浅谈Alibaba数学竞赛压轴题解法[上]

写作动机

  • 年仅17岁的姜萍同学击败众多世界名校的选手,成为历史首位冲进决赛的中专生故事在我们数学圈儿内刷屏
  • 姜萍同学,现就读于江苏省涟水中等专业学校服装设计专业,在此次竞赛中拿下 93 分位居全球第 12 名。姜萍的数学成绩从初中开始就尤为突出,与其他科目形成“断崖式领先”,但是“偏科”阻断了她通向普通高中的路。进入专科学校之后,她对数学的痴迷显得有些“格格不入”。
  • 据介绍,数学老师向她推荐了同济大学出版的《高等数学》,谢惠民的《数学分析》,以及 Lawrence C. Evans 编写的《偏微分方程》凭借手机翻译软件和《英汉小词典》,姜萍已经自学了全英文《偏微分方程》的三分之一。在访谈视频中,我注意到一个细节,姜同学读的是原版的纯英文数学书籍,这点特别棒

题目简介

按照惯例,统计学家自然还是选择概率论与数理统计赛道的题目来睡觉前,活跃活跃思维

  • 问题6的第一问相对比较简单,考察的知识点主要在于全概率公式的运用以及压缩映射,数列的极限求法
  • 题目要求总共投掷n次,我们分两种情况来做讨论。
  • 首先第一种情况,在第一次投掷结果为正面,那么需要满足剩余n-1次出现正面的总次数为奇数;
  • 第二种情况,即第一次投掷结果为反面,那么需要满足剩余n-1次出现正面的总次数为偶数。
  • 我们记p_n = P(X_n为偶数),直接套全概率公式得到
    p_{n} = \frac{1}{3}*(1-p_{n-1})+\frac{2}{3}*p_{n-1}
  • 把上面的式子整理一下
    p_n - \frac{1}{2} = \frac{1}{3}*(p_{n-1}-\frac{1}{2})
    根据 压缩映射概念,我们来解方程p_n - \frac{1}{2} = \frac{1}{3}*(p_{n}-\frac{1}{2})
    所以有\lim_{x \to \infty}p_n = \frac{1}{2}
    补充材料,X乎上基于压缩映射法求数列极限的一个很好的回答

    第一问所有的参赛选手都应该拿下,这是送分的题目,
  • 第二问,主要考察的知识点在于二项分布,多项分布,切比雪夫不等式,以及不等式的放缩技巧,我们常说数学就是在玩儿不等式,谁不等式玩儿的好,谁水平更高(来自香港科技大学荆炳义教授的经典名言)。
  • 由于在第一问中,p_{n}(q)为正面概率是q的时候,n次投掷得到偶数个正面硬币的概率,容易得到,\forall q \neq \frac{1}{2}\lim_{x \to \infty}p_n(q) = \frac{1}{2}
  • 当q = 0.5时,同样有
    p_{n}(\frac{1}{2}) = \frac{1}{2}*[1-p_{n-1}(\frac{1}{2})]+\frac{1}{2}*[p_{n-1}(\frac{1}{2})]=\frac{1}{2}
  • 需要注意的是,上面的式子是仅考虑了两种不同福卡的极限概率。
  • 接下来去考虑三种不同福卡,令概率分别为p_a,p_b,p_c。三种福卡各自张数(X_a,X_b,X_c) ~ (2n,p_a,p_b,p_c)的多项分布;1号福卡的张数X_a~ B(2n,p_a);当X_a = n_1的时候,X_b ~ B(2n-n_1,\frac{p_b}{p_b+p_c})
  • 未完待续
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