/pi/x)
bescheibt sehr gut das Verhalten der Wahrscheinlichkeit.
Das konnte ich jetzt natürlich auch wieder mit Tabellenkalkulation veranschaulichen:
x ;|; p(x) ;|; p_Nährg.
2 ;|; 0.5 ;|; 0.564189584
10 ;|; 0.24609375 ;|; 0.252313252
30 ;|; 0.144464448 ;|; 0.145673124
100 ;|; 0.079589237 ;|; 0.079788456
170 ;|; 0.061105026 ;|; 0.061194952
Na - wenn das mal nicht ne gute Näherung ist.
k) Zusammenfassung:
Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass nach unendlich mal Würfeln die y=0 - Linie NIEMALS erreicht wird, hat den Grenzwert p=0.
D.h. mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit wird ausgehend vom Wert y=0 dieser Wert wieder erreicht.
qed
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